TWI420794B - Multiphase generator rectifier - Google Patents

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Description

多相發電機整流器
本發明係與整流器有關，更詳而言之是指一種多相發電機整流器。
如汽車發電機等交流發電機通常設有一電壓調整器(voltage regulator)以及一整流器(rectifier)，並藉由透過上述之電壓調整器及整流器將發電機之輸出由交流電轉換成用以對電瓶充電或是其他利用之直流電。
而習用工作於發電機高電壓、高電流環境的整流器，其每一相大多是由兩個矽半導體(P、N junction)之耐高壓二極體串接組成，以避免受發電機之瞬間異常高壓(約250伏特)擊穿，而上述之二極體之順向壓降(forward voltage drop)約為1伏特左右，若發電機輸出150安培的電流，將產生150瓦之能量損耗，且該能量損耗會轉換能熱能而集中在整流器上，須利用散熱片藉由將熱能散出，以避免二極體過熱而燒毀。是以，當發電機輸出越大時，將越需要將需要大面積的二極體晶圓、及大體積之散熱片來增加有效散熱面積之大小，以提升散熱之效果。然而，此舉不僅會造成整體的體積及重量增加，且越大片之晶圓因熱脹冷縮而影響其可靠度的程度也越大。
另外，近年來，為降低與發電機關聯之電子零件因受發電機之瞬間異常高壓而損壞之機率，前述之矽半導體二極體逐漸由雪崩二極體(avalanche diode)所取代，藉以利用雪崩二極體之雪崩崩潰(avalanche breakdown)效應將電壓牽制在一額定低壓(約23伏特)內，以避免電子零件受發電機之瞬間異常高壓而損壞。然而，上述之雪崩二極體不僅須執行整流之功能，亦須吸收瞬間異常電壓所產生之焦耳數，此將造成雪崩二極體比前述之矽半導體二極體產生之熱量更多，換言之，雪崩二極體不僅更容易因過熱而損壞，亦需使用更大面積之晶圓以及更大體積的散熱片，而造成可靠度降低以及成本增加。
再者，亦有業者為減少大電流輸出發電機(heavy duty alternator)之整流器的熱效應，而利用兩顆矽半導體二極體並聯當成一組整流源件來使用，藉以平均分擔因功率損耗所造成之熱效應。然而，矽半導體二極體之順向壓降屬負溫度係數特性，當溫度越高時則順向壓降越低，而電流將會集中流向順向壓降較低之矽半導體二極體，將使得溫度高者越來越高，而無法自動調整來平均分擔電流。
綜合以上所述可得知，已知的整流器設計仍未臻完善，且尚有待改進之處。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種多相發電機整流器，不僅具有低能量耗損之特性，同時更具有高壓保護之功能。
緣以達成上述目的，本發明所提供之多相發電機整流器包含有一輸入埠以及一輸出埠，該輸入埠用以接收交流電，且具有複數輸入端；該輸出埠用以輸出直流電，且該輸出埠具有一正電端以及一負電端；另外，該多相發電機整流器包含有複數個正電整流元件以及複數個負電整流元件，其中，各該正電整流元件一端連接該輸入埠其中一輸入端，且另一端連接該輸出埠之正電端；各該負電整流元件一端連接該輸入埠其中一輸入端，且另一端連接該輸出埠之負電端，而與該正電整流元件串聯；另外，各該負電整流元件具有透過同極連接方式並聯之一蕭特基二極體(schottky diode)以及一具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，且該蕭特基二極體之正極連接該輸入埠對應之輸入端，該蕭特基二極體之負極連接該輸出埠之負電端。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。
請參閱圖1，為本發明第一較佳實施例之多相發電機整流器1，用以將一△接之三相發電機100產生之交流電轉換成直流電後輸出。該多相發電機整流器1包含有一輸入埠10、一輸出埠20、三組正電整流元件31~33以及三組負電整流元件41~43。其中：該輸入埠10用以接收三相發電機100產生之三相交流 電，且該輸入埠包含有R相端11、S相端12以及T相端13，並分別與該三相發電機100之R相、S相及T相連接。
該輸出埠20用以將整流後得到之直流電輸出，且該輸出埠20具有一正電端21以及一負電端22，用以分別代表該多相發電機整流器1輸出之直流電的正極與負極。
該三正電整流元件31~33分別為R相正電整流元件31、S相正電整流元件32以及T相正電整流元件33，該等正電整流元件31~33之一端同時與該輸出埠20之正電端21連接，而另一端則分別對應連接該輸入埠10之R相端11、S相端12以及T相端13。該等正電整流元件31~33分別包含有透過同極連接方式並聯之一蕭特基二極體SD(schottky diode)以及一具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之雪崩二極體AD(avalanche diode)，且該等正電整流元件31~33的蕭特基二極體SD之正極連接該輸出埠20之正電端21，而負極則連接該輸入埠10。
