JP6167989B2 - 車両用発電機 - Google Patents

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、出力電圧の過電圧時に整流装置に含まれる下アームのＭＯＳトランジスタをオンし、低い電圧まで低下した後に、電流遮断に伴うサージ電圧の発生を抑制するタイミングでこのＭＯＳトランジスタをオフするロードダンプ保護動作を行うようにした車両用発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２−１９６５５号公報

ところで、ＭＯＳトランジスタによって構成された整流装置を有する車両用発電機が発電状態にあるときに、出力端子に接続されている電気負荷が急減少し、しかも、バッテリの接続も切断される場合には、固定子巻線に界磁を与える励磁電流が減少するまで固定子巻線に過大な誘起電圧（ロードダンプ）が発生する。このため、出力端子に接続されている電気負荷や整流装置に過電圧が印加されてこれらが損傷するおそれがある。

このようにして発生するロードダンプに対して、上述した特許文献１に開示された車両用発電機では、整流装置の下アームのＭＯＳトランジスタをオンすることにより過大な出力電圧を低下させている。しかし、出力端子に接続された電気負荷が大きい（電流値が多い）場合や、出力端子と並列に接続されているコンデンサの容量が小さい場合には、下アームのＭＯＳトランジスタをオンした直後に出力端子の電圧が急速に低下し、電源電圧低下のためにサージ電圧の抑制を行うタイミングまでＭＯＳトランジスタが安定したオン状態を維持することができず、ＭＯＳトランジスタが発振動作または非飽和動作などの不安定な動作になることがあった。

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、ロードダンプ時の過電圧によって整流器を構成するＭＯＳトランジスタが不安定な動作をすることを防止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、固定子巻線、励磁巻線、整流器、ロードダンプ保護回路、電源回路を備える。固定子巻線は、固定子鉄心に巻装された２相以上の相巻線を有する。励磁巻線は、固定子巻線に回転磁界を与える。整流器は、上アームおよび下アームの少なくとも一方がスイッチング素子で構成され、固定子巻線の出力を整流する。ロードダンプ保護回路は、固定子巻線あるいは整流器の出力電圧が第１のしきい値電圧より高くなったときに、上アームあるいは下アームのいずれか一方を構成するスイッチング素子をオンする。また、ロードダンプ保護回路は、第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧より出力電圧がさらに低くなったとき、あるいは、所定時間経過後に、サージ電圧抑制タイミングの到来を待ってスイッチング素子をオフする。電源回路は、ロードダンプ保護回路に動作電圧を供給するとともに、出力電圧の低下時に少なくともサージ電圧抑制タイミングが到来するまでこの動作電圧の供給動作を継続する。

ロードダンプ発生時に出力端子に接続された電気負荷が大きい場合や出力端子に接続されたコンデンサの容量が小さい場合などに出力電圧が急激に低下した場合であっても、ロードダンプ保護動作によってオンされたスイッチング素子がサージ電圧抑制タイミングを待たずにオフされることがない。このため、スイッチング素子をオフする際に発生するサージ電圧を抑えることができ、ロードダンプ時の過電圧を速やかに終わらせることが可能となる。

第１の実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 第１の実施形態の整流器モジュールの構成を示す図である。 励磁制御回路の構成を示す図である。 第１の実施形態のロードダンプ保護動作の動作手順を示す流れ図である。 第１の実施形態のロードダンプ発生時の電圧波形を示す図である。 第２の実施形態の整流器モジュールの構成を示す図である。 第２の実施形態の整流器モジュール内のＬＤ保護回路の詳細構成を示す図である。 第２の実施形態のロードダンプ保護動作の動作手順を示す流れ図である。 第３の実施形態のロードダンプ発生時の電圧波形を示す図である。 第３の実施形態の整流器モジュールの構成を示す図である。 第４の実施形態のロードダンプ発生時の電圧波形を示す図である。

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。

（第１の実施形態）
図１に示すように、第１の実施形態の車両用発電機１は、励磁巻線２、固定子巻線３、整流器４、励磁制御回路５、ツェナーダイオード６、コンデンサ７を含んで構成されている。

励磁巻線２は、固定子鉄心の内周側に対向配置された界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。励磁巻線２に電流（励磁電流）を流すことにより、界磁極が磁化される。界磁極が磁化されたときに発生する回転磁界によって固定子巻線３が交流電圧を発生する。固定子巻線３は、多相巻線（例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる三相巻線）であって、固定子鉄心（図示せず）にＹ結線にて巻装されている。

整流器４は、固定子巻線３に接続されており、全体で三相全波整流回路（ブリッジ回路）が構成され、固定子巻線３に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器４は、固定子巻線３の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール４１、４２、４３を備えている。整流器モジュール４１は、固定子巻線３に含まれるＵ相巻線の一方端（出力端）に接続されている。整流器モジュール４２は、固定子巻線３に含まれるＶ相巻線の一方端（出力端）に接続されている。整流器モジュール４３は、固定子巻線３に含まれるＷ相巻線の一方端（出力端）に接続されている。これら３個の整流器モジュール４１、４２、４３と励磁制御回路５は、相互にＣ端子を介して通信線を介して接続されている。

