WO2020026427A1 - 整流装置及びそれを備えた車両用交流発電装置 - Google Patents

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mosfet
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voltage
negative electrode
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眞一郎 南
勝也 辻本
小紫　啓一
真吾 井上
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present application relates to a rectifier and an AC generator for a vehicle including the rectifier.
  • both the semiconductor element on the positive electrode side and the semiconductor element on the negative electrode side have a PN junction diode. Also, a Schottky barrier diode that can reduce the forward drop voltage is used.
  • a MOSFET can lower the voltage drop and has a small leakage current, but is expensive, so that using MOSFETs on both the positive electrode side and the negative electrode side increases the cost. there were.
  • the rectifier according to the present application is: A semiconductor element on the positive side connected to the output terminal on the positive side and a semiconductor element on the negative side connected to the output terminal on the negative side are connected in series, and the connection point of the series connection is connected to the corresponding AC power supply.
  • the semiconductor element on the positive electrode side and the semiconductor element on the negative electrode side have at least a rectifying function of flowing a current from the negative electrode side to the positive electrode side,
  • One of the semiconductor element on the positive electrode side and the semiconductor element on the negative electrode side is a MOSFET for all of the n sets,
  • the other of the semiconductor element on the positive electrode side and the semiconductor element on the negative electrode side is a specific diode for at least one of the n sets,
  • the specific diode is a Schottky barrier diode or a MOS diode which is a MOSFET in which a drain terminal and a gate terminal are short-circuited.
  • the vehicle AC generator according to the present application includes the rectifier and the n-phase winding as the AC power supply.
  • the specific diode is used for at least one of the n sets on the other of the positive electrode side and the negative electrode side
  • MOSFETs are provided on both the positive electrode side and the negative electrode side.
  • the cost can be reduced as compared with the case where it is used.
  • the MOSFET is used on one of the positive electrode side and the negative electrode side
  • rectification loss can be reduced as compared with the case where a Schottky barrier diode is used on both the positive electrode side and the negative electrode side.
  • the leakage current can be reduced by the MOSFETs provided on one of the positive electrode side and the negative electrode side, and even if a Schottky barrier diode is used, an increase in the leakage current flowing through the series circuit can be suppressed. Since the MOS diode has a small leakage current, an increase in the leakage current can be suppressed. Therefore, increase in cost, rectification loss, and leakage current can be suppressed.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a rectifier and a vehicle power generator according to Embodiment 1.
  • 3 is a time chart for explaining a phase voltage waveform according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating reduction of rectification loss according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating reduction of leakage current according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a current path when a high-voltage surge according to the first embodiment occurs.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the vehicle power generation device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of the vehicle power generator according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a partial perspective view of the rectifier according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is an exploded partial perspective view of the rectifier according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a package of the MOSFET according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram of one surface of a chip of the MOSFET according to the first embodiment;
  • FIG. 2 is a diagram of the other surface of the MOSFET chip according to the first embodiment;
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a rectifier and a vehicular power generator according to a second embodiment. 9 is a time chart for explaining a phase voltage waveform according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional view of a vehicle power generator according to Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a partial perspective view of a rectifier according to another embodiment.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of the rectifier 1 and the power generator 10 for a vehicle.
  • the vehicle power generation device 10 includes a stator 39 fixed to a housing 34 and a rotation member disposed radially inside the stator 39 and rotatably supported by the housing 34. And a child 38 (see FIG. 6).
  • the stator 39 is provided with three-phase windings 9U, 9V, and 9W, and the rotor 38 is provided with the field winding 14.
  • the three-phase windings 9U, 9V, and 9W are star-connected.
  • the three-phase windings 9U, 9V, and 9W may be ⁇ -connected or staggered-connected.
  • the vehicle power generation device 10 generates power by the rotational driving force of the engine.
  • the rotating shaft 36 of the rotor 38 is connected to a crankshaft of the engine via a connecting mechanism such as a pulley and a belt mechanism.
  • the field winding 14 is connected in series between the positive output terminal 5 and the negative output terminal 6 via a switching element 15 for the field winding.
  • a freewheel diode 16 is connected in parallel to the field winding 14 and returns a current flowing through the field winding 14 when the switching element 15 for the field winding is off.
  • a MOSFET or the like is used for the switching element 15 for the field winding.
  • the gate terminal of the switching element 15 for the field winding is connected to the drive circuit 9 provided in the voltage control circuit 12.
  • the terminal of the U-phase winding 9U is connected to the voltage control circuit 12, and the voltage control circuit 12 detects the rotation speed of the rotor 38 based on the fluctuation of the terminal voltage of the U-phase winding 9U. I do.
  • the voltage control circuit 12 drives the switching element 15 for the field winding on and off so that the generated voltage of the vehicle power generator 10 approaches a target voltage (for example, 14 V).
  • the vehicle power generator 10 includes the rectifier 1 that rectifies the three-phase AC voltage output from the three-phase windings 9U, 9V, and 9W and converts the voltage into a DC voltage.
  • the rectifier 1 includes a series circuit in which a positive-side semiconductor element 2 connected to a positive-side output terminal 5 and a negative-side semiconductor element 3 connected to a negative-side output terminal 6 are connected in series. Set is provided. A connection point 11 of the series connection of the semiconductor element 2 on the positive electrode side and the semiconductor element 3 on the negative electrode side is connected to a corresponding winding as an AC power supply.
  • power storage device 101 is a 14 V lead storage battery.
  • the semiconductor element 2 on the positive electrode side and the semiconductor element 3 on the negative electrode side have at least a rectifying function of flowing a current from the negative electrode side to the positive electrode side.
  • One of the semiconductor element 2 on the positive electrode side and the semiconductor element 3 on the negative electrode side is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) for all three sets.
  • the other of the semiconductor element 2 on the positive electrode side and the semiconductor element 3 on the negative electrode side is a specific diode for at least one (all in this example) of three sets.
  • the specific diode is a Schottky barrier diode (hereinafter referred to as SBD (Schottky Barrier Diode)).
  • SBD Schottky Barrier Diode
  • the SBD is a diode using a Schottky barrier generated by a junction between a metal and a semiconductor.
  • an SBD has a lower forward voltage drop and a higher switching speed than a PN junction diode, but has a large reverse leakage current and a low reverse breakdown voltage.
  • the semiconductor element 2 on the positive electrode side is a MOSFET for all three sets.
  • the semiconductor element 3 on the negative electrode side is SBD for all three sets.
  • the drain terminal D of the positive side MOSFET is connected to the output terminal 5 on the positive side
  • the source terminal S of the positive side MOSFET is connected to the cathode terminal K of the negative side SBD
  • the anode terminal A of the SBD on the side is connected to the output terminal 6 on the negative side.
  • a connection point 11 between the MOSFET on the positive side and the SBD on the negative side is connected to a corresponding winding.
  • the MOSFET on the positive side has a parasitic diode 7 formed by a PN junction.
  • the cathode terminal of the parasitic diode 7 is connected to the output terminal 5 on the positive side.
  • the anode terminal of the parasitic diode 7 is connected to the output terminal on the negative side. 6 side. Therefore, the parasitic diode 7 of the MOSFET on the positive electrode side and the SBD on the negative electrode side have a rectifying function of flowing a current from the negative electrode side to the positive electrode side.
  • the rectifier 1 includes a control circuit 8 that drives each of the positive-side MOSFETs on and off.
  • each of the positive-side MOSFETs is provided with an integrated circuit (IC) as a control circuit 8 for driving the MOSFETs on and off.
  • the control circuit 8 is connected to the drain terminal D and the source terminal S of the MOSFET, and detects the voltage at the drain terminal D and the source terminal S.
  • the control circuit 8 is connected to the gate terminal G of the MOSFET, outputs an ON signal to the gate terminal G when the voltage of the source terminal S exceeds the voltage of the drain terminal D, and turns on the MOSFET. I do.
