TWI674746B - 同步整流發電機及其能量分配方法 - Google Patents

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后世傑
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陳建廷
Chien-Tin Chen
陳維忠
Wei-Jing Chen
吳繼開
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Abstract

一種同步整流發電機及其能量分配方法。同步整流發電機包括交流發電機、同步整流電路及控制器。交流發電機用以將機械能轉換為交流電能。同步整流電路用以將交流電能轉換為直流電能以對負載供電。控制器用以偵測直流電能的電壓位準。當控制器偵測到直流電能的電壓位準大於或等於第一臨界電壓值時，控制器控制同步整流電路中的多個第一電晶體及多個第二電晶體的啟閉，致使同步整流電路中的至少一穩壓二極體、交流發電機的定子部及負載至少其中之一消耗交流發電機的能量。

Description

同步整流發電機及其能量分配方法
本發明是有關於一種發電機，且特別是有關於一種同步整流發電機以及其在拋載現象發生時的能量分配方法。
習知的車用交流發電機是由轉子(rotor)線圈與定子(stator)線圈所構成。當激磁電流通過轉子線圈時，轉子線圈可以提供磁場給定子線圈。當汽車之內燃引擎帶動轉子線圈轉動時，此轉子線圈即會產生旋轉磁場，使得定子線圈產生交流電能。而整流器則接受來自交流發電機的交流電能，並經整流後產生直流電能。此直流電能可以對蓄電池充電及對其他負載供電，而蓄電池則可以提供激磁電流給轉子線圈。
然而，當交流發電機的負載發生劇烈變動或瞬間被卸除時，定子線圈中的能量無法立即被宣洩，故而會發生拋載(load dump)現象。在拋載現象發生時，發電機所提供的直流電壓會產生較大幅度的電壓振幅擺動的情況，而過大的電壓振幅變化可能對交流發電機的元件或其他負載造成損壞。因此，如何在拋載現象發生時快速地且安全地將定子線圈中的能量予以宣洩或消耗，並限制發電機所輸出的直流電壓，乃是本領域技術人員所面臨的重大課題之一。
有鑑於此，本發明提供一種同步整流發電機及其能量分配方法，可在拋載現象發生時快速地且安全地將其交流發電機(包括轉子部及定子線圈)中的能量予以宣洩或消耗，並限制整流電路所輸出的直流電壓，以保護同步整流發電機的元件或負載。
本發明的同步整流發電機用以提供直流電能至負載。同步整流發電機包括交流發電機、同步整流電路以及控制器。交流發電機具有轉子部及定子部，用以將機械能轉換為交流電能，其中定子部具有多個定子線圈。同步整流電路電性連接至定子部，用以將交流電能轉換為直流電能。同步整流電路包括多個第一電晶體、多個第二電晶體以及至少一穩壓二極體。此些第一電晶體的每一者耦接在此些定子線圈的其中一者與負載的第一端之間。此些第二電晶體的每一者耦接在此些定子線圈的其中一者與負載的第二端之間。各穩壓二極體耦接在此些第一電晶體及此些第二電晶體的其中一者的兩端，以限制直流電能的電壓位準。控制器耦接同步整流電路以偵測直流電能的電壓位準。在控制器偵測到直流電能的電壓位準大於或等於第一臨界電壓值時，控制器控制此些第一電晶體及此些第二電晶體的啟閉，致使至少部份穩壓二極體、定子部及負載至少其中之一消耗交流發電機的能量。
本發明的同步整流發電機的能量分配方法包括以下步驟。透過控制器偵測同步整流電路整流後的直流電壓位準。透過控制器判斷直流電壓位準是否大於或等於第一臨界電壓值以得到判斷結果。若上述判斷結果為是，透過控制器控制同步整流電路的多個第一電晶體及多個第二電晶體的啟閉，致使同步整流電路的至少一穩壓二極體、定子部及同步整流發電機的負載至少其中之一消耗交流發電機的能量。
基於上述，本發明的同步整流發電機及其能量分配方法，可在同步整流發電機發生拋載現象時，透過穩壓二極體、定子部及負載至少其中之一來共同宣洩或消耗交流發電機的能量，並限制整流電路所輸出的直流電壓，以在拋載現象發生時保護同步整流發電機的元件或負載。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
為了使本發明的內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件，係代表相同或類似部件。
以下請參照圖1，圖1是依照本發明一實施例所繪示的同步整流發電機的電路方塊示意圖。同步整流發電機100用以提供直流電能至負載900，其中負載900可例如是電器裝置，但本發明不限於此。同步整流發電機100可包括交流發電機120、同步整流電路140以及控制器160，但本發明不限於此。在本發明的一實施例中，同步整流發電機100的輸出端還可耦接輸出(寄生)電容或蓄電池CO以穩定輸出電壓。交流發電機120具有轉子部122及定子部124。轉子部122及定子部124可協同運作以將機械能轉換為交流電能。交流發電機120可為多相交流發電機，本發明並不對交流發電機120的相數加以限制。然而為了便於說明，以下各實施例將以交流發電機120為三相交流發電機為範例進行說明，而交流發電機120的相數為二或相數大於三的實施方式則可依據以下說明依此類推。基此，交流發電機120的定子部124具有三個定子線圈124U、124V及124W，其中定子線圈124U的第一端、定子線圈124V的第一端以及定子線圈124W的第一端彼此耦接而形成如圖1所示的倒Y字形的線圈結構，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，交流發電機120的定子部的定子線圈也可為三角形的線圈結構。
