KR100495200B1

KR100495200B1 - 삼상 교류 발전기의 출력 전압 조절 장치

Info

Publication number: KR100495200B1
Application number: KR10-1999-7004372A
Authority: KR
Inventors: 콜발터; 야콥볼프강
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 2005-06-14
Also published as: WO1998025337A1; DE59710551D1; HUP9904611A2; BR9714369A; AU5187298A; EP1012961A1; DE19649790A1; JP2001508638A; HUP9904611A3; US6163138A; EP1012961B1; HU222801B1; AU742234B2; KR20000053348A; JP4429387B2

Abstract

삼상 교류 발전기의 출력 전압을 조절하기 위한 장치가 개시되어 있으며 이 장치에서는, 발전기가 여자 다이오드없이 사용되며, 여자 전류는 발전기의 정류기 브리지에 의해 제공된다. 여자 전류는 제 1 집적 회로에 의해 조절된다. 부가적으로 집적 회로(IS2)에 의해 제어되는 스마트-파워-하이-사이드-스위치가 여자 전류회로 내부에 있다.

Description

삼상 교류 발전기의 출력 전압 조절 장치{Device for setting the output voltage in a three-phase alternator}

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 삼상 교류 발전기의 출력 전압을 조절하기 위한 장치에 관한 것이다.

오늘날 일반적으로 사용되고 있는 자동차의 전원 공급 시스템에서는 삼상 교류 발전기를 사용한다. 그 여자 전류는 전압 조절기에 의해 발전기의 출력 전압이 미리 주어진 값을 유지하도록 조절된다. 제 1 타입의 회로에서는 여자 다이오드를 사용하여 여자 전류를 발생한다. 이 때 여자 전류는 전압 조절기의 제어부에 의해 영향을 받는 조절 트랜지스터 및 여자 코일을 통해 흐른다. 이와 같은 자동차 내에 사용되는 전원 공급 시스템은 D+ 시스템이라고도 하는데, 예컨대 독일 특허 DE OS 34 02 288호에 공지되어 있다.

자동차들에 쓰이는 다른 전원 공급 시스템에서는 여자 코일이 발전기 출력 B+에 접속되어, 발전기에 의해 발생된 출력 전압이 이 출력단에 나타난다. 이러한 여자 전류는 B+ 시스템에서 전압 조절기에 의해 조절된다. 이 전압 조절기는 이른바 다기능 조절기로서 구성되어 있으며, 입력된 정보들에 따라 상기 발전기의 B+ 단자에서의 출력 전압이 항상 소정값을 가질 수 있도록 상기 전압 조절기의 제어부에 의해 제어되는 파워 트랜지스터를 포함하고 있다. 이와 같은 발전기-전압 조절기-시스템에는 여자 다이오드가 필요치 않다. 발전기-전압 조절기-시스템, 즉 다기능 조절기를 포함하고 있으며 여자 다이오드가 없는 시스템은 예컨대 독일 특허출원 DE-P 19 532 297.5호에 공지되어 있다.

도 1은 삼상 교류 발전기의 실시예.

도 2는 조절기의 회로도.

본 발명의 효과

청구항 1항의 특징을 포함하는, 본 발명의 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치는 D+ 조절기를 사용할 때에도 여자 다이오드들을 생략할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 종래의 D+ 조절기를 기초로 하고 마찬가지로 기존 B+ 전압 조절기와도 호환될 수 있는 그러한 발전기-전압 조절기-시스템을 구성할 수 있는 것이다. 특히 매우 적은 영 입력 전류 소비가 얻어질 수 있는 것이 바람직하다.

또한, 시스템 오류가 발생할 경우에 이어지는 손상으로부터 보호되기 때문에 예를 들어 제어되지 않은 완전 여기(full excitation)의 경우 밧데리가 타버리는 것을 방지할 수 있다는 점이 효과적이다. 또한 제어되지 않은 완전 여기시에 개입하여 완전 여기 동작을 종료시키는 긴급 조절 동작을 수행할 수 있다는 점이 효과적이다. 또한 부하-덤프-경우에 전압 강도가 높다. 또한, 필드 단락시에, 예를 들면 여자 코일이 접지에 잘못 접속될 때 보호가 이루어진다는 점이 효과적이다.