  • the control circuit 8 when the voltage of the source terminal S is lower than the voltage of the drain terminal D, the control circuit 8 outputs an off signal to the gate terminal G to turn off the MOSFET.
  • the control circuit 8 sets the ON point of the MOSFET on the basis of the point in time when the difference voltage obtained by subtracting the voltage of the drain terminal D from the voltage of the source terminal S exceeds a preset ON determination threshold, and The off point of the MOSFET is set based on the point in time when the value falls below a preset off determination threshold.
  • FIG. 2 shows a phase voltage waveform of any one phase (for example, U phase).
  • the U-phase phase voltage VU corresponds to the voltage at the connection point 11U connected to the U-phase winding, the voltage at the source terminal S of the U-phase positive side MOSFET, and the cathode of the U-phase negative side SBD. It becomes equal to the voltage of the terminal K.
  • the voltage VB of the output terminal 5 on the positive electrode side is equal to the voltage of the drain terminal D of the MOSFET on the U-phase positive electrode side.
  • the voltage VN at the negative output terminal 6 is equal to the voltage at the anode terminal A of the U-phase negative SBD.
  • the U-phase positive voltage As shown in FIG. 2, during the period when the U-phase phase voltage VU (the voltage at the source terminal S) exceeds the voltage VB (the voltage at the drain terminal D) at the positive output terminal 5, the U-phase positive voltage Are turned on.
  • the U-phase positive-side MOSFET is turned off at both ends of the period exceeding the period.
  • the source terminal S and the drain terminal D conduct, and the voltage drop from the source terminal S to the drain terminal D is the voltage obtained by multiplying the resistance of the n-type semiconductor in the MOSFET by the current flowing. For example, under a condition of 25 ° C. and a current of 100 A, the voltage drops to 0.1 V or less.
  • the voltage drop from the source terminal S to the drain terminal D is a forward voltage drop of the parasitic diode 7 due to the PN junction. The voltage drops to about 0.7V. Therefore, by turning on the MOSFET during a period when the voltage of the source terminal S exceeds the voltage of the drain terminal D, rectification loss in the MOSFET can be significantly reduced. Note that the rectification loss is an integrated value of a value obtained by multiplying a voltage drop indicated by hatching in FIG. 2 by an energizing current.
  • the voltage drop from the anode terminal A to the cathode terminal K is , SBD, for example, under a condition of 25 ° C. and a current of 100 A, a voltage drop of about 0.6 V, and a rectification loss corresponding to the voltage drop of 0.6 V occurs.
  • the rectification loss is 35 %, And the power generation efficiency of the vehicle power generation device 10 can be improved.
  • FIG. 4 shows the leakage current of the rectifier 1 when the vehicle power generator 10 is stopped.
  • the voltage of the power storage device 101 is applied to the rectifier 1 even when the vehicle power generator 10 is stopped.
  • the leakage current flowing from the positive electrode side to the negative electrode side in each series circuit increases exponentially as the element temperature increases. For example, at an element temperature of 120 ° C., a leakage current of several mA occurs. When the leakage current increases, the heat generated by the element increases. Therefore, in the comparative example, it is necessary to carefully design the heat of the cooling mechanism and the like so that thermal runaway does not occur.
  • the leakage current of the parasitic diode 7 due to the PN junction is smaller than that of the SBD. Therefore, in the present embodiment using the MOSFET on the positive electrode side and the SBD on the negative electrode side, in each series circuit, the leakage current can be reduced by the MOSFET on the positive electrode side, and even if the element temperature becomes high, each series circuit Is suppressed from increasing. For example, even at an element temperature of 120 ° C., the leakage current can be suppressed to about 0.1 mA. Therefore, in the present embodiment, the concern of thermal runaway can be eliminated, and the reliability of the device can be improved.
  • the breakdown voltage of the SBD on the negative electrode side is lower than the clamp voltage of the MOSFET on the positive electrode side.
  • the drain-source difference voltage which is obtained by subtracting the voltage of the source terminal S from the voltage of the drain terminal D
  • a clamp circuit is provided to prevent the source difference voltage from exceeding the clamp voltage.
  • the clamp voltage is set lower than the breakdown voltage of the parasitic diode 7 so that the MOSFET does not fail due to the breakdown of the parasitic diode 7.
  • Types of the clamp circuit include an active clamp circuit having a Zener diode between the drain terminal D and the source terminal S, an avalanche clamp circuit having a Zener diode connected in anti-parallel to the MOSFET, and the like.
  • the clamp circuit is built in the control circuit 8 (IC).
  • the SBD on the negative electrode breaks down before the clamp circuit of the MOSFET on the positive electrode operates. Then, the terminal voltages of the three-phase windings 9U, 9V, and 9W can be fixed to the breakdown voltage of the SBD on the negative side, so that an excessive voltage is not applied to the MOSFET on the positive side.
  • the phase voltage of the V-phase winding 9V becomes lower than that of the electric wire on the negative side, and the current flows from the electric wire on the negative side to the V-phase winding 9V through the SBD 3V on the negative side of the V-phase to the electric wire on the negative side.
  • the potential difference at the connection point 11V of the V-phase series circuit is fixed to a negative value of the forward drop voltage of the SBD.
  • the phase voltage of the W-phase winding 9W becomes lower than that of the negative wire, and the current flows from the negative wire through the W-phase negative SBD 3W to the W-phase winding 9W, and the current to the negative wire is reduced.
  • the potential difference at the connection point 11W of the W-phase series circuit is fixed to a negative value of the forward drop voltage of the SBD.
  • the three SBDs on the negative electrode side can prevent the voltages at the connection points 11U, 11V, and 11W of the series circuit of each phase from exceeding the breakdown voltage of the SBD. Voltage can be prevented from being applied. In addition, energy can be consumed by the three SBDs on the negative electrode side to attenuate the high voltage surge. In addition, since energy is consumed in a well-balanced manner by the three SBDs on the negative electrode side, it is possible to prevent the SBDs from generating uneven heat. Therefore, by using the MOSFET on the positive electrode side and the SBD on the negative electrode side, the MOSFET can be protected from a high voltage surge, and the high voltage surge can be efficiently attenuated by the power consumption of the SBD.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the vehicular power generating device 10 cut along a plane passing through the axis of the rotating shaft 36.
  • the vehicle power generator 10 includes a stator 39 fixed to the housing 34 and a rotor 38 disposed radially inside the stator 39 and rotatably supported by the housing 34.
  • the rotor 38 and the stator 39 are housed in the housing 34.
  • the rotation shaft 36 penetrates the center of the rotor 38 and rotates integrally with the rotor 38.
  • the rotating shaft 36 is rotatably supported on the housing 34 via bearings 35 on both sides of the stator 39 in the axial direction.
  • the housing 34 includes a front housing 32 and a rear housing 33.
  • the front housing 32 has a cylindrical outer peripheral wall and a disk-shaped side wall extending radially inward from the front end of the outer peripheral wall, and the rotation shaft 36 penetrates the center of the side wall. , A through hole to which the bearing 35 is fixed is provided.
  • the rear housing 33 has a cylindrical outer peripheral wall, and a disk-shaped side wall extending radially inward from the rear end of the outer peripheral wall, and the rotation shaft 36 penetrates the center of the side wall. , A through hole to which the bearing 35 is fixed is provided.
  • the front housing 32 and the rear housing 33 are connected by bolts extending in the axial direction.
  • the front end of the rotating shaft 36 penetrates through the through-hole of the front housing 32 and protrudes forward from the front housing 32.
  • the pulley 37 is fixed to this protruding portion.
  • a belt is stretched between the pulley 37 and a pulley fixed to the crankshaft of the engine, and the rotational driving force of the engine is transmitted to the rotating shaft 36.
  • the rear end of the rotating shaft 36 penetrates through the through-hole of the rear housing 33 and protrudes rearward from the rear housing 33.