同步整流電路140電性連接至定子部124，用以將交流電能轉換為直流電能。基於交流發電機120為三相交流發電機，故而同步整流電路140可包括三個第一電晶體L1~L3以及三個第二電晶體U1~U3，其中第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3中的每一者的兩端可具有寄生二極體(未繪示)。第一電晶體L1耦接在定子線圈124U的第二端與負載900的第一端之間。第一電晶體L2耦接在定子線圈124V的第二端與負載900的第一端之間。第一電晶體L3耦接在定子線圈124W的第二端與負載900的第一端之間。第二電晶體U1耦接在定子線圈124U的第二端與負載900的第二端之間。第二電晶體U2耦接在定子線圈124V的第二端與負載900的第二端之間。第二電晶體U3耦接在定子線圈124W的第二端與負載900的第二端之間。在本發明圖1的實施例中，是以負載900的第一端為接地電壓端GND，且負載900的第二端接收同步整流發電機100所提供的直流電能(其電壓位準為VDC)為範例進行說明，因此第一電晶體L1~L3可視為下臂開關而第二電晶體U1~U3可視為上臂開關，但本發明並不以此為限。於正常運作之下，藉由控制第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3的啟閉，可將交流發電機120的交流電能整流為直流電能。在本發明的一實施例中，第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3可採用金氧半場效電晶體來實現，但本發明並不以此為限。
除此之外，同步整流電路140還可包括至少一穩壓二極體。然而為了便於說明，以下各實施例將以同步整流電路140具有三個穩壓二極體D1~D3為範例進行說明，而同步整流電路140具有其他數量的穩壓二極體的實施方式則可依據以下說明依此類推。另外，在本發明圖1的實施例中，是以穩壓二極體D1~D3分別耦接在第一電晶體L1~L3的兩端為範例進行說明，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，穩壓二極體D1~D3也可分別耦接在第二電晶體U1~U3的兩端。
穩壓二極體D1~D3可用以限制同步整流發電機100所提供的直流電能的電壓位準VDC。舉例來說，當拋載現象發生時，定子線圈124U的第二端(即穩壓二極體D1的陰極端)的電壓會上升，導致同步整流電路140所提供的直流電能的電壓位準VDC上升。當穩壓二極體D1的陰極端上升至大於或等於穩壓二極體D1的崩潰電壓(breakdown voltage)時，穩壓二極體D1會發生崩潰而將直流電能的電壓位準VDC限制在一特定電壓值，以避免直流電能的電壓位準VDC過高而對同步整流發電機100的元件或負載900造成損壞。在本發明的一實施例中，穩壓二極體D1~D3可例如是齊納二極體，但本發明並不以此為限。
控制器160耦接同步整流電路140以偵測直流電能的電壓位準VDC。當控制器160偵測到直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1時，控制器160可判斷同步整流發電機100已遭遇拋載事件而發生拋載現象，故控制器160可控制第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3的啟閉，致使穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體、定子部124及負載900至少其中一者來消耗交流發電機120的能量(包括轉子部122的能量及定子部124的能量)。
在本發明的一實施例中，當控制器160偵測到直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1，且控制器160預估或偵測到穩壓二極體D1~D3未過熱時，藉由控制第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3的啟閉，可讓穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體發生崩潰以消耗交流發電機120的能量。如此一來，不僅可透過崩潰的穩壓二極體來限制直流電能的電壓位準VDC，還可至少透過崩潰的穩壓二極體、定子部124及負載900來共同宣洩或消耗交流發電機120的能量，以保護同步整流發電機100的元件或負載900。由於拋載現象發生時，交流發電機120的能量可由至少部份的穩壓二極體、定子部124以及負載900來共同宣洩或消耗，故可避免僅由穩壓二極體D1~D3來消耗大部份交流發電機120的能量而導致穩壓二極體D1~D3溫度過高(即過熱)的問題，也可避免僅由定子部124來消耗交流發電機120的能量而導致定子部124溫度過高及能量消耗時間過久(導因於定子部124的低阻值)的問題。
在本發明的上述實施例中，藉由穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體、定子部124及負載900至少其中之一來消耗交流發電機120的能量，可讓直流電能的電壓位準VDC降低。當控制器160偵測到直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2時，藉由控制第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3的啟閉，致使穩壓二極體D1~D3停止消耗交流發電機120的能量，其中第一臨界電壓值VTH1大於或等於第二臨界電壓值VTH2。
在本發明的一實施例中，控制器160更可耦接定子部124以偵測定子部124的電流值及電流流向，並據以判斷第一電晶體L1~L3中的每一者及第二電晶體中U1~U3中的每一者的偏壓狀態。
在本發明的一實施例中，控制器160可以是硬體、韌體或是儲存在記憶體而由微處理器或是微控制器所載入執行的軟體或機器可執行程式碼。若是採用硬體來實現，則控制器160可以是由單一整合電路晶片所達成，也可以由多個電路晶片所完成，但本發明並不以此為限制。上述多個電路晶片或單一整合電路晶片可採用特殊功能積體電路(ASIC)或可程式化邏輯閘陣列(FPGA)來實現。而上述記憶體可以是例如隨機存取記憶體、唯讀記憶體或是快閃記憶體等等。
以下將針對同步整流發電機100遭遇拋載事件之後的運作詳細說明。但為了便於說明，以下各實施例是以同步整流發電機100遭遇拋載事件時，其定子部124中的電流正由定子線圈124V流向定子線圈124U，且第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3皆為關斷狀態為範例進行說明，但本發明並不以此為限。
