JP5504878B2

JP5504878B2 - 車両用発電機

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Publication number: JP5504878B2
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Inventors: 晴美堀畑
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Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機に関する。

従来から、三相インバータ回路に含まれる各スイッチング素子を、他相の相電圧を基準にして所定の遅延時間経過後にオフするようにした車両用三相回転電機用インバータ回路装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このインバータ回路装置では、スイッチング素子のオン時間を電気角で１２０°〜１８０°まで変化させるようにオフタイミングの設定が行われる。

特開２００４−７９６４号公報

ところで、特許文献１に開示されたインバータ回路装置では、他相の相電圧を基準にしてスイッチング素子のオフタイミングを決めているが、このスイッチング素子を通して流れる電流の位相を正確に制御することができないという問題があった。スイッチング素子のオフタイミングをダイオードに電流が流れる期間よりも長く設定してスイッチング素子を介してバッテリから相巻線に所定の期間（電気角）だけ電流が流れ込むように相電流の位相を制御（位相制御）する場合を考えると、正確に回転子と固定子（固定子巻線）との相対的な位置を知る必要がある。したがって、例えばレゾルバなどの位置検出用の部品を追加すれば、回転子の位置検出が可能になり、上述した位相制御を行うことができる。上述した特許文献１では、このような位置検出手段がなくても相電圧に基いて回転子の相対的な位置を推定することができるため各スイッチング素子のオフタイミングを設定することができるが、上述した位相制御を行おうとすると特許文献１の手法をそのまま用いることはできない。

一般に、回転子の励磁により発生した磁束によって、固定子巻線に含まれる各相巻線に起電圧（相電圧）が発生する。このとき、各相巻線に現れる起電圧は、各相巻線に流れる電流によって発生する磁束の影響も受けている。ダイオードの通電期間にあわせてスイッチング素子をオンして整流（同期整流）を行う場合には、スイッチング素子のオン／オフタイミングを変更しても相電圧に大きな変化はないが、スイッチング素子のオン期間をダイオードの通電期間以上に、あるいは、ダイオードの通電期間に対してずらして設定した場合には、ダイオード通電期間以外にバッテリからの電流が相巻線に流れ込むことになるため、相電圧の位相が大きく変化してしまう。つまり、基準として使用していた相電圧の位相や大きさが変わってしまって、基準としての機能を果たさなくなる（回転子の位置の推定ができなくなる）。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、位置検出用の部品を追加することなく、相電流の位相を正確に制御することができる車両用発電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電機は、２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部と、スイッチング素子のオンオフタイミングを制御する制御部と、相巻線の相電流の極性が反転した時点を電流のゼロクロス点として検出するゼロクロス検出部とを備え、制御部は、ゼロクロス検出部によって検出されたゼロクロス点を基準としてスイッチング素子のオフタイミングを設定している。具体的には、上述した制御部は、各相の相巻線に対応するスイッチング素子のオフタイミングを、この相巻線自身のゼロクロス点を基準に設定することが望ましい。これにより、相電流の位相（向き）を直接検出することにより、相電圧の周期や位相を推測し、相電流の位相を正確に制御することが可能となる。

また、上述したゼロクロス検出部および制御部は、各相の相巻線毎に設けられていることが望ましい。このように自相のゼロクロス点を用いてオフタイミングを行うことにより、各相巻線毎に構成をモジュール化した場合の配線の簡略化が可能となる。

また、上述した制御部は、スイッチング素子がオンしているときにこのスイッチング素子に流れる電流が減少していって極性が反転するゼロクロス点を基準にして、このスイッチング素子のオフタイミングを設定することが望ましい。これにより、スイッチング素子を通して流れる電流の向きが反転した後（バッテリから相巻線への電流の引き込みが開始された後）にスイッチング素子を正確にオフすることができ、出力電流を増加させる制御が可能となる。