  • a pair of slip rings 40 are provided on this protruding portion. .
  • the pair of slip rings 40 are connected to the field winding 14 of the rotor 38.
  • the rotor 38 is of a Rundel type (also called a claw pole type).
  • the field core 82 of the rotor 38 includes a cylindrical central portion 57, a front claw portion 58 extending from a front end of the central portion 57 to a radial outside of the central portion 57, And a rear claw portion 59 extending from the rear end portion to the radial outside of the center portion 57.
  • the insulated copper wire of the field winding 14 is wound concentrically around the outer peripheral surface of the central portion 57 of the field iron core 82.
  • the claw portions 58 on the front side and the claw portions 59 on the rear side are provided alternately in the circumferential direction, and have different magnetic poles. For example, six or eight front claw portions 58 and rear claw portions 59 are provided, respectively.
  • the stator 39 is arranged so as to surround the rotor 38 with a small gap therebetween, and has a cylindrical stator core 91 provided with slots, and a three-phase winding wound around the slots of the stator core 91. 9U, 9V, and 9W.
  • the three-phase windings 9U, 9V, and 9W have a front-side coil end portion 43 protruding forward from the stator core 91 and a rear-side coil end portion 44 protruding rearward from the stator core 91. .
  • the lead wires 50 of the three-phase windings 9U, 9V, and 9W pass through the rear housing 33 and extend to the rear side.
  • the front housing 32 and the rear housing 33 are provided at an interval in the axial direction.
  • the stator core 91 is sandwiched from both ends in the axial direction by a rear opening end of the front housing 32 and a front opening end of the rear housing 33.
  • FIG. 7 shows a partial cross-sectional view of a schematic vehicle power generation device 10 for describing the flow of the cooling air on the rear side and the arrangement of each member.
  • a front fan 41 having a plurality of blades is attached to a front end of the field iron core 82, and a plurality of blades are attached to a rear end of the field iron core 82.
  • a rear fan 42 having blades is mounted, and they rotate integrally with the rotor 38.
  • the front-side fan 41 and the rear-side fan 42 send air to the outside in the radial direction, respectively, and cool the front-side coil end portion 43 and the rear-side coil end portion 44 arranged outside in the radial direction.
  • the outer peripheral wall portion of the front housing 32 radially outside the front fan 41 and the outer peripheral wall portion of the rear housing 33 radially outside the rear fan 42 are each dispersed in the circumferential direction. Discharge port 45 is formed. The air sent to the outside in the radial direction by the front fan 41 and the rear fan 42 is discharged outside through the outlet 45 of the front housing 32 and the rear housing 33.
  • a plurality of intake ports 46 distributed in the circumferential direction are respectively provided on a side wall portion of the front housing 32 on the front side of the front fan 41 and a side wall portion of the rear housing 33 on the rear side of the rear fan 42. Are formed.
  • the air drawn into the front fan 41 flows from the front side to the rear side through the suction port 46 in the side wall of the front housing 32.
  • the air drawn into the rear fan 42 flows from the rear side to the front side through the suction port 46 in the side wall of the rear housing 33.
  • the cylindrical space radially outside the rear-side protruding portion of the rotating shaft 36 protruding rearward from the rear-side housing 33 includes the rectifier 1, the pair of brushes 48, the brush holder 49, the voltage control circuit 12, and the like.
  • the circuit is located.
  • the pair of brushes 48 slide on each of the pair of slip rings 40, and the brush holder 49 accommodates the brushes 48.
  • the voltage control circuit 12 controls the electric power supplied to the field winding 14 via the brush 48 and the slip ring 40 as described above.
  • the protection cover 27 has a cylindrical outer peripheral wall and a disk-shaped side wall extending radially inward from a rear end of the outer peripheral wall.
  • a connector 20 for inputting and outputting signals between the voltage control circuit 12 and an external device (not shown) is fixed to an outer peripheral portion of the protective cover 27.
  • a plurality of suction ports 47 are formed on the side wall of the protective cover 27 so as to be dispersed in the circumferential direction and the radial direction.
  • the air sucked into the suction port 46 on the side wall of the rear housing 33 flows from the rear side to the front side through the suction port 47 on the side wall of the protective cover 27.
  • the cooling air flows in the protection cover 27 in the axial direction from the rear side to the front side, and each circuit arranged in the protection cover 27 is cooled.
  • the SBD on the negative electrode side has a larger rectification loss and a larger amount of heat generation than the MOSFET on the positive electrode side.
  • the SBD on the negative electrode side is arranged downstream of the cooling air from the MOSFET on the positive electrode side.
  • the SBD on the negative electrode side is arranged on the front side of the MOSFET on the positive electrode side. Contrary to the present embodiment, if an SBD having a large heat generation is arranged on the upstream side, the cooling of the SBD can be improved, but the cooling air is warmed on the upstream side, and the cooling of the MOSFET on the downstream side is deteriorated.
  • the MOSFET having a small calorific value is arranged on the upstream side, so that the MOSFET on the upstream side can be cooled well, the temperature rise of the cooling air on the upstream side is suppressed, and The deterioration of the cooling of the SBD can be suppressed. That is, in the arrangement of the present embodiment, the cooling efficiency of the entire SBD and MOSFET can be improved.
  • the negative electrode side SBD has a characteristic that the higher the temperature is, the smaller the forward voltage drop from the negative electrode side to the positive electrode side is.
  • the SBD on the negative electrode side is arranged on the downstream side of the cooling air more than the MOSFET on the positive electrode side, so that the SBD on the negative electrode side is arranged more upstream of the cooling air than the MOSFET on the positive electrode side.
  • the temperature of the SBD can be increased. Therefore, the forward voltage drop of the SBD can be reduced, and the rectification loss of the SBD can be reduced.
  • the leakage current of the SBD increases. However, since the leakage current is reduced by the MOSFET on the positive electrode side, the increase in the leakage current of the series circuit is suppressed.
  • the rectifying device 1 includes a heat sink 18A on the positive electrode side and a heat sink 18B on the negative electrode side. All the positive-side MOSFETs are fixed to the positive-side heat sink 18A. All positive electrode side SBDs are fixed to the negative side heat sink 18B. The heat sink 18B on the negative electrode side to which the SBD is fixed is disposed downstream (front side in this example) of the cooling air from the heat sink 18A on the positive electrode side to which the MOSFET is fixed.
  • the rectifier 1 includes a positive-side MOSFET, a negative-side SBD, three-phase windings 9U, 9V, 9W, a positive-side output terminal 5, and a negative-side output terminal 5.
  • a circuit board 19 for connecting the output terminals 5 is provided.
  • FIG. 8 is a partial perspective view of the heat sink 18A on the positive electrode side to which the MOSFET is fixed, the heat sink 18B on the negative electrode side to which the SBD is fixed, and the circuit board 19 viewed obliquely from the rear side.
  • FIG. 9 is an exploded partial perspective view of the heat sink 18A on the positive electrode side, the heat sink 18B on the negative electrode side, and the circuit board 19 disassembled in the axial direction and obliquely viewed from the rear side.
  • the circuit board 19 is sandwiched between the heat sink 18A on the positive electrode side and the heat sink 18B on the negative electrode side in the flow direction of the cooling air.
  • MOSFETAll the MOSFETs on the positive electrode side are arranged on the same plane, and all the SBDs on the negative electrode side are arranged on the same plane.
  • the plane on which all the positive-side MOSFETs are arranged and the plane on which all the negative-side SBDs are arranged are displaced in the flow direction (axial direction in this example) of the cooling air. According to this configuration, the temperature of the MOSFET on the positive electrode side arranged on the same plane can be made uniform, and the temperature of the SBD on the negative electrode side arranged on the same plane can be made uniform.
  • the plane on which all the positive-side MOSFETs are arranged and the plane on which all the negative-side SBDs are arranged are orthogonal to the flow direction (axial direction in this example) of the cooling air. . Therefore, the contact of the cooling air to each MOSFET and each SBD can be made uniform, and the temperature can be made uniform.