請參照圖2A，圖2A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100發生拋載現象時的能量分配示意圖，其中同步整流發電機100的控制器160尚未偵測出同步整流發電機100已發生拋載現象，且圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖2A省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。詳細來說，當同步整流發電機100發生拋載現象時，定子線圈124U的第二端(即穩壓二極體D1的陰極端)的電壓會上升，且同步整流發電機100所輸出的直流電能的電壓位準VDC會基於第二電晶體U1兩端的寄生二極體DU1為順偏狀態而上升。當穩壓二極體D1的陰極端的電壓大於或等於崩潰電壓而發生崩潰時，直流電能的電壓位準VDC可被限制在一特定電壓。在忽略寄生二極體DU1的順向偏壓的情況下，直流電能的電壓位準VDC將被限制在穩壓二極體D1的崩潰電壓。此時，交流發電機120的能量將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、順偏狀態的穩壓二極體D2、定子部124(即定子線圈124V、124U)以及負載900來進行消耗。更進一步來說，定子線圈124U所輸出的一部份電流將透過第二電晶體U1兩端的寄生二極體(為順偏狀態)而流至輸出(寄生)電容CO及負載900，以消耗交流發電機120的部份能量。而定子線圈124U所輸出的另一部份電流將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的另一部份能量。
另外，若穩壓二極體D1的陰極端的電壓小於寄生二極體DU1的順向偏壓與直流電能的電壓位準VDC之和，則寄生二極體DU1將無法導通，致使定子線圈124U所輸出的電流無法透過寄生二極體DU1(為截止狀態)而流至輸出(寄生)電容CO及負載900，如圖2B所示。此時負載900所需的電力可例如是由輸出電容CO來提供，而定子線圈124U所輸出的電流將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的能量。
請參照圖3A，圖3A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在降溫模式下的能量分配示意圖，其中圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖3A省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。詳細來說，當控制器160偵測到直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1時，控制器160可判斷同步整流發電機100已發生拋載現象。然而，在控制器160判斷出同步整流發電機100發生拋載現象之前，穩壓二極體D1可能已經崩潰並消耗交流發電機120的能量達一特定時間長度(基於控制器160的處理延遲所致)，從而導致二極體D1的溫度升高，例如上述圖2A或圖2B的情況所示，因此必須讓穩壓二極體D1降溫以避免穩壓二極體D1的溫度過高而損壞。基此，當控制器160偵測到直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1，且控制器160預估或偵測到穩壓二極體過熱時，控制器160將進入降溫模式，以將第一電晶體L1~L3導通並將第二電晶體U1~U3關斷(或是將逆偏狀態的第一電晶體L1及順偏狀態的第一電晶體L2導通並將第一電晶體L3及第二電晶體U1~U3關斷)，致使穩壓二極體D1無電流流通而降溫，此時是由定子部124及負載900來消耗交流發電機120的能量。詳細來說，定子線圈124U所輸出的一部份電流將透過第二電晶體U1的寄生二極體DU1(為順偏狀態)而流至輸出(寄生)電容CO及負載900，以消耗交流發電機120的部份能量。而定子線圈124U所輸出的另一部份電流將透過導通狀態的第一電晶體L1、導通狀態的第一電晶體L2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的另一部份能量。由於穩壓二極體D1無電流流通而不產生功耗，故可讓穩壓二極體D1降溫。
類似地，若穩壓二極體D1的陰極端的電壓小於寄生二極體DU1的順向偏壓與直流電能的電壓位準VDC之和，則寄生二極體DU1將無法導通，致使定子線圈124U所輸出的電流無法透過第二電晶體U1兩端的寄生二極體(為截止狀態)而流至輸出(寄生)電容CO及負載900，如圖3B所示。此時負載900所需的電力可例如是由輸出(寄生)電容CO來提供，而定子線圈124U所輸出的電流將透過導通狀態的第一電晶體L1、導通狀態的第一電晶體L2而流至定子線圈124V，致使定子部124消耗交流發電機120的能量。
請參照圖4A，圖4A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在第一能量分配模式的能量分配示意圖，其中圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖4A省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。在控制器160進入降溫模式且穩壓二極體D1降溫達第一時間長度之後，或當控制器160在降溫模式下預估或偵測到穩壓二極體D1未過熱時，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1達第二時間長度(亦即直流電能的電壓位準VDC仍大於或等於第一臨界電壓值VTH1)，且定子部124的電流值大於或等於參考電流值IREF，則控制器160將進入第一能量分配模式，例如圖4A所示。此時，控制器160可將偏壓狀態為逆偏狀態的第二電晶體U2關斷，將其餘第二電晶體U1及U3導通，且將第一電晶體L1~L3關斷，致使穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體、定子部124及負載900消耗交流發電機120的能量。