励磁制御回路５は、Ｆ端子を介して接続された励磁巻線２に流す励磁電流を整流出力電圧（整流器４の出力電圧）に応じて制御しており、励磁電流を調整することにより出力電圧（各整流器モジュール４１、４２、４３の出力電圧）Ｖｂが調整電圧Ｖreg になるように制御する。例えば、励磁制御回路５は、出力電圧Ｖｂ が調整電圧Ｖreg よりも高くなったときに励磁巻線２への励磁電流の供給を停止（あるいは低減）し、出力電圧Ｖｂが調整電圧Ｖreg よりも低くなったときに励磁巻線２に励磁電流の供給を再開（あるいは増加）することにより、出力電圧Ｖｂが調整電圧Ｖreg になるように制御する。また、励磁制御回路５は、ＬＩＮ端子および通信線を介してＥＣＵ８と接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向のデジタル通信（例えば、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルを用いたＬＩＮ通信）を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。なお、この例では、ＬＩＮ通信によって通信メッセージの送受信を行ったが、ＣＡＮ（Controller Area Network）プロトコルを用いたＣＡＮ通信や、その他の通信プロトコルを用いた通信によって通信メッセージをＥＣＵ８との間で送受信するようにしてもよい。

ツェナーダイオード６は、整流器４の出力に並列接続されている。具体的には、車両用発電機１の出力端子（Ｂ端子）側がカソード、アース（ＧＮＤ）側がアノードとなるようにツェナーダイオード６が接続されている。また、このツェナーダイオード６のブレークダウン電圧は、後述する第１のしきい値電圧Ｖ_LDH 以上でＭＯＳトランジスタ６０、６１（図２）のそれぞれのブレークダウン電圧以下となるように設定されている。したがって、ロードダンプ時に、第１のしきい値電圧Ｖ_LDH 以上の過電圧が発生すると、ＭＯＳトランジスタ６０、６１がブレークダウンする前にツェナーダイオード６がブレークダウンするように、ツェナーダイオード６の特定や個数が設定される。コンデンサ７は、整流器４の出力に並列接続されており、車両用発電機１の出力端子に現れるノイズを吸収する。

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、整流器モジュール４１、４２、４３の詳細について説明する。本実施形態では、３つの整流器モジュール４１、４２、４３は同じ構成を有しており、以下では整流器モジュール４１について説明し、他の整流器モジュール４２、４３については説明を省略する。

図２に示すように、Ｕ相巻線に対応する整流器モジュール４１は、２つのＭＯＳトランジスタ６０、６１、昇圧回路６２、ＭＯＳ制御回路６３、ＬＤ（ロードダンプ）保護回路６４Ａ、６４Ｂ、ダイオード７０、コンデンサ７１を備えている。

一方のＭＯＳトランジスタ６０は、ソースがＰ端子を介して固定子巻線３のＵ相巻線に接続され、ドレインが充電線１２（図１）を介してバッテリ９の正極端子や電気負荷１０、１１に接続された上アーム（ハイサイド側）のスイッチング素子である。他方のＭＯＳトランジスタ６１は、ドレインがＰ端子を介してＵ相巻線に接続され、ソースがバッテリ９の負極端子（アース）に接続された下アーム（ローサイド側）のスイッチング素子である。また、ＭＯＳトランジスタ６０、６１のそれぞれのソース・ドレイン間にはダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタ６０、６１の寄生ダイオード（ボディダイオード）によって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。なお、上アームおよび下アームの少なくとも一方を、ＭＯＳトランジスタ以外のスイッチング素子を用いて構成するようにしてもよい。

昇圧回路６２は、出力電圧Ｖｂを昇圧することにより、上アームのＭＯＳトランジスタ６０を駆動するための高電圧を生成する。ＭＯＳ制御回路６３は、回転数に応じた所定のタイミングでＭＯＳトランジスタ６０、６１をオンオフする同期制御を行う。ＬＤ保護回路６４Ａ、６４Ｂは、ロードダンプ保護動作を行う。具体的には、ロードダンプ保護回路６４Ａは、車両用発電機１（整流器４）の出力電圧Ｖｂ（あるいは固定子巻線３の出力電圧）が第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高くなったか否かを判定する。また、ＬＤ保護回路６４Ｂは、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高くなったときに下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオンするとともに、出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL（＜Ｖ_LDH）以下になったとき、あるいは、所定時間経過後に、サージ電圧抑制タイミングの到来を待ってＭＯＳトランジスタ６１をオフする。

ダイオード７０とコンデンサ７１によって電源回路が構成されている。具体的には、ダイオード７０のアノード側の配線によって、動作電圧Ｖddを生成する第１の電源が構成されている。また、ダイオード７０およびそのカソード側に配置されたコンデンサ７１によって、動作電圧Ｖccを生成する第２の電源が構成されている。ＬＤ保護回路６４Ａに動作電圧Ｖddが供給される。ＭＯＳ制御回路６３およびＬＤ保護回路６４Ｂに動作電圧Ｖccが供給される。この動作電圧Ｖccの供給は、出力電圧Ｖｂの低下時に、下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオフする際に発生するサージ電圧を抑制することが可能なタイミングが到来するまで継続される。具体的には、出力電圧ＶｂがＭＯＳ制御回路６３やＬＤ保護回路６４Ａ、６４Ｂが動作可能な電圧レベルを維持している間は、動作電圧ＶddによってＭＯＳ制御回路６３やＬＤ保護回路６４Ａ、６４Ｂが動作する。このとき、この動作電圧Ｖddによってコンデンサ７１が充電される。また、出力電圧ＶｂがＭＯＳ制御回路６３やＬＤ保護回路６４Ｂが動作不能となる電圧レベルまで低下した後は、コンデンサ７１によって生成される動作電圧ＶccによってＭＯＳ制御回路６３やＬＤ保護回路６４Ａが動作する。コンデンサ７１によって生成される動作電圧Ｖccによって動作可能な時間は、コンデンサ７１の容量を調整することにより、任意に設定可能である。少なくともサージ電圧抑制タイミングが到来するまで、ＭＯＳ制御回路６３やＬＤ保護回路６４Ｂが動作可能な電圧レベルを維持できるようにコンデンサ７１の容量が設定されている。例えば、この動作可能な時間（サージ電圧抑制タイミングの到来を待つ時間）として、車両のアイドル回転数における相電圧の半周期から５００ｍｓまでの間の時間が設定される。