상기한 바와 같은 효과들은 청구항 1항의 특징을 포함하는 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치에 의해 얻어진다. 이러한 장치에서는 종래의 D+ 조절기, 일반적으로는 모놀리식 조절기-IC를 포함하고 있는 종래의 D+ 조절기가 이른바 스마트-파워-하이-사이드-스위치(smart-power-high-side-switch)를 통해 상기 발전기의 B+ 단자에 접속된다. 이러한 스위치는 집적 주변 장치를 가진 MOS-트랜지스터로서 구성되며 제 2 집적 회로를 형성한다. 여자 전류는 스위치와 여자 코일과 조절 트랜지스터를 통해 접지로 흐른다. 두 개의 집적 회로를 사용해서 서로 독립적으로 입력된 정보에 따라서 상기 여자 코일을 통해 흐르는 전류에 영향을 줄 수 있다.

본 발명의 다른 효과들은 종속항에 게재된 다른 구성들을 통해 성취 가능하다.

도 1에 도시된 삼상 교류 발전기(10)는 자동차에 적용하도록 설계되며 조절기(11)와 상호 작용한다. 상기 삼상 교류 발전기(10)의 출력 전압은 UB+로 표시되며 B+ 단자에서 인출되어 자동차 전기 시스템(12)에 공급된다.

삼상 교류 발전기(10)는 통상적으로 공통 중심점(Mp)에 접속되어 있는 세 개의 고정자 코일(U, V, W)을 포함하고 있다. 상기 코일(U, V, W)은 정류기 브리지(13)에 접속되어 있으며 상기 브리지는 6개의 제너 다이오드(14,15,16,17,18,19)를 포함하고 있으며 접지와 단자(B+)와의 사이에 접속되어 있다. 상기 삼상 교류 발전기(10)의 다른 부품으로는 여자 코일(E)이 있다. 이 코일은 조절기(11)와 접속되어 있다. 자동차 전기 시스템(12)은 적어도 하나의 밧데리(20)를 포함하고 있는데, 이 밧데리의 양극은 상기 삼상 교류 발전기(13)의 단자(B+)에 접속되어 있는 반면, 그 음극은 접지에 접속되어 있다. 밧데리(20)는 스위치(21,22,23)를 통해 전기 시스템(12)의 부하들에 접속 가능한데, 여기서는 부하(24) 및 스타터(25)만이 도시되어 있다. 또한 충전 모니터링 램프(26)및 중계기(27)도 있으며, 상기 충전 모니터링 램프(26)는 스위치(21,22)들과 접속되어 있고, 중계기(27)는 조절기(11)의 단자(L)에 접속되어 있다.

조절기(11), 즉 브러쉬 홀더(brush holder; 28) 및 네 개의 단자들(B+, L, DF, V)을 통해 삼상 교류 발전기(10)와 접속되는 조절기는 두 개의 집적 회로 IS1, IS2와 함께, 하나의 파워 트랜지스터(29), 하나의 다이오드(30) 및 하나의 전계효과 트랜지스터(31)를 포함하고 있다. 이 전계효과 트랜지스터(31)는 스위치로서 결선된다. 상기 트랜지스터는 상기 브러쉬 홀더(28)의 단자(B+)와 삼상 교류 발전기의 여자 코일에 접속된 단자(L)와의 사이에 놓여 있다. 상기 전계효과 트랜지스터(31)의 제어는 집적 회로 IS2에 의해 이루어진다. 조절 트랜지스터(29)의 컬렉터 단자는 일반적인 방식대로 단자(DF)를 통해 삼상 교류 발전기(10)의 여자 코일(E)과 접속되어 있다. 조절 트랜지스터(29)의 이미터 단자는 단자(B-)를 통해 접지에 접속된다. 상기 조절 트랜지스터(29)의 제어는 집적 회로(IS1)에 의해서 수행된다. 이를 위해 상기 집적 회로(IS1)에는 조절에 관련된 값들 입력되는데, 예를 들어 여자 전류에 관한 정보들은 단자(DF)를 통해 입력되고, 삼상 교류 발전기의 출력 전압과 관련된 정보들은 브러쉬 홀더(28)의 단자(B+S)를 통해 입력되며, 충전 모니터링 램프의 상태에 관한 정보는 단자(L)를 통해 입력된다. 다이오드(30)는 단자(L)와 단자(LF)와의 사이에 놓여 있는데, 이 다이오드는 전계효과 트랜지스터(31)로부터 조절 트랜지스터(29)로 전류가 직접 흐르는 것을 막아야 한다. 도 1에 도시된 실시예에서 상기 조절기(11)는 최근 실시예로서 D+ 조절기, 특히 도면부호(IS1)로 표시된 모놀리식 조절기 IC로 구성되어 있다. 상기 집적 회로(IS1)는 스마트-파워-하이-사이드-스위치를 통해, 바람직하게 집적 주변 장치(PPS)를 구비한 MOS-트랜지스터를 통해 발전기의 단자(B+)에 접속된다. 전계효과 트랜지스터(31)에 대한 집적 주변 장치는 집적 회로(IS2)로 표시되어 있다.