  • a cylindrical through-hole is formed in the flat plate-shaped portion of the heat sink 18A on the positive electrode side in the cooling air flow direction (axial direction in this example), and the cylindrical through-hole is formed in the through-hole.
  • MOSFET package is press-fitted.
  • the flat plate portion is formed in an arc plate shape so as to surround the rotation shaft 36, and three through holes are formed dispersedly in the circumferential direction.
  • a plurality of fins 60 that are parallel to the flow direction are provided on the inner peripheral portion of the arc-shaped plate portion, and the cooling performance is enhanced.
  • the MOSFET package includes a copper columnar base portion 54, a planar MOSFET chip 51, a lead portion 55, and an epoxy resin 56. ing.
  • a drain terminal D is provided on one surface of the MOSFET chip 51, and the drain terminal D is joined to one surface of the base portion 54 by soldering.
  • the drain terminal D is connected to the positive output terminal 5 via the base 54 and the positive heat sink 18A.
  • a source terminal S is provided on the other surface of the MOSFET chip 51, and the source terminal S is joined to the lead portion 55 by soldering.
  • the lead portion 55 is connected to the circuit board 19, and is connected to the negative electrode side SBD and the winding via the circuit board 19.
  • the control circuit 8 (IC) is built in the MOSFET chip 51. Then, one surface of the base portion 54, the connection portion between the MOSFET chip 51 and the lead portion 55 are potted with epoxy resin 56, and are formed into a columnar shape having the same cross-sectional area as the base portion 54.
  • the electric test terminal is provided on the surface on the source terminal S side, the area of the source terminal S is smaller than the area of the drain terminal D. Therefore, the drain terminal D having a small thermal resistance is connected to the base portion 54 having a large heat mass and the heat sink 18A on the positive electrode side, so that heat dissipation is improved.
  • the MOSFET package is arranged such that the base portion 54 is on the leeward side (rear side) and the lead portion 55 is on the leeward side (front side). Therefore, the cooling air can be applied to the base portion 54 to which the heat generated by the MOSFET is transmitted in the most upstream direction, and the cooling performance of the MOSFET is enhanced.
  • a cylindrical through-hole penetrating in the flow direction of cooling air (axial direction in this example) is formed in a flat plate-shaped portion of the heat sink 18B on the negative electrode side, and a cylindrical SBD package is pressed into this through-hole. Fitted by fit.
  • the flat plate portion is formed in an arc plate shape so as to surround the rotation shaft 36, and three through holes are formed dispersedly in the circumferential direction.
  • a plurality of fins 61 parallel to the flow direction are provided on the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the arc-shaped plate portion, so that the cooling performance is enhanced.
  • the plate-shaped portion of the heat sink 18A on the positive electrode side and the plate-shaped portion of the heat sink 18B on the negative electrode side are arranged so as to overlap in the flow direction (axial direction).
  • a circuit board 19 is arranged between the parts.
  • the SBD package includes a copper columnar base, a flat SBD chip, a lead, and an epoxy resin.
  • An anode terminal A is provided on one surface of the SBD chip, and the anode terminal A is joined to one surface of the base portion by soldering.
  • the anode terminal A is connected to the output terminal 6 on the negative electrode side via the base portion and the heat sink 18B on the negative electrode side.
  • a cathode terminal K is provided on the other surface of the SBD chip, and the cathode terminal K is joined to the lead portion 62 by soldering.
  • the lead portion 62 is connected to the circuit board 19, and is connected to the positive side MOSFET and the winding via the circuit board 19. Then, one surface of the base portion, the SBD chip, and the connection portion of the lead portion 62 are potted with epoxy resin, and are formed into a columnar shape having the same cross-sectional area as the base portion.
  • the rectification loss is reduced by 35% as compared with the comparative example in which the SBD is used for both the positive and negative electrode semiconductor elements. Can be done.
  • the cooling performance of each semiconductor element is improved by devising the arrangement and configuration. Therefore, the size of the heat sink for cooling each semiconductor element can be reduced. Therefore, the outer diameter D1 of the heat sinks 18A and 18B on the positive electrode side and the negative electrode side can be reduced. For example, as shown in FIGS.
  • the outer diameter D1 of the heat sinks 18A and 18B on the positive electrode side and the negative electrode side is changed to the inner diameter D2 of the outer peripheral wall of the rear housing 33 (particularly, the outer peripheral wall provided with the discharge port 45). (Inner diameter of the portion). Since the outer diameter D1 of the heat sink is reduced, the suction port 47 provided on the rear side wall of the protective cover 27 can be disposed radially inward. Accordingly, the distance between the suction port 47 and the discharge port 45 can be increased, and the warm air discharged from the discharge port 45 can be hardly re-inhaled from the suction port 47, and the cooling performance is improved.
  • Embodiment 2 Next, a rectifier 1 and a vehicle power generator 10 according to Embodiment 2 will be described. The description of the same components as those in the first embodiment is omitted.
  • the semiconductor element 2 on the positive electrode side is SBD for all three sets, and the semiconductor element 3 on the negative electrode is MOSFET and This is different from the first embodiment.
  • the cathode terminal K of the SBD on the positive side is connected to the output terminal 5 on the positive side
  • the anode terminal A of the SBD on the positive side is connected to the drain terminal D of the MOSFET on the negative side
  • the source terminal S of the MOSFET on the side is connected to the output terminal 6 on the negative side.
  • a connection point 11 between the SBD on the positive electrode side and the MOSFET on the negative electrode side is connected to a corresponding winding.
  • Each of the negative-side MOSFETs includes an IC as a control circuit 8 similar to that of the first embodiment, and drives the MOSFETs on and off.
  • FIG. 14 shows a phase voltage waveform of any one phase (for example, U phase).
  • VN voltage at the source terminal S
  • VU phase voltage at the drain terminal D
  • the U-phase positive-side MOSFET is turned on. I have.
  • the U-phase positive-side MOSFET is turned off at both ends of the period exceeding the period.
  • the rectification in this embodiment using the SBD on the positive electrode side and the MOSFET on the negative electrode side is different from the comparative example in which the SBD is used for both the positive electrode side and the negative electrode side semiconductor elements.
  • the loss can be reduced by 35%, and the power generation efficiency of the vehicle power generator 10 can be improved.
  • the leakage current can be reduced by the MOSFET on the negative electrode side, and even if the element temperature becomes high, the increase in the leakage current flowing through each series circuit can be suppressed.
  • the breakdown voltage of the SBD on the positive electrode side is lower than the clamp voltage of the MOSFET on the negative electrode side.
  • the SBD on the positive electrode side breaks down before the clamp circuit of the negative-side MOSFET operates.
  • the terminal voltages of the three-phase windings 9U, 9V, and 9W can be fixed to the breakdown voltage of the positive-side SBD, so that an excessive voltage is not applied to the negative-side MOSFET. .
  • the MOSFET can be protected from the high voltage surge, and the high voltage surge can be efficiently attenuated by the power consumption of the SBD.
  • the SBD on the positive electrode side is arranged downstream of the cooling air from the MOSFET on the negative electrode side.
  • the heat sink 18A on the positive electrode side to which the SBD is fixed is disposed downstream (front side in this example) of the cooling air from the heat sink 18B on the negative electrode side to which the MOSFET is fixed. Therefore, the cooling efficiency of the entire SBD and MOSFET can be improved, and by increasing the temperature of the SBD, the forward voltage drop of the SBD can be reduced, and the rectification loss of the SBD can be reduced.
  • the circuit board 19 is sandwiched between the heat sink 18A on the positive electrode side and the heat sink 18B on the negative electrode side in the flow direction of the cooling air. Further, all the MOSFETs on the negative electrode side are arranged on the same plane, and all the SBDs on the positive electrode side are arranged on the same plane. The plane on which all the MOSFETs on the negative electrode side are arranged and the plane on which all the SBDs on the positive electrode side are arranged are displaced in the flow direction of the cooling air (axial direction in this example).