上述したＬＤ保護回路６４Ａは、Ｂ電圧検出部６５、過電圧判定部６６を備えている。また、ＬＤ保護回路６４Ｂは、経過時間計測部６７、ＬＤ（ロードダンプ）保護判定部６８、サージ抑制判定部６９、通信部７２を備えている。

Ｂ電圧検出部６５は、出力電圧Ｖｂを検出する。過電圧判定部６６は、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高いか否かを判定する。なお、出力電圧Ｖｂにノイズが重畳して一時的に第１のしきい値電圧Ｖ_LDH 以上になる場合があるため、この一時的なノイズによる影響を排除するために、第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高い状態が一定時間以上継続したときに、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高くなった旨の判定が行われる。

経過時間計測部６７は、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高くなった時点から経過時間を計測し、所定時間経過時にその旨を知らせるタイムアップ信号を出力する。ＬＤ保護判定部６８は、ロードダンプ保護動作の実施の有無を判定し、実施する旨の判定を行った場合には下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオンする指示をＭＯＳ制御回路６３に対して行う。具体的には、ＬＤ保護判定部６８は、過電圧判定部６６によって出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高い旨の判定が行われたときに、下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオンする指示を行う。また、ＬＤ保護判定部６８は、経過時間計測部６７からタイムアップ信号が出力されたときに、サージ電圧抑制タイミングの到来を待ってＭＯＳトランジスタ６１をオフする指示を行う。このようにして、ロードダンプ保護動作の実施と解除が行われる。

サージ抑制判定部６９は、ロードダンプ保護動作を解除してＭＯＳトランジスタ６１をオンからオフに切り替える際に過大なサージ電圧が発生しないタイミング（サージ電圧抑制タイミング）を判定する。例えば、ＭＯＳトランジスタ６１の両端電圧（ソース・ドレイン間電圧）が寄生ダイオードの逆方向電圧であってオフ動作時に遮断される電流が所定値以下となるタイミング（ＭＯＳトランジスタ６１のドレインからソースに向かって電流が流れており、その電流値が小さいタイミング）がサージ電圧抑制タイミングとして判定される。あるいは、ＭＯＳトランジスタ６１の両端電圧が寄生ダイオードの順方向電圧となるタイミング（ＭＯＳトランジスタ６１のソースからドレインに向かって電流が流れるタイミング）が、サージ電圧抑制タイミングとして判定される。これらのタイミングにおいてＭＯＳトランジスタ６１をオフしても大きなサージ電圧は発生しない。通信部７２は、ロードダンプ時の過電圧発生やロードダンプ保護動作の解除を励磁制御回路５に通知する。

次に、励磁制御回路５の詳細について説明する。図３に示すように、励磁制御回路５は、ＭＯＳトランジスタ５０、還流ダイオード５１、電圧制御回路５２、ゲート駆動回路５３、通信部５４、ＬＩＮ通信回路５５を備えている。

ＭＯＳトランジスタ５０は、励磁巻線２に直列に接続されており、オンすることにより励磁巻線２に励磁電流を供給する。還流ダイオード５１は、励磁巻線２に並列に接続されており、ＭＯＳトランジスタ５０がオフされたときに励磁巻線２に流れる励磁電流を還流させる。

電圧制御回路５２は、初期励磁制御、通常発電制御、発電抑制制御などを行う。例えば、ＥＣＵ８から送信された発電開始指示をＬＩＮ通信回路５５が受信したときに、初期励磁制御が行われる。この初期励磁制御では、電圧制御回路５２は、通常発電制御時に比べて少ない励磁電流（例えば、０．５Ａ）になるように、ＭＯＳトランジスタ５０の駆動デューティを設定する。また、通常発電制御時には、電圧制御回路５２は、出力電圧Ｖｂが調整電圧Ｖreg となるように、ＭＯＳトランジスタ５０の駆動デューティを設定する。また、電圧制御回路５２は、整流器モジュール４１、４２、４３内の通信部７２から通信部５４にロードダンプ時の過電圧発生が通知されると、その後にロードダンプ保護動作の解除が通知されるまで、励磁電流の供給を停止（あるいは、供給停止に代えて通常発電制御に比べて励磁電流を低減）する発電抑制制御を行う。ゲート駆動回路５３は、電圧制御回路５２によって設定された駆動デューティを有する駆動信号でＭＯＳトランジスタ５０をオンオフ制御する。

ＬＩＮ通信回路５５は、ＥＣＵ８との間でＬＩＮ通信を行う。これにより、ＥＣＵ８から送られてくる調整電圧Ｖreg 等のデータや各種指令信号などを受信するとともに、ロードダンプが発生したことやロードダンプ保護動作中であることなど示すデータをＥＣＵ８に向けて送信することができる。ＥＣＵ８から送られてくる調整電圧Ｖreg のデータを受信すると、このデータが電圧制御回路５２に入力され、ＥＣＵ８によって指定された調整電圧Ｖreg が電圧制御回路５２による制御に用いられる。

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、ロードダンプ発生時の動作を図４に示す流れ図に沿って説明する。例えば、図１に示す切断点Ｋにて充電線１２が外れ、車両用発電機１側に残った充電線１２に電気負荷１１が接続された状態でロードダンプが発生するものとする。

ＭＯＳトランジスタ６０、６１を交互にオンオフして固定子巻線３の各相電圧を整流する同期整流動作（ステップ１００）と並行して、Ｂ電圧検出部６５は出力電圧Ｖｂを検出し、過電圧判定部６６はこの出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高いか否かを判定する（ステップ１０２）。出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH に達しない場合（ロードダンプ非発生時）には否定判断が行われ、ステップ１００に戻って同期整流動作が継続される。