조절 전압과 관련해서, 상기 집적 회로(IS1)는 조절 모드 동안 실제값 검출부와 발전기의 단자(B+) 사이에서 집적 회로(IS2)를 통해 전압이 떨어지도록 설계된다. 상기 전압은 충분히 낮은 통전 저항을 선택함으로써 낮게 유지된다. 예를 들어 "온" 상태에서 상기 저항 RDSON이 40mΩ이도록 설계될 수 있다. 상기 전압 강하 UDS는 전류가 5.5A일 때 220mV보다 작다.

집적 회로(IS2)는 주로 전압(UV)으로 제어된다. 또한 초과 전압 및 부족 전압(overly low voltage)을 검출하기 위해 전압(UB+)이 평가된다. 또한 전류(IDS)가 단락 검출을 위해 평가되며, 경우에 따라서는 점화 스위치(21)가 닫혔는지를 검출하기 위해 전압(UL)도 평가된다. 램프출력이 낮을 때는, 즉 충전 모니터링 램프(26)가, 예를 들어, LED로 구성되어 있을 경우에는 부가적으로 예비 여자 전류를 증가시킨다. 초과온도에 대한 정보가 입력되면 초과 온도 차단 기능이 트리거될 수 있다.

점화 스위치가 열려 있는 경우, 전압(UV)은 거의 "0"이다. 이 경우 집적 회로(IS2)는 스위칭 오프된다. 소비되는 영 입력 전류는 100 마이크로암페어보다 적다. 삼상 교류 발전기(10)의 정류기 브리지(13)의 주 전류 다이오드들(14-19)의 실제 차단 전류를 보상하기 위해서 접지로의 접속이 행해진다.

점화 스위치가 닫혀 있고 엔진이 정지상태에 있다면, 예비 여자(즉, 여자 코일) 내로의 여자 전류의 공급은 충전 모니터링 램프(26)를 통해 수행된다. 집적 회로(IS2)는 스위칭 오프되고 그 상태는 종래의 D+ 조절기 시스템에서의 상태에 상응한다. 소정의 예비 여자 전류로 조절하기 위해서 부가적으로 상기 집적 회로(IS2)를 액티브하게 부분적으로 스위칭 온시키는 것이 가능하다.

엔진의 시동을 걸기 위해서는 전압(UV)이 내부에서 설정된 한계값을 초과하면 즉시 집적 회로(IS2)가 스위칭 온된다. 이때의 평가는 예를 들어 피크값 정류에 의해 수행한다. 대안으로서 또는 부가적으로 회전 속도 평가 내지 주파수 평가 및 부수적인 상기 집적 회로(IS2)의 스위칭 온 동작이 가능하다. 엔진이 차단되면, 상기 집적 회로(IS2)가 스위칭 오프된다.점화 스위치가 접속되는지 또는 차단되는지의 검출은 단자(KL.15)에 대한 부가의 접속부를 통해 이루어질 수 있다. 이 경우, 점화가 차단된 것이 알려지면, 집적 회로(IS2)의 즉각적인 차단이 이루어진다.

상기 집적 회로(IS1)가 알맞게 구성되어 있는 경우에는 밧데리 매개변수들을 검출하여 저장하는 것이, 예를 들어, 밧데리 온도 또는 밧데리 전압 또는 밧데리 충전 상태들을 검출하여 저장하는 것이 가능하다. 또다른 부가 기능 등을 구현할 수도 있다. 정상적인 조절 동작시에 상기 집적 회로(IS2)는 상기 집적 회로(IS1) 이외에도 하나의 중계기(27) 또는 스위치(23)를 단자(B+)에 접속시켜 이로써 다른 부하가 "스위칭 온"될 수 있도록 한다.

도 1에 도시된 전압 조절 장치를 통해 일련의 오류가 검출될 수 있으며 오류가 발생한 경우에는 대책이 적용된다. 상세하게는 이하의 오류들의 경우 영향을 받지 않을 수 있다.