該等負電整流元件41~43分別為R相負電整流元件41、S相負電整流元件42以及T相負電整流元件43。該等負電整流元件41~43之一端同時與該輸出埠20之負電端22連接，而另一端則分別與對應之該正電整流元件31~33連接該輸入埠10之該端連接。各該負電整流元件41~43同樣包含有透過同極連接方式並聯之一蕭特基二極體SD(schottky diode)以及一雪崩二極體AD(avalanche diode)，且該等負電整流元件41~43的蕭 特基二極體SD之正極連接該輸入埠10，而負極則連接該輸出埠20之負電端22。
使用蕭特基二極體SD之目的在於其低順向壓降(約小於0.6伏特)的特性，將使得該多相發電機整流器1在整流時，電流將會集中流向順量壓降較低之蕭特基二極體SD，且在固定電流下，越低的順向壓降將使得功率耗損越低，而功率損耗所產生之熱能也將隨之越低，換言之，其所需之晶圓面積及散熱片體積將因此而大幅降低。
請參閱圖2，以該三相發電機100之R-S相電源為例，當R-S相電源為正電壓時，電流由該R相端11流入並通過該R相正電整流元件31之蕭特基二極體SD後，由該輸出埠20之正電端21輸出至一負載200(如電瓶)，再由輸出埠20之負電端22流入，最後經過形成串聯迴路的該S相負電整流元件42之蕭特基二極體SD而由S相端12流出。反之，當該三相發電機100之R-S相電源如圖3所示為負電壓時，電流由該S相端12流入並通過該S相正電整流元件32之蕭特基二極體SD後，由該輸出埠20之正電端21輸出至該負載200，再由輸出埠20之負電端22流入，最後經過形成串聯迴路的該R相負電整流元件41之蕭特基二極體SD而由R相端11流出。藉此，利用上述圖2與圖3配合而達到全波整流之目的。而S-T相電源與T-R相電源之整流原理與上述R-S相電源之整流原理相同，於此容不再贅述。
另外，將蕭特基二極體SD與雪崩二極體AD並聯之目的在於蕭特基二極體SD除具有低順向壓降之特性外，亦伴隨有低反向耐壓(最高約為200伏特左右)的特性，因此，在該三相發電機100高電壓、高電流之整流環境中，將容易造成蕭特基二極體SD被瞬間異常高壓擊穿而損毀。是以，透過將蕭特基二極體SD與雪崩二極體AD並聯，在該三相發電機100產生瞬間異常高壓時，將造成該雪崩二極體AD反向崩潰而產生反向崩潰電壓(約19~23伏特)，且瞬間異常高壓產生之焦耳數將被雪崩二極體AD吸收，將使得蕭特基二極體SD兩端之電壓被控制在該雪崩二極體AD之反向崩潰電壓內，換言之，蕭特基二極體SD之反向耐壓只要設計在25伏特左右即可避免燒毀之情事發生。另外，蕭特基二極體SD同時具有反向耐壓越低，其順向壓降越低之特性，是以，蕭特基二極體SD之反向耐壓設計在25伏特之低壓時，將使其同時具有較低之順向壓降，而導致其整流時的功率耗損也將隨之降低。再者，因雪崩二極體AD不必執行整流只負責吸收瞬間異常高壓產生時之焦耳數，將不會因多工而造成溫度過高，而使得其所需之晶圓面積及散熱片體積同樣因此而大幅降低。
請參閱圖4，為本發明第二較佳實施例之多相發電機整流器2，同樣係用以將該△接之三相發電機100產生之交流電轉換成直流電後輸出。該多相發電機整流器2包含有與上述實施 例相同結構之一輸入埠50、一輸出埠60以及三組負電整流元件81~83，與此容不再贅述。而與上述實施例不同處在於該多相發電機整流器2之各正電整流元件71~73僅具有單一蕭特基二極體SD而已，上述設計之目的是因為電路中電子之實際流動方向係與電流相反，換言之，當該三相發電機100之瞬間異常高壓產生時，電子將大量往該等負電整流元件81~83移動，是以，該等負電整流元件81~83之雪崩二極體AD只要設計能分攤掉瞬間異常電壓所產生之焦耳數，將可同樣達到保護該等蕭特基二極體DS不會被瞬間異常高壓燒毀之目的。另外，因內部總構件數減少，將可降低整體晶圓面積及散熱片體積，進一步達到降低成本之功效。
必須說明的是，本發明之多相發電機整流器除適用於上述之△接之該三相發電機100外，以第一實施例為例，該多相發電機整流器1亦同樣適用於如圖5所示之Y接三相發電機300上；或是如圖6所示，在該多相發電機整流器1的構件基礎下多增加一組N相正電整流元件34以及一組N相負電整流元件44，且在輸入埠多增加一N相中間抽頭端14，藉以用在Y接三相四線發電機400上，而其達成之功效與上述各實施例無異，於此容不再贅述。當然，除上述之三相發電機外，本發明亦適用於其它結構之多相發電機。除第一實施例所述之該多相發電機整流器1外，第二實施例之該多相發電機整流器2亦可達到相同之效果。
另外，本發明除使用雪崩二極體外，亦可依需求改用同樣具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之齊納二極體(zener diode)或是瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)來達到高壓保護之效果。