また、発電動作時に切断点Ｋで充電線１２が外れてロードダンプが発生すると、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH よりも高くなる。この場合には、ステップ１０２の判定において肯定判断が行われる。図５に示す動作タイミング図では、過電圧判定部６６の出力が「Ｓ１」で示されており、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH よりも高くなるとＳ１がＨ（ハイレベル）になる。

次に、ＬＤ保護判定部６８は、ロードダンプ保護を実施するために下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオンし、上アームのＭＯＳトランジスタ６０をオフする指示をＭＯＳ制御回路６３に送る。ＭＯＳ制御回路６３は、この指示に応じて、下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオンし、上アームのＭＯＳトランジスタ６０をオフする（ステップ１０４）。

次に、経過時間計測部６７は、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高くなった時点から経過時間ｔを計測し、この経過時間ｔが所定時間Ｔ_ONを超えたか否かを判定する（ステップ１０６）。所定時間Ｔ_ONに達していない場合には否定判断が行われ、経過時間の計測動作が維持されてこの判定が繰り返される。また、経過時間が所定時間Ｔ_ONに達するとステップ１０６の判定において肯定判断が行われる。この場合には、経過時間計測部６７からタイムアップ信号が出力される。図５に示す動作タイミング図では、経過時間計測部６７の出力が「Ｓ２」で示されており、計測を開始してからタイムアップ信号が出力されるまでの間は出力がＨ（ハイレベル）になっている。

次に、サージ抑制判定部６９は、サージ電圧抑制タイミングとなったか否かを判定する（ステップ１０８）。本実施形態では、サージ電圧抑制タイミングとして、オン状態のＭＯＳトランジスタ６１のドレインからソースに向かって電流が流れており、その電流値が小さい第１のタイミングと、オン状態のＭＯＳトランジスタ６１のソースからドレインに向かって電流が流れる第２のタイミングのいずれかに該当する場合が想定されている。なお、これら第１および第２のタイミングのいずれか一方のみをサージ電圧抑制タイミングとしてもよい。第１および第２のタイミングのいずれにも該当しない場合にはステップ１０８の判定において否定判断が行われ、この判定が繰り返される。

また、第１および第２のタイミングのいずれかに該当する場合にはステップ１０８の判定において肯定判断が行われる。次に、ＬＤ保護判定部６８は、ロードダンプ保護を解除するために下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオフする指示をＭＯＳ制御回路６３に送る。ＭＯＳ制御回路６３は、この指示に応じて、下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオフする（ステップ１１０）。このようにして２つのＭＯＳトランジスタ６０、６１がともにオフされてダイオード整流動作に移行する（ステップ１１２）。

その後、ＭＯＳ制御回路６３は、同期整流に移行する条件（同期整流条件）を満たしたか否かを判定する（ステップ１１４）。同期整流条件を満たしていない場合には否定判断が行われ、この判定が繰り返される。また、同期整流条件を満たすとステップ１１４の判定において肯定判断が行われ、ステップ１００に戻って同期整流動作に移行する。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、ロードダンプ発生時に出力端子に接続された電気負荷１１が大きい場合や出力端子に接続されたコンデンサ７の容量が小さい場合などに出力電圧Ｖｂが急激に低下した場合であっても、ロードダンプ保護動作によってオンされた下アームのＭＯＳトランジスタ６１がサージ電圧抑制タイミングを待たずにオフされることがない。このため、ＭＯＳトランジスタ６１をオフする際に発生するサージ電圧を抑えることができ、ロードダンプ時の過電圧を速やかに終わらせることが可能となる。また、ロードダンプ時の過電圧によって整流器４を構成するＭＯＳトランジスタ６１が不安定な動作をすることがない。

出力電圧Ｖｂが低下した際に電源回路によって動作電圧の供給動作を継続する時間を、相電圧の半周期以上の時間としている。また、サージ電圧抑制タイミングを、ＭＯＳトランジスタ６１の両端電圧がこのＭＯＳトランジスタ６１の寄生ダイオードの逆方向電圧であってオフ動作時に遮断される電流が所定値以下となるタイミング、あるいは、ＭＯＳトランジスタ６１の両端電圧がこのＭＯＳトランジスタ６１の寄生ダイオードの順方向電圧となるタイミングとしている。これにより、確実に過大なサージ電圧の発生を防止することができる。

また、整流器４と並列に接続され、第１のしきい値電圧Ｖ_LDH 以上でＭＯＳトランジスタ６０、６１のブレークダウン電圧以下に、ブレークダウン電圧が設定されたツェナーダイオード６を備えている。これにより、ロードダンプ時に一時的に発生する過大な電圧によってＭＯＳトランジスタ６０、６１が故障することをさらに確実に防止することが可能となる。

また、過電圧状態が一定時間以上継続したときにロードダンプ保護動作を行うことにより、一時的なノイズによる誤動作を防止することができる。また、ロードダンプ保護動作時に励磁電流の供給を停止あるいは抑制することにより、発生した過電圧を速やかに終息させることができる。特に、励磁制御回路５が過電圧を検出できない場合であっても、この過電圧状態をＣ端子および通信線を介して整流器モジュール４１、４２、４３から送られてくる通知で知ることができ、励磁制御回路５によって発電抑制を確実に実施して、ロードダンプ保護動作の効果を高めることができる。

また、電源（第１および第２の電源）を分けることにより、ＭＯＳトランジスタ６１のオン状態維持に必要な電力を小さい第２の電源で確保することが可能になり、例えば、小さい容量のコンデンサ７１を用いて構成される第２の電源によってＭＯＳトランジスタ６１のオン状態維持が可能となる。