  • through holes are formed in each of the heat sinks 18A and 18B, and a MOSFET package and an SBD package are fitted into each through hole by press-fitting.
  • the MOSFET package and the SBD package are configured in the same manner as in the first embodiment.
  • the MOSFET package is arranged such that the base portion 54 is on the leeward side (rear side) and the lead portion 55 is on the leeward side (front side).
  • the heat sink 18B on the negative electrode side to which the MOSFET is fixed is arranged on the upstream side of the heat sink 18A on the positive electrode side to which the SBD is fixed.
  • the cooling air can be applied to the MOSFET, thereby improving the cooling performance of the MOSFET.
  • the outer diameter of the heat sinks 18A and 18B on the positive electrode side and the negative electrode side is made smaller than the inner diameter of the outer peripheral wall of the rear housing 33 (in particular, the inner diameter of the outer peripheral wall provided with the discharge port 45).
  • the forward voltage drop of the SBD is about 0.6 V under the conditions of 25 ° C. and 100 A conduction.
  • the forward drop voltage of the SBD is a voltage lower than 0.6 V, for example, an SBD of a very low forward drop voltage of 0.3 V to 0.4 V under the condition of 25 ° C. and 100 A conduction. Used.
  • the forward drop voltage of the SBD is lower than 0.6 V, there is a problem that the leakage current increases.
  • the forward drop voltage is lower than 0.6 V without using a special circuit such as a leakage current control circuit due to a fear of thermal runaway due to leakage current. It has been difficult to adopt SBD.
  • the leakage current can be reduced by the MOSFET on the positive electrode side or the negative electrode side. Therefore, even if an SBD having a forward drop voltage lower than 0.6 V is used, the leakage current of the entire series circuit increases. Can be suppressed.
  • the trade-off between a reduction in the forward drop voltage of the SBD and an increase in the leakage current can be solved by providing a MOSFET on the positive electrode side or the negative electrode side.
  • the rectification loss can be further reduced as compared with the first and second embodiments. Further, since the voltage drop due to the forward drop voltage of the SBD can be suppressed, the output of the rectifier 1 increases. Therefore, the rectifier 1 with high efficiency and high output can be obtained.
  • the shape of the P layer arranged inside the guard ring portion is changed to a stripe shape or a dot shape.
  • man-hours were required for the development of the SBD, and the cost of the SBD was also increasing.
  • the number of steps for developing the SBD can be reduced, and there is no need to use an expensive SBD.
  • the semiconductor element 3 on the negative electrode side is SBD for all three sets.
  • the semiconductor element 2 on the positive electrode side is SBD for all three sets.
  • the embodiment of the present application is not limited to this. That is, in the case of the first embodiment, at least one of the three sets of the semiconductor elements 3 on the negative electrode side may be set as the SBD. One may be SBD.
  • the remaining semiconductor element 3 on the negative electrode side, which is not SBD, may be a MOSFET similar to the MOSFET on the positive electrode side, or may be a diode with a PN junction. In the case of the second embodiment, at least one of the three sets of the semiconductor element 2 on the positive electrode side may be SBD.
  • the semiconductor element 2 on the positive electrode side may be one or two of the three sets. , SBD.
  • the remaining semiconductor element 2 on the positive electrode side, which is not SBD, may be a MOSFET similar to the MOSFET on the negative electrode side, or may be a diode with a PN junction.
  • three sets of series circuits are provided, three-phase windings 9U, 9V, and 9W are provided as AC power supplies, and a three-phase full-wave rectifier circuit is used as an example.
  • the embodiment of the present application is not limited to this. That is, two or more sets of series circuits may be provided.
  • two sets of three-phase windings may be provided as an AC power supply, and six sets of series circuits may be provided. Five-phase windings may be provided as an AC power supply, and five sets of series circuits may be provided.
  • the AC power supply may be a one-phase commercial AC power supply or the like, and two sets of series circuits may be provided as a single-phase full-wave rectifier circuit.
  • the rectifier 1 is provided in the vehicle power generator 10 as an example.
  • the embodiment of the present application is not limited to this. That is, the rectifying device 1 may be used in a device other than the vehicle power generator 10.
  • the rectifier 1 may be used for a power generator for wind power, hydraulic power, or the like, or may be used for a converter that converts commercial AC power to DC power.
  • the Schottky barrier diode SBD is used as the specific diode.
  • the embodiment of the present application is not limited to this. That is, a MOS diode which is a MOSFET in which the drain terminal and the gate terminal are short-circuited may be used as the specific diode.
  • the drain terminal of the MOS diode is connected to the positive electrode, and the source terminal of the MOS diode is connected to the negative electrode.
  • the forward voltage drop of the MOS diode from the source terminal to the drain terminal becomes larger than the voltage drop when the normal MOSFET is turned on, and becomes equal to the forward voltage drop of the SBD.
  • the leakage current of the MOS diode from the drain terminal to the source terminal is equal to the leakage current of a normal MOSFET, and is smaller than the leakage current of the SBD. Therefore, even if a MOS diode is used as the specific diode, rectification loss can be reduced and leakage current can be reduced. Since the MOS diode does not require the control circuit 8 and the clamp circuit, the MOS diode is cheaper than the MOSFET having the control circuit 8 and the clamp circuit. Also, various SBDs such as a junction barrier Schottky diode may be used as the SBD.
  • the forward drop voltage of the SBD is about 0.6 V under the conditions of 25 ° C. and 100 A conduction
  • the forward drop voltage of the SBD is , 25 ° C., and 100 A, and the case where the voltage is about 0.3 V to 0.4 V has been described as an example.
  • the forward drop voltage of the SBD may be, for example, a voltage in the range of 0.3 V to 0.65 V under the conditions of 25 ° C. and 100 A conduction.
  • each of the MOSFETs is provided with an IC as the control circuit 8
  • the embodiment of the present application is not limited to this. That is, one control circuit may be provided for all MOSFETs as the control circuit 8, and one control circuit may be provided when the voltage of the source terminal S exceeds the voltage of the drain terminal D for each MOSFET. Alternatively, an on signal may be output to the gate terminal G to turn on the MOSFET.
  • the heat sinks on the positive electrode side and the negative electrode side are formed with the cylindrical through-holes penetrating in the flow direction (axial direction) of the cooling air, and the cylindrical MOSFETs are formed in the through-holes.
  • the package of the columnar SBD are fitted by press-fitting as an example.
  • the embodiment of the present application is not limited to this. That is, as shown in the partial perspective view of FIG. 16, a rectangular parallelepiped through hole is formed in the heat sinks on the positive electrode side and the negative electrode side in the flow direction (axial direction) of the cooling air, and the rectangular parallelepiped through hole is formed in the through hole.
  • MOSFET package and rectangular parallelepiped SBD package may be fitted by press-fitting.
  • the solder used for the MOSFET and the specific diode may be lead-containing solder or lead-free solder. Since the heat generation due to the rectification loss of the rectification device 1 is reduced and the cooling performance is improved, even if lead-free solder is used, the occurrence of thermal deterioration can be suppressed.