また、上述した制御部は、スイッチング部から外部に出力される電流が所定値以下のとき、および、回転数が所定回転数以上のときの少なくとも一方が成立する場合に、過去のゼロクロス点を基準にスイッチング素子のオフタイミングを設定することが望ましい。これにより、ダイオードを用いた整流動作と同様の同期制御による整流をゼロクロス点を基準に行うことが可能となる。

また、上述した制御部は、複数の相巻線のそれぞれ毎に、上アームおよび下アームのいずれか一方に対応するスイッチング素子をオフした時点から所定時間後に、上アームおよび下アームのいずれか他方に対応するスイッチング素子をオンすることが望ましい。あるいは、上述した制御部は、スイッチング部から外部に出力される電流が所定値以下のとき、および、回転数が所定回転数以上のときの少なくとも一方が成立する場合に、上アームおよび下アームのいずれか一方に対応するスイッチング素子に流れる電流のゼロクロス点を基準にして、上アームおよび下アームのいずれか他方に対応するスイッチング素子をオンすることが望ましい。これにより、各相巻線に対応する上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とが同時にオンすることを確実に防止し、サージ電圧の発生やバッテリの端子間を短絡することによる大きな損失の発生を防止することができる。

また、上述した制御部は、複数の相巻線のそれぞれ毎に、上アームおよび下アームに対応するスイッチング素子のオフタイミングおよびオンタイミングを、これらのスイッチング素子に流れる電流のゼロクロス点を基準にして設定するとともに、他相の相巻線に対応するスイッチング素子に流れるゼロクロス点を用いて値が設定された所定時間がこの基準位置から経過した時点を自相の相巻線に対応するスイッチング素子のオフタイミングあるいはオンタイミングとする。他相のゼロクロス点の情報を含めることにより、回転数を検出したり回転変動の程度を判定する精度を上げることができ、結果的に、オン／オフタイミングの設定精度を上げることができる。

また、上述した制御部は、相巻線の起電圧が所定値以下のときに、複数の相巻線に対応する複数の上アームのスイッチング素子あるいは複数の下アームのスイッチング素子を同時にオンすることが望ましい。

これにより、出力電圧がバッテリ電圧未満の場合であっても相電流のゼロクロス点検出が可能になり、従来では出力が全く得られなかった低回転においても、回転子と固定子の相対的な位置関係がわかるようになり、位相制御を開始して出力を得ることができる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。同期制御モードと位相制御モードの境界を示す説明図である。同期制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図である。位相制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図である。各相巻線に対応させて別々に制御部等を設ける場合の部分的な構成を示す図である。位相制御を開始する条件を説明する図である。回転数Ｎ₀およびＮ₀’に対応する相電圧波形を示す図である。回転数がＮ₀’未満の場合の相電流を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用発電機１は、電機子巻線２、３、界磁巻線４、スイッチング部５、６、制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９、電圧制御装置１０を含んで構成されている。この車両用発電機１は、電機子巻線２、３に誘起された交流電圧をスイッチング部５、６で整流して得られた直流電力をバッテリ１１や電気負荷（図示せず）に供給する発電動作を行う。なお、バッテリ１１から供給される直流電圧をスイッチング部５、６によって三相交流電圧に変換して電機子巻線２、３に印加して回転子（図示せず）を回転させる電動動作を車両用発電機１に行わせるようにしてもよい。

電機子巻線２は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。電機子巻線２の各相巻線に誘起される交流出力がスイッチング部５に供給される。また、電機子巻線３は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。例えば、電機子巻線２と電機子巻線３は、電気角で３０°異なる位置に巻装されている。電機子巻線３の各相巻線に誘起される交流出力がスイッチング部６に供給される。界磁巻線４は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成しており、界磁巻線４に界磁電流を流すことにより界磁極が磁化される。

スイッチング部５は、一方の電機子巻線２とバッテリ１１との間に介在し、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームと複数の下アームとからなるブリッジ回路を形成している。具体的には、電機子巻線２は、Ｙ結線されたＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線を有している。Ｕ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２とが接続されている。Ｖ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ３およびダイオードＤ３と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ４およびダイオードＤ４とが接続されている。Ｗ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ５およびダイオードＤ５と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ６およびダイオードＤ６とが接続されている。