詳細來說，於圖4A所示的第一能量分配模式下，交流發電機120的能量將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、崩潰狀態的穩壓二極體D3、順偏狀態的穩壓二極體D2、定子部124(即定子線圈124V、124U)以及負載900來進行消耗。更進一步來說，若穩壓二極體D1的陰極端的電壓大於直流電能的電壓位準VDC，則定子線圈124U所輸出的一部份電流將透過導通狀態的第二電晶體U1而流至輸出(寄生)電容CO、負載900以及導通狀態的第二電晶體U3與崩潰狀態的穩壓二極體D3，再透過順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的部份能量。而定子線圈124U所輸出的另一部份電流將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的另一部份能量。
在本發明的一實施例中，也可將圖4A的順偏狀態的第一電晶體L2導通，以讓導通的第一電晶體L2取代順偏的穩壓二極體D2來進行能量消耗工作。在本發明的另一實施例中，也可將圖4A的順偏狀態的第二電晶體U1關斷，以讓第二電晶體U1中的寄生二極體DU1取代第二電晶體U1來進行能量消耗工作。
在本發明的一實施例中，當控制器160操作在第一能量分配模式時，若直流電能的電壓位準VDC大於穩壓二極體D1的陰極端的電壓，則輸出(寄生)電容CO不僅可提供負載900所需的電力，輸出(寄生)電容CO還可透過導通狀態的第二電晶體U3與崩潰狀態的穩壓二極體D3進行放電，如圖4B所示。
請參照圖5，圖5是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在第二能量分配模式的能量分配示意圖，其中圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖5省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。在控制器160進入降溫模式且穩壓二極體D1降溫達第一時間長度之後，或當控制器160在降溫模式下預估或偵測到穩壓二極體D1未過熱時，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1達第二時間長度(亦即直流電能的電壓位準VDC仍大於或等於第一臨界電壓值VTH1)，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第二能量分配模式，例如圖5所示。此時，控制器160可將第二電晶體U1~U3導通，且將第一電晶體L1~L3關斷，致使穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體、定子部124及負載900消耗交流發電機120的能量。
詳細來說，於圖5所示的第二能量分配模式下，交流發電機120的能量將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1~D3、定子部124(即定子線圈124V、124U)以及負載900來進行消耗。更進一步來說，定子線圈124U所輸出的一部份電流將透過導通狀態的第二電晶體U1、U2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的部份能量。而定子線圈124U所輸出的另一部份電流將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1流至接地電壓端GND，以消耗交流發電機120的另一部份能量。另外，輸出(寄生)電容CO不僅可提供負載900所需的電力，且輸出(寄生)電容CO還可透過導導通狀態的第二電晶體U2與崩潰狀態的穩壓二極體D2以及通狀態的第二電晶體U3與崩潰狀態的穩壓二極體D3進行放電。
請參照圖6A，圖6A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在第三能量分配模式的能量分配示意圖，其中圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖6A省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。在控制器160進入降溫模式且穩壓二極體D1降溫達第一時間長度之後，或當控制器160在降溫模式下預估或偵測到穩壓二極體D1未過熱時，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值大於或等於參考電流值IREF，則控制器160將進入第三能量分配模式，例如圖6A所示。此時，控制器160可將逆偏狀態的第二電晶體U2關斷，將第二電晶體U1、U3導通，且將第一電晶體L1~L3關斷，致使穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體、定子部124及負載900消耗交流發電機120的能量。
詳細來說，於圖6A所示的第三能量分配模式下，交流發電機120的能量將透過順偏狀態的穩壓二極體D2、定子部124(即定子線圈124V、124U)以及負載900來進行消耗。更進一步來說，定子線圈124U所輸出的電流將透過導通狀態的第二電晶體U1而流至輸出(寄生)電容CO及負載900，再透過順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的能量。在本發明的一實施例中，也可將圖6A的順偏狀態的第一電晶體L2導通，以讓導通的第一電晶體L2取代順偏的穩壓二極體D2來進行能量消耗工作，亦即讓穩壓二極體D2停止消耗交流發電機120的能量。
在本發明的一實施例中，當控制器160操作在第三能量分配模式時，若直流電能的電 壓位準VDC突然大於或等於第一臨界電壓值VTH1，則將導致穩壓二極體D1及D3發生崩潰，例如圖6B所示。此時，定子線圈124U所輸出的一部份電流將透過導通狀態的第二電晶體U1而流至輸出(寄生)電容CO、負載900以及導通狀態的第二電晶體U3與崩潰狀態的穩壓二極體D3，再透過順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的部份能量。而定子線圈124U所輸出的另一部份電流將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的另一部份能量。
另外，圖6A及圖6B所示的輸出(寄生)電容CO為充電狀態，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，輸出(寄生)電容CO也可為放電狀態而對負載900供電。