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Abstract

コスト、整流損失、及び漏れ電流の増加を抑制できる整流装置及び車両用交流発電装置を提供する。正極側の半導体素子（２）及び負極側の半導体素子（３）の一方は、ｎセットの全てについて、ＭＯＳＦＥＴであり、正極側の半導体素子（２）及び負極側の半導体素子（３）の他方は、ｎセットの少なくとも１つについて、特定ダイオードであり、特定ダイオードは、ショットキーバリアダイオード、又はドレイン端子とゲート端子が短絡されたＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳダイオードである整流装置（１）。

Description

整流装置及びそれを備えた車両用交流発電装置
　本願は、整流装置、及びそれを備えた車両用交流発電装置に関するものである。
　特許文献１の技術では、整流装置の整流損失を低減して、車両用交流発電装置の発電効率を向上させるため、正極側の半導体素子と負極側の半導体素子の双方に、ＰＮ接合のダイオードよりも順方向降下電圧を低減できるショットキーバリアダイオードが用いられている。
国際公開第１９９９／３６９６６号公報
　しかしながら、正極側と負極側の双方にショットキーバリアダイオードを用いると、ＰＮ接合のダイオードと比較して、特に高温度における漏れ電流が大きくなる課題があった。漏れ電流が大きくなると、素子の発熱が大きくなるため、正極側と負極側の双方にショットキーバリアダイオードを用いる場合は、熱暴走が生じないように、冷却機構等の熱設計を慎重に行う必要があった。
　また、ショットキーバリアダイオードの素子設計において、順方向降下電圧の低下と、漏れ電流の増加とはトレードオフの関係がある。そのため、整流損失をより低下させるためには、ショットキーバリアダイオードの中でも順方向降下電圧の低いものを採用したいが、漏れ電流が増加するため、容易に採用することができなかった。
　ところで、ＭＯＳＦＥＴは、ショットキーバリアダイオードと比較して、降下電圧を低くでき、漏れ電流が小さいが、高価であるため、正極側と負極側の双方にＭＯＳＦＥＴを用いると、コストが増加する問題があった。
　そこで、コスト、整流損失、及び漏れ電流の増加を抑制できる整流装置及び車両用交流発電装置が望まれる。
　本願に係る整流装置は、
　正極側の出力端子に接続される正極側の半導体素子と、負極側の出力端子に接続される負極側の半導体素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する交流電源に接続される直列回路を、ｎセット設け（ｎは２以上の自然数）、
　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子は、負極側から正極側に電流を流す整流機能を少なくとも有し、
　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子の一方は、前記ｎセットの全てについて、ＭＯＳＦＥＴであり、
　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子の他方は、前記ｎセットの少なくとも１つについて、特定ダイオードであり、
　前記特定ダイオードは、ショットキーバリアダイオード、又はドレイン端子とゲート端子が短絡されたＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳダイオードである。
　また、本願に係る車両用交流発電装置は、上記の整流装置、及び前記交流電源としての前記ｎ相の巻線を備えたものである。
　本願に係る整流装置及び車両用交流発電装置によれば、正極側及び負極側の他方は、ｎセットの少なくとも１つについて特定ダイオードが用いられているため、正極側及び負極側の双方にＭＯＳＦＥＴを用いる場合よりも、コストを低減できる。また、正極側及び負極側の一方に、ＭＯＳＦＥＴが用いられているため、正極側及び負極側の双方にショットキーバリアダイオードを用いる場合よりも、整流損失を低減できる。また、正極側及び負極側の一方に設けられたＭＯＳＦＥＴにより、漏れ電流を絞ることができ、ショットキーバリアダイオードを用いても直列回路を流れる漏れ電流の増加を抑制できる。なお、ＭＯＳダイオードは、漏れ電流が小さいため、漏れ電流の増加を抑制できる。よって、コスト、整流損失、及び漏れ電流の増加を抑制できる。
実施の形態１に係る整流装置及び車両用発電装置の回路図である。 実施の形態１に係る相電圧波形を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る整流損失の低減を説明する図である。 実施の形態１に係る漏れ電流の低減を説明する図である。 実施の形態１に係る高電圧サージの発生時の電流経路を説明する図である。 実施の形態１に係る車両用発電装置の断面図である。 実施の形態１に係る車両用発電装置の模式的な部分断面図である。 実施の形態１に係る整流装置の部分斜視図である。 実施の形態１に係る整流装置の分解部分斜視図である。 実施の形態１に係るＭＯＳＦＥＴのパッケージの模式的な断面図である。 実施の形態１に係るＭＯＳＦＥＴのチップの一方側の面の図である。 実施の形態１に係るＭＯＳＦＥＴのチップの他方側の面の図である。 実施の形態２に係る整流装置及び車両用発電装置の回路図である。 実施の形態２に係る相電圧波形を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態２に係る車両用発電装置の模式的な部分断面図である。 その他の実施の形態に係る整流装置の部分斜視図である。
１．実施の形態１
　実施の形態１に係る整流装置１、及び整流装置１を備えた車両用発電装置１０について図面を参照して説明する。図１は、整流装置１及び車両用発電装置１０の回路図である。
１－１．車両用発電装置１０の回路構成
　車両用発電装置１０は、ハウジング３４に固定された固定子３９と、当該固定子３９の径方向内側に配置され、ハウジング３４に対して回転可能に支持された回転子３８と、を備えている（図６参照）。固定子３９には３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗが設けられ、回転子３８には界磁巻線１４が設けられている。３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗは、スター結線されている。なお、３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗは、Δ結線又は千鳥結線されてもよい。車両用発電装置１０は、エンジンの回転駆動力により発電する。回転子３８の回転軸３６は、プーリ及びベルト機構等の連結機構を介してエンジンのクランク軸に連結される。
　界磁巻線１４は、界磁巻線用のスイッチング素子１５を介して、正極側の出力端子５と負極側の出力端子６との間に直列接続されている。還流ダイオード１６が、界磁巻線１４に並列に接続されており、界磁巻線用のスイッチング素子１５がオフのときに、界磁巻線１４に流れる電流を還流させる。界磁巻線用のスイッチング素子１５には、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。界磁巻線用のスイッチング素子１５のゲート端子は、電圧制御回路１２に備えられた駆動回路９に接続されている。電圧制御回路１２には、Ｕ相の巻線９Ｕの端子が接続されており、電圧制御回路１２は、Ｕ相の巻線９Ｕの端子電圧の変動に基づいて、回転子３８の回転速度を検出する。電圧制御回路１２は、車両用発電装置１０の発電電圧が目標電圧（例えば１４Ｖ）に近づくように、界磁巻線用のスイッチング素子１５をオンオフ駆動する。
　車両用発電装置１０は、３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗから出力される３相の交流電圧を整流し直流電圧に変換する整流装置１を備えている。整流装置１は、正極側の出力端子５に接続される正極側の半導体素子２と、負極側の出力端子６に接続される負極側の半導体素子３とが直列接続された直列回路を、３セット設けている。正極側の半導体素子２と負極側の半導体素子３の直列接続の接続点１１は、対応する交流電源としての巻線に接続されている。