また、サージ電圧抑制タイミングの到来を待つ時間は、車両のアイドル回転数における相電圧の半周期から５００ｍｓまでの間の時間が設定されている。このように、接続された電気負荷１１に対する電源供給停止時間を５００ｍｓ以下に設定することにより、電源停止の影響を許容範囲以内とすることが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、図６に示す整流器モジュール４１Ａが用いられる。以下では、整流器モジュール４１Ａについて説明する。なお、他の整流器モジュール４２Ａ、４３Ａも基本的に同じ構成を有しており、詳細な説明は省略する。

図６に示すように、第２の実施形態のＵ相巻線に対応する整流器モジュール４１Ａは、２つのＭＯＳトランジスタ６０、６１、昇圧回路６２Ａ、ＭＯＳ制御回路６３Ａ、ＬＤ保護回路１６４Ａ、１６４Ｂを備えている。図２に示した整流器モジュール４１と同じ構成については同じ符号が用いられている。

昇圧回路６２Ａは、パルス生成部、２個のＦＥＴ、２個のダイオード、２個のコンデンサによって構成されるチャージポンプ回路である。この昇圧回路６２Ａによる昇圧動作によって、出力電圧Ｖｂから直接生成される動作電圧Ｖddよりも高電位の動作電圧Ｖccが生成される。上アームのＭＯＳトランジスタ６０を駆動するＦＥＴをこの動作電圧Ｖccで動作させることにより、ＭＯＳトランジスタ６０のドレイン電位よりも高い電位の駆動信号を生成してゲートに入力することが可能となる。なお、本実施形態では、昇圧回路６２Ａの入力側の配線によって、動作電圧Ｖddを生成する第１の電源が構成されている。昇圧回路６２Ａによって、動作電圧Ｖccを生成する第２の電源が構成されている。ＭＯＳ制御回路６３ＡおよびＬＤ保護回路１６４Ａに動作電圧Ｖddが供給される。ＬＤ保護回路１６４Ｂに動作電圧Ｖccが供給される。

ＭＯＳ制御回路６３Ａは、回転数に応じた所定のタイミングでＭＯＳトランジスタ６０、６１をオンオフする同期制御を行う。このＭＯＳ制御回路６３Ａは、図２に示したＭＯＳ制御回路６３と基本的に同じ動作を行う。但し、上アームのＭＯＳトランジスタ６０を駆動するために２つのＦＥＴが用いられているため、これら２つのＦＥＴを駆動する２つの信号Ｓ１２、Ｓ１３がＭＯＳトランジスタ６０をオンオフする信号として用いられている。一方、下アームのＭＯＳトランジスタ６１を駆動するために単一の信号Ｓ１１が用いられる。但し、この信号Ｓ１１は、ＭＯＳトランジスタ６１のゲートに直接入力されるわけではなく、ＬＤ保護回路１６４Ａ、１６４Ｂを経由してＭＯＳトランジスタ６１に入力される。

ＬＤ保護回路１６４Ａは、車両用発電機１の出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高くなったか否かを判定し、高くなった場合にはロードダンプ保護を行う指示をＭＯＳ制御回路６３Ａに送る。ＭＯＳ制御回路６３Ａは、この指示に応じて、下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオンする信号Ｓ１１を出力する。また、ＬＤ保護回路１６４Ａは、車両用発電機１の出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より低くなったか否かを判定する。本実施形態では、この第２のしきい値電圧Ｖ_LDL は、ＬＤ保護回路１６４Ａが動作可能な最低動作電圧よりも高い値が設定されている。

ＬＤ保護回路１６４Ｂは、出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL よりも低くなったときに、下アームのＭＯＳトランジスタ６１のオン状態を維持するとともに、所定時間経過後に、サージ電圧抑制タイミングの到来を待ってＭＯＳトランジスタ６１をオフする。

本実施形態の整流器モジュール４１Ａはこのような構成を有しており、次に、ロードダンプ発生時の動作を図７に示すＬＤ保護回路１６４Ａ、１６４Ｂの詳細構成を用いながら、図８に示す流れ図に沿って説明する。

ＭＯＳトランジスタ６０、６１を交互にオンオフして固定子巻線３の各相電圧を整流する同期整流動作中は、信号Ｓ１１はＨ（ハイレベル）とＬ（ローレベル）が周期的に切り替えられ、信号Ｓ２１および信号Ｓ２２はともにＬに固定される（ステップ２００）。ここで、信号Ｓ１１は、下アームのＭＯＳトランジスタ６１を駆動するためにＭＯＳ制御回路６３Ａから出力される信号である。また、信号Ｓ２１は、ＬＤ保護回路１６４Ａ内の低電圧判定部６６Ａから出力される信号である。この低電圧判定部６６Ａは、Ｂ電圧検出部６５によって検出された出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より低くなったか否かを判定する。出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より低くない場合には信号Ｓ２１はＬとなる。また、信号Ｓ２２は、ＬＤ保護回路１６４Ｂ内の判定回路７３から出力される信号である。この判定回路７３は、出力電圧Ｖｂが低下して動作電圧Ｖddによる安定した動作が保証できない場合にＬＤ保護回路１６４ＡとＬＤ保護回路１６４Ｂを切り離す。また、判定回路７３は、図２に示した経過時間計測部６７やサージ抑制判定部６９と同じ動作を行っており、サージ電圧抑制タイミングにおいて下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオフしてロードダンプ保護動作を解除する。

上述した同期整流動作中は、信号Ｓ２２（Ｌ）に対応してＬＤ保護回路１６４Ｂ内のＭＯＳトランジスタ７５がオンされた状態で、信号Ｓ１１（Ｈ／Ｌ）によってＬＤ保護回路１６４Ａ内のＭＯＳトランジスタ７４がオンオフ駆動されるため、下アームのトランジスタ６１が周期的にオンオフされる。