請參照圖7A，圖7A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在第四能量分配模式的能量分配示意圖，其中圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖7A省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。在控制器160進入降溫模式且穩壓二極體D1降溫達第一時間長度之後，或當控制器160在降溫模式下預估或偵測到穩壓二極體D1未過熱時，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第四能量分配模式，例如圖7A所示。此時，控制器160可將第二電晶體U1~U3關斷，且將第一電晶體L1~L3關斷，致使穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體、定子部124及負載900消耗交流發電機120的能量。
詳細來說，於圖7A所示的第四能量分配模式下，交流發電機120的能量將透過順偏狀態的穩壓二極體D2、定子部124(即定子線圈124V、124U)以及負載900來進行消耗。更進一步來說，定子線圈124U所輸出的電流將透過第二電晶體U1中的寄生二極體DU1(為順偏狀態)而流至輸出(寄生)電容CO及負載900，再透過順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的能量。在本發明的一實施例中，也可將圖7A的順偏狀態的第一電晶體L2導通，以讓導通的第一電晶體L2取代順偏的穩壓二極體D2來進行能量消耗工作，亦即穩壓二極體D2停止消耗交流發電機120的能量。
在本發明的一實施例中，當控制器160操作在圖7A的第四能量分配模式時，若直流電能的電壓位準VDC突然大於或等於第一臨界電壓值VTH1，則將導致穩壓二極體D1發生崩潰，例如圖7B所示。此時，定子線圈124U所輸出的一部份電流將透過第二電晶體U1的寄生二極體DU1(為順偏狀態)而流至輸出(寄生)電容CO及負載900，再透過順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的部份能量。而定子線圈124U所輸出的另一部份電流將透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、順偏狀態的穩壓二極體D2而流至定子線圈124V，以消耗交流發電機120的另一部份能量。
另外，圖7A及圖7B所示的輸出(寄生)電容CO為充電狀態，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，輸出(寄生)電容CO也可為放電狀態而對負載900供電。
請參照圖7C，圖7C是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在第四能量分配模式的能量分配示意圖，其中圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖7C省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。在控制器160進入降溫模式且穩壓二極體D1降溫達第一時間長度之後，或當控制器160在降溫模式下預估或偵測到穩壓二極體D1未過熱時，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第四能量分配模式，例如圖7C所示。此時，控制器160可將第二電晶體U1~U3關斷，且將第一電晶體L1~L3導通，致使定子部124及第一電晶體L1~L3中的部份第一電晶體消耗交流發電機120的能量。
詳細來說，於圖7C所示的第四能量分配模式下，交流發電機120的能量將透過導通狀態的第一電晶體L1及L2及定子部124(即定子線圈124V、124U)來進行消耗，而輸出(寄生)電容CO為放電狀態以對負載900供電。此時，不會透過穩壓二極體D1~D3來消耗交流發電機120的能量。
請參照圖7D，圖7D是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在第四能量分配模式的能量分配示意圖，其中圖式中的箭號表示電流的流向，另外，為了簡潔起見，圖7D省略繪示控制器160與第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3之間的耦接路徑。在控制器160進入降溫模式且穩壓二極體D1降溫達第一時間長度之後，或當控制器160在降溫模式下預估或偵測到穩壓二極體D1未過熱時，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第四能量分配模式，例如圖7D所示。此時，控制器160可將第二電晶體U1~U3導通，且將第一電晶體L1~L3關斷，致使定子部124及第二電晶體U1~U3中的部份第二電晶體消耗交流發電機120的能量。
詳細來說，於圖7D所示的第四能量分配模式下，交流發電機120的能量將透過導通狀態的第二電晶體U1及U2及定子部124(即定子線圈124V、124U)來進行消耗，而輸出(寄生)電容CO為放電狀態以對負載900供電。此時，不會透過穩壓二極體D1~D3來消耗交流發電機120的能量。
以下將針對上述降溫模式、第一能量分配模式、第二能量分配模式、第三能量分配模式及第四能量分配模式之間的變換作更進一步的說明。