　正極側の出力端子５及び負極側の出力端子６は、電気負荷１０２及び蓄電装置１０１に接続されている。本実施の形態では、蓄電装置１０１は、１４Ｖの鉛蓄電池とされている。
　正極側の半導体素子２及び負極側の半導体素子３は、負極側から正極側に電流を流す整流機能を少なくとも有している。正極側の半導体素子２及び負極側の半導体素子３の一方は、３セットの全てについて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。正極側の半導体素子２及び負極側の半導体素子３の他方は、３セットの少なくとも１つ（本例では全て）について、特定ダイオードである。
　本実施の形態では、特定ダイオードは、ショットキーバリアダイオード（以下、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）と称す）とされている。ＳＢＤは、金属と半導体との接合により生じるショットキー障壁を利用したダイオードである。一般に、ＳＢＤは、ＰＮ接合によるダイオードと比較して、順方向の降下電圧が低く、スイッチング速度が速いが、逆方向の漏れ電流が大きく、逆方向の降伏電圧が低い。正極側の半導体素子２は、３セットの全てについて、ＭＯＳＦＥＴとされている。負極側の半導体素子３は、３セットの全てについて、ＳＢＤとされている。
　各相の直列回路において、正極側のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子Ｄは、正極側の出力端子５に接続され、正極側のＭＯＳＦＥＴのソース端子Ｓは、負極側のＳＢＤのカソード端子Ｋに接続され、負極側のＳＢＤのアノード端子Ａは、負極側の出力端子６に接続されている。正極側のＭＯＳＦＥＴと負極側のＳＢＤとの接続点１１は、対応する巻線に接続されている。
　正極側のＭＯＳＦＥＴは、ＰＮ接合による寄生ダイオード７を有しており、寄生ダイオード７のカソード端子は、正極側の出力端子５側に接続され、寄生ダイオード７のアノード端子は、負極側の出力端子６側に接続されている。よって、正極側のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオード７、及び負極側のＳＢＤは、負極側から正極側に電流を流す整流機能を有している。
＜整流損失の低減＞
　整流装置１は、正極側のＭＯＳＦＥＴのそれぞれをオンオフ駆動する制御回路８を備えている。本実施の形態では、正極側のＭＯＳＦＥＴのそれぞれに、ＭＯＳＦＥＴをオンオフ駆動する制御回路８としてのＩＣ（Integrated Circuit）が備えられている。制御回路８は、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子Ｄとソース端子Ｓに接続されており、ドレイン端子Ｄとソース端子Ｓの電圧を検出する。そして、制御回路８は、ＭＯＳＦＥＴのゲート端子Ｇに接続されており、ソース端子Ｓの電圧が、ドレイン端子Ｄの電圧を上回る場合に、ゲート端子Ｇにオン信号を出力して、ＭＯＳＦＥＴをオンにする。一方、制御回路８は、ソース端子Ｓの電圧が、ドレイン端子Ｄの電圧を下回る場合に、ゲート端子Ｇにオフ信号を出力して、ＭＯＳＦＥＴをオフにする。例えば、制御回路８は、ソース端子Ｓの電圧からドレイン端子Ｄの電圧を減算した差電圧が、予め設定されたオン判定閾値を上回った時点を基準にＭＯＳＦＥＴのオン時点を設定し、差電圧が予め設定されたオフ判定閾値を下回った時点を基準にＭＯＳＦＥＴのオフ時点を設定する。
　図２に、いずれか一相（例えば、Ｕ相）の相電圧波形を示す。Ｕ相の相電圧ＶＵは、Ｕ相の巻線に接続された接続点１１Ｕの電圧に対応し、Ｕ相の正極側のＭＯＳＦＥＴのソース端子Ｓの電圧、及びＵ相の負極側のＳＢＤのカソード端子Ｋの電圧に等しくなる。また、正極側の出力端子５の電圧ＶＢは、Ｕ相の正極側のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子Ｄの電圧に等しくなる。負極側の出力端子６の電圧ＶＮは、Ｕ相の負極側のＳＢＤのアノード端子Ａの電圧に等しくなる。
　図２に示すように、Ｕ相の相電圧ＶＵ（ソース端子Ｓの電圧）が、正極側の出力端子５の電圧ＶＢ（ドレイン端子Ｄの電圧）を上回っている期間で、Ｕ相の正極側のＭＯＳＦＥＴがオンにされている。本実施の形態では、上回っている期間の両端は、Ｕ相の正極側のＭＯＳＦＥＴがオフにされている。
　ＭＯＳＦＥＴがオンである場合は、ソース端子Ｓとドレイン端子Ｄが導通し、ソース端子Ｓからドレイン端子Ｄへの降下電圧は、ＭＯＳＦＥＴ内の主にｎ型半導体の抵抗に通電電流を乗算した電圧になり、例えば、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．１Ｖ以下の降下電圧になる。一方、ＭＯＳＦＥＴがオフである場合は、ソース端子Ｓからドレイン端子Ｄへの降下電圧は、ＰＮ接合による寄生ダイオード７の順方向の降下電圧になり、例えば、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．７Ｖ程度の降下電圧になる。よって、ソース端子Ｓの電圧がドレイン端子Ｄの電圧を上回る期間で、ＭＯＳＦＥＴをオンにすることで、ＭＯＳＦＥＴにおける整流損失を大幅に低下させることができる。なお、整流損失は、図２にハッチングで示す降下電圧分に、通電電流を乗算した値の積算値となる。
　一方、Ｕ相の相電圧ＶＵ（カソード端子Ｋの電圧）が、負極側の出力端子６の電圧ＶＮ（アノード端子Ａの電圧）を下回る期間では、アノード端子Ａからカソード端子Ｋへの降下電圧は、ＳＢＤの順方向降下電圧になり、例えば、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．６Ｖ程度の降下電圧になり、０．６Ｖの降下電圧に応じた整流損失が生じる。
　図３に示すように、正極側及び負極側の半導体素子の双方にＳＢＤを用いる比較例に比べて、正極側にＭＯＳＦＥＴを用い、負極側にＳＢＤを用いる本実施の形態では、整流損失を３５％低下させることができ、車両用発電装置１０の発電効率を向上させることができる。
＜漏れ電流の低減＞
　上述したように、ＳＢＤは、逆方向の電圧を印加した場合に、カソード端子Ｋからアノード端子Ａに流れる漏れ電流が、ＰＮ接合のダイオードに比べて大きくなる。また、ＳＢＤは、素子温度が高くなるに従って、漏れ電流が大きくなる。
　図４に、車両用発電装置１０が停止中の整流装置１の漏れ電流を示す。車両用発電装置１０が停止中でも、整流装置１には蓄電装置１０１の電圧が印加される。正極側及び負極側の双方にＳＢＤを用いる比較例では、素子温度が高くなるに従って、各直列回路を正極側から負極側に流れる漏れ電流が指数関数的に大きくなる。例えば、１２０℃の素子温度では、数ｍＡの漏れ電流が発生する。漏れ電流が大きくなると、素子の発熱が大きくなるため、比較例では、熱暴走が生じないように、冷却機構等の熱設計を慎重に行う必要がある。
　一方、ＭＯＳＦＥＴでは、ＰＮ接合による寄生ダイオード７の漏れ電流は、ＳＢＤに比べて小さくなる。よって、正極側にＭＯＳＦＥＴを用い、負極側にＳＢＤを用いる本実施の形態では、各直列回路において、正極側のＭＯＳＦＥＴにより漏れ電流を絞ることができ、素子温度が高くなっても、各直列回路を流れる漏れ電流の増加が抑制されている。例えば、１２０℃の素子温度でも、０．１ｍＡ程度の漏れ電流に抑制できる。よって、本実施の形態では、熱暴走の懸念を無くすことができ、装置の信頼性を向上させることができる。
＜高電圧サージからのＭＯＳＦＥＴの保護＞
　車両用発電装置１０が発電している時に、例えば正極側の出力端子５が外れることによって、急激に電気負荷１０２及び蓄電装置１０１が遮断された場合、界磁巻線１４に流れる電流は直ちにゼロにならず、界磁巻線１４の時定数で減衰していくため、３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗには高電圧サージが発生する。