1. 밧데리(20)극의 잘못된 접속

밧데리(20)극의 잘못된 접속시, 즉 단자들이 밧데리 극(+, -)에 바뀌어 접속된 경우에 상기 발전기와 전압 조절기는 주전류 다이오드 내지는 제너 다이오드에 의해 보호된다. 전류 제한은 중계기의 저항을 통해 수행된다.

2. 부하 스위칭 오프

단자(B+) 및/또는 단자(V)에서의 전압이 집적 회로(IS2) 내에 설정되어 있는 기준전압 한계값을 초과하면, 상기 집적 회로(IS2)는 전계효과 트랜지스터(31)를 스위칭 오프시킴으로써 조절기를 보호한다. 단자(L)의 전압은 전압(UB+), 충전 모니터링 램프(26)의 저항, 중계기(27)의 저항과 아울러 조절기(11)의 내부 저항(Ri)에 의해 결정된다. 전압(UL)의 결정은 도 2에 도시된 회로에 의해 설명될 수 있다. 이 회로에서 전압(UB+)은 전압원으로 도시된다. 또한 램프(26)의 저항은 (R26)으로 표시되어 있고, 상기 조절기의 내부 저항은 (Ri)로 표시되어 있다. 저항(RL)은 부하 저항이다.

상기 조절기(IS1)의 내부 저항(Ri)이 60Ω이고 4-와트-충전 모니터링 램프의 내부 저항이 36Ω이며 중계기저항이 없으면 전압(UB+)이 34V인 경우, 전압(UL)은 21V가 된다. 이는 곧 28V의 차량 전기 시스템에 조절기(11)가 사용될 수 있거나 또는 상기 IS1의 내부 저항이 상기 전기 시스템에 적절하게 맞춰진 경우에는 UB+(max)=80V까지 조절기(11)의 사용이 가능하다는 것을 의미한다. 그러나, 전압강하가 너무 크게 일어나면 충전 모니터링 램프가 파괴될 수도 있기 때문에 램프를 통한 너무 높은 전압강하가 일어나지 않도록 해야 한다.

IS2내의 과전압 평가회로는 차량 전기 시스템 내부의 부분 부하 스위칭 오프로 인해 충전 모니터링 램프가 켜지는 일이 없도록 설계되어 있다. 집적 회로(IS2)의 단자(V-)는 고임피던스에 대해 보호된다.

3. 단자(L)에서 접지로의 단락

전류 제한 내지 전류 차단은 집적 회로(IS2)내부에서 수행된다. 점화 스위치가 스위칭 온되며 동작 중에 여자가 일어나지 않으면, 충전 모니터 램프가 켜진다.

4. 단자(L)에서 단자(B+)로의 단락

전압이 약간 낮을 때 정상적인 조절 동작이 수행된다. 점화 스위치가 스위칭 온되면, 충전 모니터링 램프는 켜지지 않는다.

5. IS2 내부의 인버스 다이오드에 의한 단자(L)에서의 과전압 펄스전압이 단자(B+)의 전압에 클램프되어 있고 따라서 과전압 펄스는 다른 부정적인 영향을 주지 않는다.

6. 단자(L)에서의 마이너스 전압 펄스

접지로의 클램핑은 IS1의 인버스 다이오드에 의해 수행된다.

7. 단자(DF)와 접지간의 단락

발생한 과전압은 검출되고 IS2는 스위칭 오프된다. 나머지 여자는 충전 모니터링 램프(26)를 통한 접속에 의해 이루어지며, 상기 접속은 충전 모니터링 램프를 켠다. 히스테리시스 회로를 사용하여 IS2를 통한 긴급 조절 동작이 가능하다. 상기 오류는 오늘날 통상적으로 사용하는 조절기에서 제어되지 않은 전압 상승을 초래하여 밧데리를 손상시킨다.

8. 단자(DF)와 단자(L)간의 단락

IC1은 IS2에 의해 실행된 전류 제한 내지 전류 스위칭 오프에 의해 보호된다. 탈여기(deexciation) 동작 후에는 전압(UV)이 IS2 내의 스위칭 오프 한계값보다 작다. 표시는 충전 모니터링 램프에 의해 이루어진다.

9. 단자(DF)에서 단자(B+)로의 단락

이와 같은 단락은 필드 출력단을 파괴하게 된다. 표시는 IS1의 내부 저항 변화에 의해 수행된다. 단락 방지 필드 출력단을 보충함으로써 상기 파괴가 도 1에 도시된 실시예의 확대된 버전으로 방지 가능하다.