在本發明的一實施例中，於上述圖4A或圖4B所示的第一能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第二能量分配模式，以將第二電晶體U1~U3導通，並將第一電晶體L1~L3關斷，以將交流發電機120的能量透過崩潰狀態的穩壓二極體D1~D3、定子部124(即定子線圈124V、124U)以及負載900來進行消耗，其中同步整流發電機100內部的電流的方向可例如圖5所示。關於第二能量分配模式的詳細運作可參照上述圖5的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖4A或圖4B所示的第一能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1達第二時間長度，表示穩壓二極體D1及D3已崩潰並消耗交流發電機120的能量達第二時間長度，因此必須讓穩壓二極體D1及D3降溫，以避免穩壓二極體D1及D3的溫度過高而損壞。此時，控制器160將進入降溫模式，以將第一電晶體L1~L3導通並將第二電晶體U1~U3關斷(或是將逆偏狀態的第一電晶體L1及順偏狀態的第一電晶體L2導通並將第一電晶體L3及第二電晶體U1~U3關斷)，致使穩壓二極體D1~D3無電流流通而降溫，此時是由定子部124及負載900來消耗交流發電機120的能量，其中同步整流發電機100內部的電流的方向可例如圖3A或圖3B所示。關於降溫模式的詳細運作可參照上述圖3A或圖3B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖4A或圖4B所示的第一能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值大於或等於參考電流值IREF，則控制器160將進入第三能量分配模式，以將逆偏狀態的第二電晶體U2關斷，將第二電晶體U1、U3導通，且將第一電晶體L1~L3關斷，致使穩壓二極體D1~D3中的至少部份穩壓二極體、定子部124及負載900消耗交流發電機120的能量。關於第三能量分配模式的詳細運作可參照上述圖6A及圖6B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖4A或圖4B所示的第一能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第四能量分配模式。關於第四能量分配模式的詳細運作可參照上述圖7A~圖7D的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖5所示的第二能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1，且定子部124的電流值大於或等於參考電流值IREF，則控制器160將進入第一能量分配模式，以將偏壓狀態為逆偏狀態的第二電晶體U2關斷，將其餘第二電晶體U1及U3導通，且將第一電晶體L1~L3關斷，致使交流發電機120的能量透過崩潰狀態的穩壓二極體D1、崩潰狀態的穩壓二極體D3、順偏狀態的穩壓二極體D2、定子部124(即定子線圈124V、124U)以及負載900來進行消耗。關於第一能量分配模式的詳細運作可參照上述圖4A及圖4B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖5所示的第二能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1達第二時間長度，表示穩壓二極體D1~D3已崩潰並消耗交流發電機120的能量達第二時間長度，因此必須讓穩壓二極體D1~D3降溫，以避免穩壓二極體D1~D3的溫度過高而損壞。此時，控制器160將進入降溫模式。關於降溫模式的詳細運作可參照上述圖3A及圖3B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖5所示的第二能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值大於或等於參考電流值IREF，則控制器160將進入第三能量分配模式。關於第三能量分配模式的詳細運作可參照上述圖6A及圖6B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖5所示的第二能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第四能量分配模式。關於第四能量分配模式的詳細運作可參照上述圖7A~圖7D的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖6A或圖6B所示的第三能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1達第二時間長度，表示穩壓二極體D1~D3中的部份穩壓二極體已消耗交流發電機120的能量達第二時間長度，因此必須讓穩壓二極體D1~D3降溫，以避免穩壓二極體D1~D3的溫度過高而損壞。此時，控制器160將進入降溫模式。關於降溫模式的詳細運作可參照上述圖3A及圖3B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖6A或圖6B所示的第三能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則控制器160將進入第四能量分配模式。關於第四能量分配模式的詳細運作可參照上述圖7A~圖7D的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖7A~圖7D中任一者所示的第四能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC大於或等於第一臨界電壓值VTH1達第二時間長度，則控制器160將進入降溫模式以讓穩壓二極體D1~D3降溫，以避免穩壓二極體D1~D3的溫度過高而損壞。關於降溫模式的詳細運作可參照上述圖3A及圖3B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖7A~圖7D中任一者所示的第四能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值大於或等於參考電流值IREF，則控制器160將進入第三能量分配模式。關於第三能量分配模式的詳細運作可參照上述圖6A及圖6B的相關說明，在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，於上述圖7A~圖7D中任一者所示的第四能量分配模式下，若直流電能的電壓位準VDC小於第二臨界電壓值VTH2，且定子部124的電流值小於參考電流值IREF，則表示交流發電機120的能量已消耗完畢，因此控制器160可進入正常運作模式。於正常運作模式下，控制器160可根據負載900的需求而控制第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3的啟閉，以將交流發電機120的交流電能整流為直流電能。