このような同期整流動作と並行して、ＬＤ保護回路１６４Ａ内の過電圧判定部６６は、Ｂ電圧検出部６５によって検出された出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高いか否かを判定する（ステップ２０２）。出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH に達しない場合（ロードダンプ非発生時）には否定判断が行われ、ステップ２００に戻って同期整流動作が継続される。

また、発電動作時に切断点Ｋで充電線１２が外れてロードダンプが発生すると、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH よりも高くなる。この場合には、ステップ２０２の判定において肯定判断が行われる。ＭＯＳ制御回路６３Ａによって、下アームのＭＯＳトランジスタ６１がオンされ、上アームのＭＯＳトランジスタ６０がオフされる（ステップ２０４）。

次に、ＬＤ保護回路１６４Ａ内の低電圧判定部６６Ａは、Ｂ電圧検出部６５によって検出された出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より低くなったか否かを判定する（ステップ２０６）。出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より低くない場合には否定判断が行われ、この判定が繰り返される。また、出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より低くなるとステップ２０６の判定において肯定判断が行われる。この場合には、低電圧判定部６６Ａから出力される信号Ｓ２１はＨとなる（ステップ２０８）。

信号Ｓ２１がＨに変化すると、判定回路７３は、出力信号Ｓ２２をＨに変更する。この信号Ｓ２２によってＬＤ保護回路１６４Ｂ内のＭＯＳトランジスタ７６がオンされ、ＭＯＳトランジスタ７５がオフされる。これにより、ＬＤ保護回路１６４ＢがＬＤ保護回路１６４Ａから切り離される。また、ＭＯＳトランジスタ７７がオンされるため、下アームのＭＯＳトランジスタ６１のオン状態は継続される（ステップ２１０）。なお、このとき、ＭＯＳ制御回路６３Ａから出力される信号Ｓ１１はＬに切り替わる。

次に、判定回路７３は、出力電圧Ｖｂが第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より低くなった時点から経過時間ｔを計測し、この経過時間ｔが所定時間Ｔ_ONを超えたか否かを判定する（ステップ２１２）。所定時間Ｔ_ONに達していない場合には否定判断が行われ、経過時間の計測動作が維持されてこの判定が繰り返される。また、経過時間が所定時間Ｔ_ONに達するとステップ２１２の判定において肯定判断が行われる。

次に、判定回路７３は、サージ電圧抑制タイミングとなったか否かを判定する（ステップ２１４）。本実施形態では、サージ電圧抑制タイミングとして、オン状態のＭＯＳトランジスタ６１のドレインからソースに向かって電流が流れており、その電流値が小さい第１のタイミングと、オン状態のＭＯＳトランジスタ６１のソースからドレインに向かって電流が流れる第２のタイミングのいずれかに該当する場合が想定されている。なお、これら第１および第２のタイミングのいずれか一方のみをサージ電圧抑制タイミングとしてもよい。第１および第２のタイミングのいずれにも該当しない場合にはステップ２１４の判定において否定判断が行われ、この判定が繰り返される。

また、第１および第２のタイミングのいずれかに該当する場合にはステップ２１４の判定において肯定判断が行われる。次に、判定回路７３は、出力信号Ｓ２２をＬに変更する。これにより、オア回路７８の出力がＬ、インバータ回路７９の出力がＨになり、ＭＯＳトランジスタ８０がオンされるため、下アームのＭＯＳトランジスタ６１がオフされて、ダイオード整流動作に移行する（ステップ２１６）。

その後、ＭＯＳ制御回路６３Ａは、同期整流に移行する条件（同期整流条件）を満たしたか否かを判定する（ステップ２１８）。同期整流条件を満たしていない場合には否定判断が行われ、この判定が繰り返される。また、同期整流条件を満たすとステップ２１８の判定において肯定判断が行われ、ステップ２００に戻って同期整流動作に移行する。

このように、本実施形態の車両用発電機では、上アームのＭＯＳトランジスタ６０を駆動するための昇圧回路６２Ａを備えており、出力電圧Ｖｂが第１のしきい値電圧Ｖ_LDH より高くなったときに、昇圧回路６２Ａを第２の電源として用いて動作電圧ＶccをＬＤ保護回路１６４Ｂに供給している。上アームのＭＯＳトランジスタ６０駆動用の昇圧回路６２Ａを下アームのＭＯＳトランジスタ６１のオン状態維持用の電源として用いることにより、新たな電源の追加が不要になり、回路構成の簡略化が可能になるとともに、コストの上昇を抑えることができる。

（第３の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態では、３つの整流器モジュール４１、４２、４３のそれぞれにおいてロードダンプ保護動作を並行して行ったが、例えば、２つの整流器モジュール４２、４３でロードダンプ保護動作を行い、残り１つの整流器モジュール４１でダイオード整流動作を継続的に行うようにしてもよい。

本実施形態では、整流器モジュール４１によってダイオード整流動作を継続しているが、他の２つの整流器モジュール４２、４３では下アームのＭＯＳトランジスタ６１がオンされてロードダンプ保護動作が行われているため、出力電圧Ｖｂが抑制されて徐々に低下する。ロードダンプ保護動作を行っている整流器モジュール４２、４３のそれぞれでは、ロードダンプ発生前の相電圧の１周期ｔ１を保持しておいて、出力電圧Ｖｂがこの１周期の時間ｔ１以上第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より高くならない場合にロードダンプ保護動作を解除し、下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオフする（図９）。

このようなロードダンプ保護動作を可能とする整流器モジュール４２、４３の構成を図１０に示す。なお、整流器モジュール４１はロードダンプ保護動作を行わないため、図２に示した整流器モジュール４１の構成からＬＤ保護回路６４Ａ、６４Ｂの構成を取り除くことができる。