同様に、スイッチング部６は、他方の電機子巻線３とバッテリ１１との間に介在し、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームと複数の下アームとからなるブリッジ回路を形成している。具体的には、電機子巻線３は、Ｙ結線されたＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線を有している。Ｘ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ７およびダイオードＤ７と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ８およびダイオードＤ８とが接続されている。Ｙ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ９およびダイオードＤ９と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ１０およびダイオードＤ１０とが接続されている。Ｚ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ１１およびダイオードＤ１１、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ１２およびダイオードＤ１２とが接続されている。

上述したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２は、例えば、一般的な整流回路に用いられているダイオードよりも低損失のＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。また、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ１２として寄生ダイオードを利用することができる。

制御部７は、スイッチング部５、６に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のそれぞれのオンオフタイミングを決定する。駆動部８は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２を駆動するドライバ回路であり、制御部７によって決定されたオンオフタイミングでスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２を駆動する。この制御部７は、ＣＰＵで所定の制御プログラムを実行することにより実現可能であるが、回路素子からなるハードウエアロジックによって構成するようにしてもよい。

ゼロクロス検出部９は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のそれぞれがオンされているときに、このスイッチング素子やこれに並列接続されたダイオードを通して流れる相電流の向きが反転する時点をゼロクロス点として検出する。このゼロクロス検出部９の動作は、各相巻線の上アームおよび下アームのそれぞれについて別々に行われる。

電圧制御装置１０は、スイッチング素子（図示せず）を断続制御することにより、界磁巻線４に流れる界磁電流を制御する。例えば、車両用発電機１の出力電圧（あるいはバッテリ電圧）が所定の調整電圧となるように界磁電流が制御される。

本実施形態の車両用発電機１はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。スイッチング部５、６に含まれる各スイッチング素子にはダイオード（寄生ダイオード）が並列接続されているため、スイッチング素子をオンしなくてもダイオードを介して電流が流れて整流動作が行われる。このダイオードの通電期間にあわせてスイッチング素子をオンオフ制御する制御モードを「同期制御モード」と称するものとする。一方、ダイオードの通電期間より遅くまでスイッチング素子をオンすると、バッテリ１１の端子電圧よりも相巻線の電圧が低くなったときにこのスイッチング素子を介してバッテリ電流が引き込まれる現象が生じる。このように引き込み電流が発生するようにスイッチング素子をオンオフ制御する制御モードを「位相制御モード」と称するものとする。

同期制御モードと位相制御モードを比較すると、同期制御モードの方が発電効率がよく、移動制御モードの方が多くの出力電流を得ることができる。したがって、発電要求量が少ない場合（出力電流が所定値以下の場合）や回転数が高い場合（所定回転数以上の場合）には同期制御モードを実施し、比較的低回転で発電要求量が多い場合には位相制御モードを実施することが望ましい。

図２は、同期制御モードと位相制御モードの境界を示す説明図である。図２において、縦軸は車両用発電機１の出力電流を、横軸は車両用発電機１の回転数をそれぞれ示している。また、特性ａは位相制御を行った場合の車両用発電機１の出力特性を、特性ｂは同期制御を行った場合の車両用発電機１の出力特性をそれぞれ示している。

本実施形態では、回転数がＮ₁のときに、出力電流が同期制御時に得られる値Ｉ₁以下であれば同期制御を行う。あるいは、回転数が、同期制御で十分な出力電流が得られる回転数（同期制御でも位相制御でもそれほど差が生じない回転数）であるＮ₂以上の場合に同期制御を行う。

以下、同期制御モードと位相制御モードのそれぞれについて、スイッチング素子のオンオフタイミングを設定する方法について説明する。

（同期制御モード）
図３は、同期制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図であり、例えばＵ相巻線に対応する波形が示されている。Ｕ相電流は、上アームのスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を通して流れる成分と下アームのスイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２を通して流れる成分とに分けることができ、図３（後述する図４についても同様）ではそれぞれの成分が「上アーム電流」、「下アーム電流」として示されている。また、図３（後述する図４についても同様）において、Ｖ_DはダイオードＤ１等の順方向電圧を、Ｖ_SDはスイッチング素子Ｑ１等のオン時のソース・ドレイン間電圧をそれぞれ示している。

（オフタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオフタイミング（Ａ）は、この上アームの前回のゼロクロス点の位置（Ｂ）あるいは同じＵ相巻線に対応する下アームの直前のゼロクロス点（Ｃ）を基準として、所定時間（Ｔ１あるいはＴ２）経過した時点に設定される。また、この所定時間Ｔ１、Ｔ２は、所定の電気角で表すことができるが、所定の電気角に相当する時間を算出するためには、その時点での回転数を知る必要がある。本実施形態では、制御部７は、上アーム電流のゼロクロス点の間隔、あるいは、上アーム電流と下アーム電流のそれぞれのゼロクロス点の間隔に基いて回転数を検出して、所定時間Ｔ１、Ｔ２を設定している。なお、３以上のゼロクロス点の間隔の変化を観察することにより回転数の変化（回転変動）がわかるため、この回転変動の程度を考慮して所定時間Ｔ１、Ｔ２を設定することにより、オフタイミングの設定精度を上げることができる。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオフタイミングの設定についても同様であり、この下アームの前回のゼロクロス点の位置あるいは同じＵ相巻線に対応する上アームの直前のゼロクロス点を基準として、所定時間経過した時点がオフタイミングとして設定される。

（オンタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオンタイミング（Ｄ）は、同じＵ相巻線に対応する下アームの直前のゼロクロス点（Ｃ）を基準として、所定時間（Ｔ３）経過した時点に設定される。この所定時間Ｔ３は所定の電気角で表すことができ、所定の電気角に相当する時間を算出するためにはその時点での回転数を知る必要がある点や、回転数検出あるいは回転変動を考慮して設定精度向上が可能な点については、上述したオフタイミング設定と同様である。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオンタイミングの設定についても同様であり、同じＵ相巻線に対応する上アームの直前のゼロクロス点を基準として、所定時間経過した時点がオンタイミングとして設定される。

なお、上述したように他アームの直前のゼロクロス点を基準にスイッチングＱ１、Ｑ２のオンタイミングが設定されるが、自アームのゼロクロス点を基準にして所定時間Ｔ３’経過後をオンタイミングとして設定するようにしてもよい。

また、上述した説明では、Ｕ相巻線に対応するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフタイミングの設定方法について説明したが、他の相巻線のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ１２についても基本的に同じであり、詳細な説明は省略する。

（位相制御モード）
図４は、位相制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図であり、例えばＵ相巻線に対応する波形が示されている。

（オフタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオフタイミング（Ｆ）は、この上アームの直前のゼロクロス点の位置（Ｇ）を基準として、所定時間（Ｔ４）経過した時点に設定される。この所定時間Ｔ４は、バッテリ電圧や電気負荷量（要求出力）に合わせて設定される。また、この所定時間Ｔ４は所定の電気角で表すことができ、所定の電気角に相当する時間を算出するためにはその時点での回転数を知る必要がある点や、回転数検出あるいは回転変動を考慮して設定精度向上が可能な点については、上述した同期制御モードにおけるオン／オフタイミング設定と同様である。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオフタイミングの設定についても同様であり、この下アームの直前のゼロクロス点の位置を基準として、所定時間経過した時点がオフタイミングとして設定される。

（オンタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオンタイミング（Ｈ）は、同じＵ相巻線に対応する下アームのスイッチング素子Ｑ２をオフした時点（Ｊ）から所定時間（Ｔ５）経過した時点に設定される。この所定時間Ｔ５は、反対アームのスイッチング素子Ｑ２が確実にオフするまでのマージンであって、上下アームの短絡を避けるためのものであり、損失低減のためには短い方が望ましい。また、この所定時間Ｔ５は所定の電気角で表すことができ、所定の電気角に相当する時間を算出するためにはその時点での回転数を知る必要がある点や、回転数検出あるいは回転変動を考慮して設定精度向上が可能な点については、上述したオフタイミング設定と同様である。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオフタイミングは、下タームの直前のゼロクロス点の位置を基準にして所定時間Ｔ４経過した時点であるため、上アームのスイッチング素子Ｑ１のオンタイミングは、下アームの直前のゼロクロス点（Ｋ）から所定時間Ｔ４＋Ｔ５が経過した時点に設定されるということもできる。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオンタイミングの設定についても同様であり、同じＵ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１をオフした時点から所定時間経過した時点がオンタイミングとして設定される。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、ゼロクロス検出部９によってゼロクロス点を検出して相電流の位相（向き）を直接検出することにより、相電圧の周期や位相を推測し、相電流の位相を正確に制御することができる。

また、位相制御モードにおいて、スイッチング素子がオンしているときにこのスイッチング素子に流れる電流が減少していって極性が反転するゼロクロス点を基準にして、このスイッチング素子のオフタイミングを設定することにより、スイッチング素子を通して流れる電流の向きが反転した後（バッテリ１１から相巻線への電流の引き込みが開始された後）にスイッチング素子を正確にオフすることができ、出力電流を増加させる制御が可能となる。

また、出力電流が少ない、あるいは、回転数が高い場合に、過去のゼロクロス点（図３に示すＢやＣ）を基準にスイッチング素子のオフタイミングを設定することにより、ダイオードを用いた整流動作と同様の同期制御による整流をゼロクロス点を基準に行うことが可能となる。

また、位相制御モードにおいて、複数の相巻線のそれぞれ毎に、上アームおよび下アームのいずれか一方に対応するスイッチング素子をオフした時点から所定時間後に、上アームおよび下アームのいずれか他方に対応するスイッチング素子をオンしている。あるいは、出力電流が少ない、あるいは、回転数が高い場合に実施される同期制御モードにおいて、上アームおよび下アームのいずれか一方に対応するスイッチング素子に流れる電流のゼロクロス点（図３に示すＣ）を基準にして、上アームおよび下アームのいずれか他方に対応するスイッチング素子をオンしている。これにより、各相巻線に対応する上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とが同時にオンすることを確実に防止し、サージ電圧の発生やバッテリ１１の端子間を短絡することによる大きな損失の発生を防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、図１では、２つのスイッチング部５、６の全体に１組の制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９が対応するように図示したが、２つのスイッチング部５、６のそれぞれに対して別々に制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９を対応させて設けたり、各相巻線に対応させて別々に制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９を設けるようにしてもよい。

図５は、各相巻線に対応させて別々に制御部７等を設ける場合の部分的な構成を示す図である。図５に示す構成では、Ｕ相巻線に対応する上アームおよび下アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびダイオードＤ１、Ｄ２に対応するように、制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９からなる制御回路２０が設けられている。また、同じ構成の制御回路２０が他の相巻線のそれぞれに対応させて設けられている。このように、各相巻線毎に制御回路２０を設ける場合には、この制御回路２０と上アームおよび下アームのスイッチング素子およびダイオードの全体をモジュール化して１つの半導体パッケージで実現することができ、スイッチング部５、６およびその制御機構の製造や組み付けが容易となる利点がある。特に、上述した実施形態では、各相巻線に対応する上下アームの２つのスイッチング素子のオン／オフタイミングの設定をこの相巻線に対応するゼロクロス点を基準に設定しているため、上述したモジュール化を行った場合であっても、他相の相電圧等を情報を用いることなく自相の各スイッチング素子のオン／オフタイミングの設定を行うことができ、配線の簡略化が可能となる。