再者，只要在負電整流元件中使用同極連接方式並聯之一蕭特基二極體(schottky diode)以及一雪崩二極體(avalanche diode)來達到低耗能與高壓防止之目的，其正電整流元件不管使用何種構件來達到整流之目的，亦屬本發明之其它實施態樣而已。
綜合以上所述可得知，本發明之多相發電機整流器不僅具有低能量耗損之特性，同時更具有高壓保護之功能。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構及製作方法變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
1‧‧‧多相發電機整流器
10‧‧‧輸入埠
11‧‧‧R相端
12‧‧‧S相端
13‧‧‧T相端
14‧‧‧N相中間抽頭端
20‧‧‧輸出埠
21‧‧‧正電端
22‧‧‧負電端
31‧‧‧R相正電整流元件
32‧‧‧S相正電整流元件
33‧‧‧T相正電整流元件
34‧‧‧N相正電整流元件
41‧‧‧R相負電整流元件
42‧‧‧S相負電整流元件
43‧‧‧T相負電整流元件
44‧‧‧N相負電整流元件
2‧‧‧多相發電機整流器
50‧‧‧輸入埠
60‧‧‧輸出埠
71~73‧‧‧正電整流元件
81~83‧‧‧負電整流元件
SD‧‧‧蕭特基二極體
AD‧‧‧雪崩二極體
100、300、400‧‧‧發電機
200‧‧‧負載
圖1為本發明第一較佳實施例之電路圖。
圖2為上述本發明第一較佳實施例正整流時之電流流向。
圖3為上述本發明第一較佳實施例負整流時之電流流向。
圖4為本發明第二較佳實施例之電路圖。
圖5揭示本發明亦適用於之Y接三相發電機。
圖6揭示本發明亦適用於之Y接三相四線發電機。
1．．．多相發電機整流器
10．．．輸入埠
11．．．R相端
12．．．S相端
13．．．T相端
20．．．輸出埠
21．．．正電端
22．．．負電端
31．．．R相正電整流元件
32．．．S相正電整流元件
33．．．T相正電整流元件
41．．．R相負電整流元件
42．．．S相負電整流元件
43．．．T相負電整流元件
SD．．．蕭特基二極體
AD．．．雪崩二極體
100．．．發電機

Claims (7)

  1. 一種多相發電機整流器，包含有一輸入埠以及一輸出埠，該輸入埠用以接收交流電，且具有複數輸入端；該輸出埠用以輸出直流電，且該輸出埠具有一正電端以及一負電端；另外，該多相發電機整流器包含有：複數個正電整流元件，各該正整流元件一端連接該輸入埠其中一輸入端，且另一端連接該輸出埠之該正電端；複數個負電整流元件，各該負整流元件一端連接該輸入埠其中一輸入端，且另一端連接該輸出埠之該負電端，而與對應之各該正電整流元件串聯；另外，各該負電整流元件包含有透過同極連接方式並聯之一蕭特基二極體(schottky diode)以及一具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，且該蕭特基二極體之正極連接該輸入埠對應之輸入端，該蕭特基二極體之負極連接該輸出埠之該負電端。
  2. 如請求項1所述之多相發電機整流器，其中，各該正電整流元件包含有一蕭特基二極體(schottky diode)，且該正電整流元件的蕭特基二極體之負極連接該輸入埠對應之輸入端，而正極則連接該輸出埠之該正電端。
  3. 如請求項2所述之多相發電機整流器，其中，各該正電整流元件更包含一具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體，且該具有反向崩潰效應之二極體係透過同極連接方式與該正電整流元件之蕭特基二極體並聯。
  4. 如請求項3所述之多相發電機整流器，其中，各該正電整流元件之具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體係一雪崩二極體(avalanche diode)。
  5. 如請求項1所述之多相發電機整流器，其中，該具有反向崩潰(reverse breakdown)效應之二極體係一雪崩二極體(avalanche diode)。
  6. 如請求項1所述之多相發電機整流器，包含有三個正電整流元件以及三個負電整流元件，且該輸入埠之該等輸入端包含有一R相端、一S相端以及一T相端，其中，該等正電整流元件之一端分別連接該輸入埠之該R相端、該S相端以及該T相端，另一端則同時連接該輸出埠之該正電端；該等負電整流元件之一端分別與對應之該正電整流元件連接該輸入埠之該端連接，另一端則同時連接該輸出埠之該負電端。
  7. 如請求項1所述之多相發電機整流器，包含有四個正電整流元件以及四個負電整流元件，且該輸入埠之該等輸入端包含有一R相端、一S相端、一T相端以及一N相中間抽頭端，其中，該等正電整流元件之一端分別連接該輸入埠之該R相端、該S相端、該T相端以及該N相中間抽頭端，另一端則同時連接該輸出埠之該正電端；該等負電整流元件之一端分別與對應之該正電整流元件連接該輸入埠之該端連接，另一端則同時連接該輸出埠之該負電端。
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