図１０に示す整流器モジュール４２は、図２に示した整流器モジュール４１に対して、ＬＤ保護回路６４ＡをＬＤ保護回路２６４Ａに、ＬＤ保護回路６４ＢをＬＤ保護回路２６４Ｂに置き換えた点が異なっている。

ＬＤ保護回路２６４Ａは、図２のＬＤ保護回路６４Ａと基本的に同じ構成を有しており、Ｂ電圧検出部６５の出力が後段のＬＤ保護回路２６４Ｂにも入力されている。ＬＤ保護回路２６４Ｂは、図２のＬＤ保護回路６４Ｂに対して、経過時間計測部６７を低電圧判定部６６Ａに置き換えた点が異なっている。この低電圧判定部６６Ａは、出力電圧Ｖｂが相電圧の１周期の時間ｔ１以上第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より高くならないか否かを判定する。時間ｔ１は、例えばＬＤ保護判定部６８が計測して低電圧判定部６６Ａに入力する。

このように、本実施形態の車両用発電機では、ロードダンプ発生時に固定子巻線３の１相のみで発電を継続することより、下アームのＭＯＳトランジスタ６１のオン状態維持のための電源の確保が容易となる。また、固定子巻線３の出力端短絡とサージ電圧抑制タイミングでのＭＯＳトランジスタ６１遮断（オフ）の繰り返し回数を少なくして、サージストレスの蓄積を減少させることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、３つの整流器モジュール４１、４２、４３がそれぞれの判断でロードダンプ保護動作を開始した後、ロードダンプ保護動作を解除する順番を互いにずらすようにしている。

例えば、出力電圧Ｖｂが相電圧の１周期ｔ１以上第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より高くならないことを判定する機能を整流器モジュール４１のみが有し、最初にこの解除条件を満たした後サージ電圧抑制タイミングを待って整流器モジュール４１のみが同期整流動作に移行する。例えば、このような動作を行う整流器モジュール４１の構成としては、図１０に示した構成をそのまま用いることができ、上述した判定が低電圧判定部６６Ａによって行われる。このようにして整流器モジュール４１による同期整流動作によって出力電圧Ｖｂが上昇するが、依然として他の２つの整流器モジュール４２、４３ではロードダンプ保護動作が継続しているため、出力電圧Ｖｂが再び減少する。

そして、再度、出力電圧Ｖｂが相電圧の１周期ｔ１以上第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より高くならないことが判定されると、整流器モジュール４１は、他の整流器モジュール４２あるいは４３にロードダンプ保護動作を解除してダイオード整流動作を再開させるための指示を送る。図１１に示す例では、整流器モジュール４１は、自装置のみがロードダンプ保護動作を終了させた時点で通信部７２に指示を送ってＣ端子に接続された通信線をグランド電位とする（図１１の「Ｃ通信」）。このような状態において、通信部７２からＣ端子を介して相電圧の周期ｔ１の１／６のパルス幅を有する電圧信号を、Ｖ相巻線に対応する整流器モジュール４２に向けてサージ電圧抑制タイミングに合わせて出力する。

整流器モジュール４２では、整流器モジュール４１から送られてくる周期ｔ１の１／６のパルス幅を有する信号を受信すると、サージ電圧抑制タイミングが到来していることを確認した後に同期整流動作に移行する。例えば、このような動作を行う整流器モジュール４２の構成としては、図１０に示した構成をそのまま用いることができるが、出力電圧Ｖｂと第２のしきい値電圧Ｖ_LDL の比較動作は行う必要がないため、低電圧判定部６６Ａは省略することができる。このようにして整流器モジュール４１、４２による同期整流動作によって出力電圧Ｖｂが上昇するが、依然として残りの整流器モジュール４３ではロードダンプ保護動作が継続しているため、出力電圧Ｖｂが再び減少する。

そして、再度、出力電圧Ｖｂが相電圧の１周期ｔ１以上第２のしきい値電圧Ｖ_LDL より高くならないことが判定されると、整流器モジュール４１は、他の整流器モジュール４３にロードダンプ保護動作を解除してダイオード整流動作を再開させるための指示を送る。図１１に示す例では、整流器モジュール４１は、通信部７２からＣ端子を介して相電圧の周期ｔ１の２／６のパルス幅を有する電圧信号を、Ｗ相巻線に対応する整流器モジュール４３に向けてサージ電圧抑制タイミングに合わせて出力する。

整流器モジュール４３では、整流器モジュール４１から送られてくる周期ｔ１の２／６のパルス幅を有する信号を受信すると、サージ電圧抑制タイミングが到来していることを確認した後に同期整流動作に移行する。例えば、このような動作を行う整流器モジュール４３の構成としては、図１０に示した構成をそのまま用いることができるが、出力電圧Ｖｂと第２のしきい値電圧Ｖ_LDL の比較動作は行う必要がないため、低電圧判定部６６Ａは省略することができる。

このように、本実施形態の車両用発電機では、固定子巻線３の各相に対応するロードダンプ保護動作をタイミングをずらしながら順番に解除することにより、出力電圧Ｖｂの急激な変動を極力減らすことができ、サージ電圧の発生回数を減らすことができる。

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、上述した実施形態では、１つの固定子巻線３を備える車両用発電機１について説明したが、２つの固定子巻線とそれぞれに対応する整流器モジュール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。

また、上述した実施形態では、Ｙ結線された３相の固定子巻線３について説明したが、３相以外の場合や、Ｙ結線以外の場合（例えばΔ結線や複数の結線方法の組み合わせ）について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、下アームのＭＯＳトランジスタ６１をオンすることでロードダンプ保護動作を行ったが、上アームのＭＯＳトランジスタ６０をオンすることでロードダンプ保護動作を行うようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、上アームと下アームの両方にＭＯＳトランジスタを用いたが、下アームのみをＭＯＳトランジスタ６１とし、上アームをダイオードで構成するようにしてもよい。あるいは、上アームのみをＭＯＳトランジスタ６０とし、下アームをダイオードで構成するようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、ロードダンプ発生時に出力端子に接続された電気負荷が大きい場合や出力端子に接続されたコンデンサの容量が小さい場合などに出力電圧が急激に低下した場合であっても、ロードダンプ保護動作によってオンされたスイッチング素子が発振動作または非飽和動作などの不安定動作を生じることがない。