また、上述した実施形態では、２つの電機子巻線２、３と２つのスイッチング部５、６とを備える車両用発電機１について本発明を適用したが、電機子巻線とスイッチング部を一つずつ備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、Ｕ相巻線に対応する２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフタイミングを設定する際に、このＵ相巻線に対応するゼロクロス点を基準として用いるとともに、回転数検出や回転変動の程度判定にもこのゼロクロス点を用いたが、回転数検出や回転変動の程度判定については、他の相（同じ電機子巻線２に含まれるＶ、Ｗ相巻線、あるいは、他の電機子巻線３に含まれるＸ、Ｙ、Ｚ相巻線）に対応するゼロクロス点を用いたり、自相と他相両方のゼロクロス点を用いるようにしてもよい。特に、基準位置から所定時間経過した時点をオン／オフタイミングとする場合には、上述したようにこの所定時間を回転数や回転変動を考慮した値に設定する必要があるが、他相のゼロクロス点の情報を含めることにより、回転数を検出したり回転変動の程度を判定する精度を上げることができ、結果的に、オン／オフタイミングの設定精度を上げることができる。

また、上述した実施形態では、車両用発電機１の出力電圧（相巻線の起電圧）が所定値未満の場合には各スイッチング素子や各ダイオードを通して電流が流れないため、各相巻線に対応するゼロクロス点を検出することができない。このような場合であっても位相制御を開始することができれば出力電流を増加させて出力電流を取り出すことが可能になる場合がある。

このような場合に対処するために、制御部７は、出力電圧がバッテリ電圧未満のときには、下アームに対応するスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８、Ｑ１０、Ｑ１２のみを全てオンする。これにより、例えば、電機子巻線２のＵ相巻線とＶ相巻線に着目すると、これらの相巻線に発生した相電流が２つのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４を介して流れるようになるため、これらの相巻線に発生する起電圧が低い場合であってもゼロクロス検出部９によってゼロクロス点を検出することができる。他の相巻線とスイッチング素子についても同様である。制御部７は、このようにして検出されたゼロクロス点を用いて位相制御を開始することにより、従来では出力が全く得られなかった低回転においても出力が得られるようになる。なお、下アームの全てのスイッチング素子をオンする代わりに、電機子巻線２内の下アームの２つのスイッチング素子をオンしたり、電機子巻線３内の下アームの２つのスイッチング素子をオンするようにしてもよい。あるいは、同様にして上アームのスイッチング素子のみをオンするようにしてもよい。

図６は、位相制御を開始する条件を説明する図である。図６において、縦軸は車両用発電機１の出力電流を、横軸は車両用発電機１の回転数をそれぞれ示している。また、特性ａは位相制御を行った場合の車両用発電機１の出力特性を、特性ｂは同期制御を行った場合の車両用発電機１の出力特性を、特性ｃはダイオードのみを用いて整流（ダイオード整流）を行った場合の車両用発電機１の出力特性をそれぞれ示している。また、Ｎ₀はダイオード整流を行った場合の出力の立ち上がり回転数であり、Ｎ₀’はダイオード整流において低い出力電流（例えば１０Ａ）が得られる回転数である。

図７は、回転数Ｎ₀およびＮ₀’に対応する相電圧波形を示す図である。回転数Ｎ₀に対応する相電圧がＥ０で、回転数Ｎ₀’に対応する相電圧がＥ０’で示されている。図７に示すように、立ち上がり回転数Ｎ₀に対応する相電圧Ｅ０は、ピーク値がバッテリ電圧ＶＢとダイオードの順方向電圧Ｖ_Dを加算した電圧（ＶＢ＋Ｖ_D）となる。相電圧がＶＢ＋Ｖ_D以下の場合には出力電流が観察できず、ゼロクロス点の検出ができないことになる。したがって、相電圧がＶＢ＋Ｖ_D以下の場合には下アーム（あるいは上アーム）の複数のスイッチング素子を同時にオンしてゼロクロス点の検出を行う。