以下請合併參照圖1及圖8，圖8是依照本發明一實施例所繪示的同步整流發電機的能量分配方法的步驟流程示意圖，可用於圖1的同步整流發電機100，但不限於此。首先，於步驟S800中，可透過控制器160來偵測同步整流電路140整流後的直流電壓位準VDC。接著，於步驟S810中，可透過控制器160判斷直流電壓位準VDC是否大於或等於第一臨界電壓值VTH1以得到判斷結果。若步驟S810的判斷結果為否，則回到步驟S800。相對地，若步驟S810的判斷結果為是，則透過控制器160來控制第一電晶體L1~L3及第二電晶體U1~U3的啟閉，致使穩壓二極體D1~D3中的至少一者、定子部124及同步整流發電機100的負載900至少其中之一消耗交流發電機120的能量，如步驟S820所示。
另外，本發明的實施例的同步整流發電機的能量分配方法的實施細節，可由圖1至圖7D實施例的敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，故不再贅述。
綜上所述，本發明實施例的同步整流發電機及其能量分配方法，可在同步整流發電機發生拋載現象時，透過穩壓二極體、定子部及負載至少其中之一來共同宣洩或消耗交流發電機的能量，以避免僅由崩潰的穩壓二極體來消耗交流發電機的能量而導致穩壓二極體溫度過高而損壞的問題，以及避免僅由定子部來消耗交流發電機的能量而導致定子部溫度過高及能量消耗時間過久的問題。因此，本發明實施例的同步整流發電機及其能量分配方法可快速地且安全地將交流發電機中的能量予以宣洩或消耗，並限制整流電路所輸出的直流電壓，以在拋載現象發生時保護同步整流發電機的元件或負載。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧同步整流發電機
120‧‧‧交流發電機
122‧‧‧轉子部
124‧‧‧定子部
124U、124V、124W‧‧‧定子線圈
140‧‧‧同步整流電路
160‧‧‧控制器
900‧‧‧負載
CO‧‧‧輸出(寄生)電容或蓄電池
D1~D3‧‧‧穩壓二極體
DU1‧‧‧寄生二極體
GND‧‧‧接地電壓端
IREF‧‧‧參考電流值
L1~L3‧‧‧第一電晶體
S800、S810、S820‧‧‧步驟
U1~U3‧‧‧第二電晶體
VDC‧‧‧電壓位準
VTH1‧‧‧第一臨界電壓值
VTH2‧‧‧第二臨界電壓值
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。 圖1是依照本發明一實施例所繪示的同步整流發電機的電路方塊示意圖。 圖2A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機發生拋載現象時的能量分配示意圖。 圖2B是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機發生拋載現象時的能量分配示意圖。 圖3A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在降溫模式下的能量分配示意圖。 圖3B是依照本發明另一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在降溫模式下的能量分配示意圖。 圖4A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第一能量分配模式的能量分配示意圖。 圖4B是依照本發明另一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第一能量分配模式的能量分配示意圖。 圖5是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第二能量分配模式的能量分配示意圖。 圖6A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第三能量分配模式的能量分配示意圖。 圖6B是依照本發明另一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第三能量分配模式的能量分配示意圖。 圖7A是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第四能量分配模式的能量分配示意圖。 圖7B是依照本發明一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第四能量分配模式的能量分配示意圖。 圖7C是依照本發明又一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機於控制器操作在第四能量分配模式的能量分配示意圖。 圖7D是依照本發明又一實施例所繪示的圖1的同步整流發電機100於控制器160操作在第四能量分配模式的能量分配示意圖。 圖8是依照本發明一實施例所繪示的同步整流發電機的能量分配方法的步驟流程示意圖。

Claims (14)

  1. 一種同步整流發電機，用以提供一直流電能至一負載，該同步整流發電機包括： 一交流發電機，具有一轉子部及一定子部，用以將一機械能轉換為一交流電能，其中該定子部具有多個定子線圈； 一同步整流電路，電性連接至該定子部，用以將該交流電能轉換為該直流電能，該同步整流電路包括： 多個第一電晶體，該些第一電晶體的每一者耦接在該些定子線圈的其中一者與該負載的第一端之間； 多個第二電晶體，該些第二電晶體的每一者耦接在該些定子線圈的其中一者與該負載的第二端之間；以及 至少一穩壓二極體，該至少一穩壓二極體的每一者耦接在該些第一電晶體及該些第二電晶體的其中一者的兩端，以限制該直流電能的一電壓位準，以及 