10. 단자(B+)에서 접지로의 단락

B+와 접지간의 단락시에 차량 전기 시스템 전압이 브레이크 다운된다. 조절기의 손상은 발생하지 않는다.

11. 단자(V)에서 접지로의 단락

이와 같은 단락시에, 상기 IC2는 스위칭 오프된다. 전계효과 트랜지스터(31)를 통한 전류 흐름은 종료되고, 상기 충전 모니터링 램프(26)에 의한 오류 표시동작이 이어진다.

12. 단자(V)와 단자(B+)간의 단락

조절기는 또한 단자(V, B+)에서의 전압 크기에 따라 동작한다.

13. 단자(V)와 단자(L)간의 단락

IS2는 전류 제한 내지 IS2내에서 자체적으로 수행되는 전류 스위칭 오프를 통해 보호된다.

14. 단자(V)와 단자(DF)간의 단락

이와 같은 단락은 필드 출력단, 즉 트랜지스터(29)를 파괴한다. 그와 같은 파괴는 집적 회로(IC1)안의 내부 저항 변화에 의해 표시된다.

15. 단자(B+)에서의 차단

단자(B+)와 차량 전기 시스템간의 접속이 차단되면, 충전 모니터링 램프를 통한 표시와 상기 충전 모니터링 램프(26)에 의해 야기되는 회로 일부에 의한 발전기의 부분 여기 동작이 이어진다.

16. 접지선의 차단

어떠한 조절기능도 불가능하다. 표시는 단자(V)에 의해 가능하다.

17. 단자(V)에서의 차단

단자(V)에서의 차단시, 충전 모니터링 램프(26)에 의한 표시와 상기 충전 모니터링 램프를 통해 야기되는 회로 일부를 통한 부분 여기 동작이 수행된다.

18. 발전기의 단자(L)에서의 차단

집적 회로(IS1)의 내부 저항(Ri)으로 인해, 충전 모니터링 램프(26)에 의한 표시동작이 수행된다.

19. 단자(L)외부의 차단

표시동작이 일어나지 않는다. 발전기의 시동 회전 속도는 잘못된 예비 여기 동작의 결과로 증가한다. 시동회전 속도에 도달한 후에 정상적인 발전기 조절 동작이 수행된다.

20. 단자(DF)에서의 차단

발전기의 여자는 불가능하다. 그 이유는 여자 코일(E)을 통해 전류가 흐를 수 없기 때문이다. 표시기능은 집적 회로의 내부 저항(Ri)에 의해 수행되고, 상기 내부 저항으로 인해 충전 모니터링 램프(26)가 반응한다. 정상적인 조절 동작 시에 전기 아크는 가능하고, 조절기의 파괴는 불가능하다.

Claims

고정자 코일들 및 여자 코일을 구비한 삼상 교류 발전기의 출력 전압 조절 장치로서, 제 1 집적 회로를 갖춘 제어단과 조절 트랜지스터를 갖춘 파워단을 포함하는 전압 조절기를 구비하고, 상기 제어단은 상기 조절 트랜지스터에 영향을 줌으로써 상기 여자 코일을 통해 흐르는 전류에 영향을 주어, 상기 출력 전압이 미리 주어진 값으로 유지되는, 상기 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치에 있어서,

상기 제 1 집적 회로(IS1)는 반도체 스위치를 통해 상기 삼상 교류 발전기(10)의 단자(B+)에 접속 가능하며, 상기 반도체 스위치는 스마트-파워-하이-사이드-스위치(smart-power-high-side-switch; 31)를 제어하는 집적 회로(IS2)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 삼상 교류 발전기는 여자 다이오드없이 사용되는 것을 특징으로 하는, 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치.
제 1 항 또는 2 항에 있어서,

상기 집적 회로(IS1)는 모놀리식 조절기-IC를 포함하는 것을 특징으로 하는, 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치.
제 1 항 또는 2 항에 있어서,

상기 스마트-파워-하이-사이드-스위치(31)는 스위치로서 결선되는 MOS-트랜지스터인 것을 특징으로 하는, 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치.
제 1 항 또는 2 항에 있어서,

상기 집적 회로(IS1) 및 상기 집적 회로(IS2) 중 적어도 하나는 정보공급을 위해 단자들(B+S, L, DF, B-, V)과 접속된 것을 특징으로 하는, 삼상 교류 발전기 출력 전압 조절 장치.