一方、回転数がＮ₀以上であってＮ₀’未満の場合には出力電流が少ないため（１０Ａ未満）、相電流に基づくゼロクロス点の検出が容易ではない。図８は、回転数がＮ₀以上であってＮ₀’未満の場合の相電流を示す図である。図７にＥ０’で示すように、回転数がＮ₀’未満のときの相電圧は、そのピーク値がバッテリ電圧ＶＢとダイオードの順方向電圧Ｖ_Dを加算した電圧（ＶＢ＋Ｖ_D）を一時的に超える程度であり、この超えた期間に対応して少ない相電流が流れる。したがって、上述したように、ダイオード整流の立ち上がり回転数Ｎ₀に対応する相電圧ＶＢ＋Ｖ_Dを基準にして、それ以下のときに下アーム（あるいは上アーム）の複数のスイッチング素子を同時にオンしてゼロクロス点の検出を行うのではなく、回転数Ｎ₀’に対応する相電圧（図７では、点線で示された相電圧Ｅ０’のピーク値）を基準にして、それ以下のときに下アーム（あるいは上アーム）の複数のスイッチング素子を同時にオンしてゼロクロス点の検出を行うようにしてもよい。

但し、実際には、相電圧Ｅ０’がＶＢ＋Ｖ_Dを超えるとダイオードを通して電流が流れ、相電圧Ｅ０’がＶＢ＋Ｖ_Dに固定されるため、点線で示された相電圧Ｅ０’のピーク値を検出できるわけではない。したがって、実際の発電制御では、低回転時に下アーム（あるいは上アーム）の複数のスイッチング素子を同時にオンしてゼロクロス点の検出を行って位相制御を開始し、回転数が上述したＮ₀’（あるいはＮ₀）に達するまで位相制御を維持することになる。

また、上述した実施形態では、電機子巻線とスイッチング部の組を２組備えたが３組以上を備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、相電流の位相（向き）を直接検出することにより、相電流の位相を正確に制御することができる。特に、相電流を電機子巻線２、３全体として合計したものが出力電流であるため、相電流を制御することにより出力電流を精度よく制御することが可能となる。

１車両用発電機
２、３電機子巻線
４界磁巻線
５、６スイッチング部
７制御部
８駆動部
９ゼロクロス検出部
１０電圧制御装置
１１バッテリ
２０制御回路
Ｑ１〜Ｑ１２スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ１２ダイオード

Claims

２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、
ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、前記電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部と、
前記スイッチング素子のオンオフタイミングを制御する制御部と、
前記相巻線の相電流の極性が反転した時点を電流のゼロクロス点として検出するゼロクロス検出部と、
を備え、前記制御部は、複数の相巻線のそれぞれ毎に、前記上アームおよび前記下アームに対応する前記スイッチング素子のオフタイミングおよびオンタイミングを、これらのスイッチング素子に流れる電流の前記ゼロクロス点を基準にして設定するとともに、他相の相巻線に対応する前記スイッチング素子に流れるゼロクロス点を用いて値が設定された所定時間がこの基準位置から経過した時点を自相の相巻線に対応する前記スイッチング素子のオフタイミングあるいはオンタイミングとすることを特徴とする車両用発電機。
請求項１において、
前記制御部は、前記スイッチング部から外部に出力される電流が所定値以下のとき、および、回転数が所定回転数以上のときの少なくとも一方が成立する場合に、過去の前記ゼロクロス点を基準に前記スイッチング素子のオフタイミングを設定することを特徴とする車両用発電機。
請求項１または２において、
前記制御部は、複数の前記相巻線のそれぞれ毎に、前記上アームおよび前記下アームのいずれか一方に対応する前記スイッチング素子をオフした時点から所定時間後に、前記上アームおよび前記下アームのいずれか他方に対応する前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする車両用発電機。
請求項１または２において、
前記制御部は、前記スイッチング部から外部に出力される電流が所定値以下のとき、および、回転数が所定回転数以上のときの少なくとも一方が成立する場合に、前記上アームおよび前記下アームのいずれか一方に対応する前記スイッチング素子に流れる電流のゼロクロス点を基準にして、前記上アームおよび前記下アームのいずれか他方に対応する前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする車両用発電機。
請求項１〜４のいずれか一項において、
前記制御部は、前記相巻線の起電圧が所定値以下のときに、複数の前記相巻線に対応する複数の前記上アームのスイッチング素子あるいは複数の前記下アームのスイッチング素子を同時にオンすることを特徴とする車両用発電機。