一控制器，耦接該同步整流電路以偵測該直流電能的該電壓位準，在該控制器偵測到該直流電能的該電壓位準大於或等於一第一臨界電壓值時，該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體中的至少部份穩壓二極體、該定子部及該負載至少其中之一消耗該交流發電機的能量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的同步整流發電機，當該控制器偵測到該直流電能的該電壓位準大於或等於該第一臨界電壓值，且該控制器預估或偵測到該至少一穩壓二極體未過熱時，該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體消耗該交流發電機的能量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的同步整流發電機，當該控制器偵測到該直流電能的該電壓位準小於一第二臨界電壓值時，該至少一穩壓二極體停止消耗該交流發電機的能量，其中該第一臨界電壓值大於或等於該第二臨界電壓值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的同步整流發電機，當該控制器偵測到該直流電能的該電壓位準大於或等於該第一臨界電壓值，且該控制器預估或偵測到該至少一穩壓二極體過熱時，該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該定子部消耗該交流發電機的能量，或是致使該定子部與該負載消耗該交流發電機的能量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的同步整流發電機，當該控制器偵測到該直流電能的該電壓位準仍大於或等於該第一臨界電壓值，且該控制器預估或偵測到該至少一穩壓二極體未過熱時, 該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體消耗該交流發電機的能量。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的同步整流發電機，當該至少一穩壓二極體降溫達一第一時間長度後，且該控制器偵測到該直流電能的該電壓位準仍大於或等於該第一臨界電壓值時，該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體消耗該交流發電機的能量。
  7. 如申請專利範圍第5-6項任一項所述的同步整流發電機，當該控制器偵測到該直流電能的該電壓位準小於一第二臨界電壓值時，該至少一穩壓二極體停止消耗該交流發電機的能量，其中該第一臨界電壓值大於或等於該第二臨界電壓值。
  8. 一種同步整流發電機的能量分配方法，該同步整流發電機包括一交流發電機、一同步整流電路以及一控制器，該方法包括： 透過該控制器偵測該同步整流電路整流後的一直流電壓位準； 透過該控制器判斷該直流電壓位準是否大於或等於一第一臨界電壓值以得到一判斷結果； 若該判斷結果為是，透過該控制器控制該同步整流電路的多個第一電晶體及多個第二電晶體的啟閉，致使該同步整流電路的至少一穩壓二極體、該交流發電機的一定子部及該同步整流發電機的一負載至少其中之一消耗該交流發電機的能量。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的同步整流發電機的能量分配方法，其中透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉的步驟包括： 透過該控制器預估或偵測該至少一穩壓二極體是否過熱；以及 若該至少一穩壓二極體未過熱，透過該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體消耗該交流發電機的能量。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的同步整流發電機的能量分配方法，其中透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉的步驟更包括： 透過該控制器偵測該直流電能的該電壓位準是否小於一第二臨界電壓值；以及 若該直流電能的該電壓位準小於該第二臨界電壓值，透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體停止消耗該交流發電機的能量，其中該第一臨界電壓值大於或等於該第二臨界電壓值。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的同步整流發電機的能量分配方法，其中透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉的步驟包括： 透過該控制器預估或偵測該至少一穩壓二極體是否過熱；以及 若該至少一穩壓二極體過熱，則透過該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該定子部消耗該交流發電機的能量，或是致使該定子部與該負載消耗該交流發電機的能量。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的同步整流發電機的能量分配方法，其中透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉的步驟更包括： 若該直流電能的該電壓位準仍大於或等於該第一臨界電壓值，且該至少一穩壓二極體未過熱,則透過該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體消耗該交流發電機的能量。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的同步整流發電機的能量分配方法，其中透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉的步驟更包括： 在該至少一穩壓二極體降溫達一第一時間長度後，若該直流電能的該電壓位準仍大於或等於該第一臨界電壓值，則透過該控制器控制該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體消耗該交流發電機的能量。
  14. 如申請專利範圍第12-13項所述的同步整流發電機的能量分配方法，其中透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉的步驟更包括： 透過該控制器偵測該直流電能的該電壓位準是否小於一第二臨界電壓值；以及 若該直流電能的該電壓位準小於該第二臨界電壓值，則透過該控制器控制該同步整流電路的該些第一電晶體及該些第二電晶體的啟閉，致使該至少一穩壓二極體停止消耗該交流發電機的能量，其中該第一臨界電壓值大於或等於該第二臨界電壓值。
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