２ 励磁巻線
３ 固定子巻線
４ 整流器
５ 励磁制御回路
６ ツェナーダイオード
６０、６１ ＭＯＳトランジスタ
６２Ａ 昇圧回路
６４Ａ、６４Ｂ ＬＤ保護回路
７０ ダイオード
７１ コンデンサ

Claims (11)

1. 固定子鉄心に巻装された２相以上の相巻線を有する固定子巻線（３）と、
   前記固定子巻線に回転磁界を与える励磁巻線（２）と、
   上アームおよび下アームの少なくとも一方がスイッチング素子（６０、６１）で構成され、前記固定子巻線の出力を整流する整流器（４）と、
   前記固定子巻線あるいは前記整流器の出力電圧が第１のしきい値電圧より高くなったときに、上アームあるいは下アームのいずれか一方を構成する前記スイッチング素子をオンし、前記第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧より前記出力電圧がさらに低くなったとき、あるいは、所定時間経過後に、サージ電圧抑制タイミングの到来を待って前記スイッチング素子をオフするロードダンプ保護回路（６４Ａ、６４Ｂ、１６４Ａ、１６４Ｂ、２６４Ａ、２６４Ｂ）と、
   前記ロードダンプ保護回路に動作電圧を供給するとともに、前記出力電圧の低下時に少なくとも前記サージ電圧抑制タイミングが到来するまでこの動作電圧の供給動作を継続する電源回路（７０、７１、６２Ａ）と、
   を備えることを特徴とする車両用発電機。
2. 請求項１において、
   前記電源回路は、前記固定子巻線あるいは前記整流器からの電流供給によって動作しており、この電流供給が停止した後に相電圧の半周期以上の時間、前記ロードダンプ保護回路に対する動作電圧の供給動作を継続することを特徴とする車両用発電機。
3. 請求項１または２において、
   前記スイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタ（６０、６１）であり、
   前記サージ電圧抑制タイミングは、前記ＭＯＳトランジスタの両端電圧がこのＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードの逆方向電圧であってオフ動作時に遮断される電流が所定値以下となるタイミング、あるいは、前記ＭＯＳトランジスタの両端電圧がこのＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードの順方向電圧となるタイミングであることを特徴とする車両用発電機。
4. 請求項３において、
   前記整流器と並列に接続され、前記第１のしきい値電圧以上で前記ＭＯＳトランジスタのブレークダウン電圧以下に、ブレークダウン電圧が設定されたツェナーダイオード（６）をさらに備えることを特徴とする車両用発電機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、
   前記励磁巻線に励磁電流を供給するとともに、前記出力電圧が前記第１のしきい値電圧より高い過電圧状態が一定時間以上継続したときに、前記励磁巻線に対する励磁電流の供給を停止あるいは抑制する励磁制御回路（５）をさらに備え、
   前記ロードダンプ保護回路は、前記過電圧状態が一定時間以上継続したときに、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。
6. 請求項５において、
   前記整流器と前記励磁制御回路は通信線を介して接続されており、前記励磁制御回路は、前記ロードダンプ保護回路によって前記スイッチングをオフするロードダンプ保護動作が終了するまで、前記励磁巻線に対する励磁電流の供給を停止あるいは抑制する動作を継続することを特徴とする車両用発電機。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、
   前記電源回路は、前記固定子巻線あるいは前記整流器から電流供給が行われる第１の電源と、この電流供給が停止した後の動作電圧供給が可能な第２の電源とを有し、
   前記ロードダンプ保護回路は、前記出力電圧が前記第１のしきい値電圧より高くなったときの前記スイッチング素子のオン動作を前記第１の電源から供給される動作電圧によって行い、前記出力電圧が前記第２のしきい値電圧より低くなったときの前記スイッチング素子のオン状態維持とその後のオフ動作を前記第２の電源から供給される動作電圧によって行うことを特徴とする車両用発電機。
8. 請求項７において、
   上アームおよび下アームの両方が前記スイッチング素子で構成されているとともに、前記ロードダンプ保護回路による前記スイッチング素子のオン、オフ動作は下アームの前記スイッチング素子を用いて行われており、
   上アームの前記スイッチング素子を駆動するための昇圧回路（６２Ａ）をさらに備え、
   前記出力電圧が前記第１のしきい値電圧より高くなったときに、前記昇圧回路を前記第２の電源として用いることを特徴とする車両用発電機。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、
   前記固定子巻線の相数をｍとしたときに、
   前記ロードダンプ保護回路は、前記スイッチング素子のオン、オフ動作を前記固定子巻線の（ｍ−１）相の相巻線のそれぞれについて行い、残りの１相の相巻線に対応する前記スイッチング素子についてはオフ状態を維持することを特徴とする車両用発電機。
10. 請求項１〜８のいずれか一項において、
    前記固定子巻線の相数をｍとしたときに、
    前記ロードダンプ保護回路は、前記スイッチング素子のオンした後にオフする動作を、前記固定子巻線のｍ相の相巻線のそれぞれについて、相電圧の１周期以上の間隔を開けて順番に行うことを特徴とする車両用発電機。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項において、
    前記サージ電圧抑制タイミングの到来を待つ時間は、車両のアイドル回転数における相電圧の半周期から５００ｍｓまでの間の時間であることを特徴とする車両用発電機。

Images