　負極側のＳＢＤの降伏電圧は、正極側のＭＯＳＦＥＴのクランプ電圧よりも低い。正極側のＭＯＳＦＥＴは、ドレイン端子Ｄの電圧からソース端子Ｓの電圧を減算したドレイン－ソース差電圧がクランプ電圧以上になった場合に、ドレイン端子Ｄからソース端子Ｓに電流を流して、ドレイン－ソース差電圧がクランプ電圧を上回らないようにするクランプ回路を有している。寄生ダイオード７の降伏によりＭＯＳＦＥＴが故障しないように、クランプ電圧は、寄生ダイオード７の降伏電圧より低く設定されている。クランプ回路の種類には、ドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとの間にツェナーダイオードを設けたアクティブクランプ回路、ＭＯＳＦＥＴに逆並列接続されたツェナーダイオードを設けたアバランシェクランプ回路等がある。本実施の形態では、クランプ回路は、制御回路８（ＩＣ）に内蔵されている。
　よって、高電圧サージが発生した場合に、正極側のＭＯＳＦＥＴのクランプ回路が作動する前に、負極側のＳＢＤが降伏する。そして、３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗの端子電圧を、負極側のＳＢＤの降伏電圧に固定することができ、正極側のＭＯＳＦＥＴに過大な電圧がかからないようにできる。
　高電圧サージの発生時の電流経路を、図５を用いて説明する。矢印で示すように、Ｕ相巻線９Ｕの相電圧が最大になり、Ｕ相の負極側のＳＢＤ３Ｕの降伏電圧を上回ると、電流がＵ相巻線９ＵからＵ相の負極側のＳＢＤ３Ｕを通って負極側の電線に流れ、負極側の電線に対するＵ相の直列回路の接続点１１Ｕの電位差は、ＳＢＤの降伏電圧に固定される。一方、Ｖ相巻線９Ｖの相電圧が負極側の電線よりも低くなり、電流が負極側の電線からＶ相の負極側のＳＢＤ３Ｖを通ってＶ相巻線９Ｖに流れ、負極側の電線に対するＶ相の直列回路の接続点１１Ｖの電位差は、ＳＢＤの順方向降下電圧の負値に固定される。また、Ｗ相巻線９Ｗの相電圧が負極側の電線よりも低くなり、電流が負極側の電線からＷ相の負極側のＳＢＤ３Ｗを通ってＷ相巻線９Ｗに流れ、負極側の電線に対するＷ相の直列回路の接続点１１Ｗの電位差は、ＳＢＤの順方向降下電圧の負値に固定される。回転子３８の回転により相電圧が最大になる相が入れ替わっていき、各相の巻線及びＳＢＤの状態が入れ替わっていく。
　このように、負極側の３つのＳＢＤにより、各相の直列回路の接続点１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗの電圧が、ＳＢＤの降伏電圧を上回らないようにすることができ、正極側のＭＯＳＦＥＴに過大な電圧がかからないようにできる。また、負極側の３つのＳＢＤにより、エネルギーを消費させて、高電圧サージを減衰させることができる。また、エネルギーは、負極側の３つのＳＢＤによりバランスよく消費されるので、ＳＢＤの発熱が偏ることを防止できる。従って、正極側をＭＯＳＦＥＴとし、負極側をＳＢＤとすることで、高電圧サージからＭＯＳＦＥＴを保護することができる共に、高電圧サージをＳＢＤの電力消費により効率よく減衰させることができる。
１－２．車両用発電装置１０の構造
　次に、車両用発電装置１０の構造について説明する。図６は、回転軸３６の軸心を通る平面で切断した車両用発電装置１０の断面図である。車両用発電装置１０は、ハウジング３４に固定された固定子３９と、固定子３９の径方向内側に配置され、ハウジング３４に対して回転可能に支持された回転子３８と、を備えている。回転子３８及び固定子３９がハウジング３４内に収容されている。回転軸３６は、回転子３８の中心部を貫通しており、回転子３８と一体回転する。回転軸３６は、固定子３９の軸方向の両側で、それぞれベアリング３５を介して、ハウジング３４に対して回転可能に支持されている。
　以下、回転軸３６の軸心に平行な軸方向の一方側（図６の右側）をフロント側と称し、軸方向の他方側（図６の左側）をリア側と称する。ハウジング３４は、フロント側ハウジング３２とリア側ハウジング３３から構成されている。フロント側ハウジング３２は、円筒状の外周壁と、外周壁のフロント側端部から径方向内側に延びた円板状の側壁とを有しており、側壁の中心部に回転軸３６が貫通し、ベアリング３５が固定される貫通孔が設けられている。リア側ハウジング３３は、円筒状の外周壁と、外周壁のリア側端部から径方向内側に延びた円板状の側壁とを有しており、側壁の中心部に回転軸３６が貫通し、ベアリング３５が固定される貫通孔が設けられている。フロント側ハウジング３２とリア側ハウジング３３は、軸方向に延びたボルトによって接続されている。
　回転軸３６のフロント側の端部は、フロント側ハウジング３２の貫通孔を貫通して、フロント側ハウジング３２よりもフロント側に突出しており、この突出部にプーリ３７が固定されている。プーリ３７と、エンジンのクランクシャフトに固定されたプーリとの間にベルトが掛け渡され、エンジンの回転駆動力が回転軸３６に伝達される。
　回転軸３６のリア側の端部は、リア側ハウジング３３の貫通孔を貫通して、リア側ハウジング３３よりもリア側に突出しており、この突出部に一対のスリップリング４０が設けられている。一対のスリップリング４０は、回転子３８の界磁巻線１４に接続されている。
　回転子３８は、ランデル型（クローポール型ともいう）とされている。回転子３８の界磁鉄心８２は、円筒状の中心部５７と、中心部５７のフロント側の端部から中心部５７の径方向外側まで延びたフロント側の爪部５８と、中心部５７のリア側の端部から中心部５７の径方向外側まで延びたリア側の爪部５９と、を備えている。界磁巻線１４の絶縁処理された銅線は、界磁鉄心８２の中心部５７の外周面に同心状に巻回されている。フロント側の爪部５８とリア側の爪部５９とは、周方向に交互に設けられており、互いに異なる磁極となる。例えば、フロント側の爪部５８とリア側の爪部５９は、それぞれ６個又は８個設けられる。
　固定子３９は、微小な隙間をあけて回転子３８を取り囲むよう配設され、スロットを設けた円筒状の固定子鉄心９１と、固定子鉄心９１のスロットに巻装された３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗと、を備えている。３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗは、固定子鉄心９１からフロント側に突出したフロント側コイルエンド部４３、固定子鉄心９１からリア側に突出したリア側コイルエンド部４４を有している。３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗのリード線５０は、リア側ハウジング３３を貫通して、リア側に延びている。
　フロント側ハウジング３２とリア側ハウジング３３とは、軸方向に間隔を空けて設けられている。固定子鉄心９１は、フロント側ハウジング３２のリア側の開口端部とリア側ハウジング３３のフロント側の開口端部とにより軸方向両端から挟持されている。
　図７に、リア側の冷却風の流れと、各部材の配置を説明するための模式的な車両用発電装置１０の部分断面図を示す。図６及び図７に示すように、界磁鉄心８２のフロント側の端部には、複数のブレードを有するフロント側ファン４１が取り付けられ、界磁鉄心８２のリア側の端部には、複数のブレードを有するリア側ファン４２が取り付けられ、それらは、回転子３８と一体回転する。フロント側ファン４１及びリア側ファン４２は、それぞれ、径方向外側に送風し、径方向外側に配置されたフロント側コイルエンド部４３及びリア側コイルエンド部４４等を冷却する。
　フロント側ファン４１の径方向外側のフロント側ハウジング３２の外周壁の部分、及びリア側ファン４２の径方向外側のリア側ハウジング３３の外周壁の部分には、それぞれ、周方向に分散して複数の排出口４５が形成されている。フロント側ファン４１及びリア側ファン４２により径方向外側に送られた空気は、フロント側ハウジング３２及びリア側ハウジング３３の排出口４５を通って、外部に排出される。
　フロント側ファン４１のフロント側のフロント側ハウジング３２の側壁の部分、及びリア側ファン４２のリア側のリア側ハウジング３３の側壁の部分には、それぞれ、周方向に分散して複数の吸入口４６が形成されている。フロント側ファン４１に吸入される空気は、フロント側ハウジング３２の側壁の吸入口４６を通って、フロント側からリア側に流れる。リア側ファン４２に吸入される空気は、リア側ハウジング３３の側壁の吸入口４６を通って、リア側からフロント側に流れる。
　リア側ハウジング３３よりもリア側に突出した回転軸３６のリア側突出部の径方向外側の円筒状の空間には、整流装置１、一対のブラシ４８、ブラシホルダ４９、電圧制御回路１２等の回路が配置されている。一対のブラシ４８は、一対のスリップリング４０のそれぞれに摺動し、ブラシホルダ４９は、ブラシ４８を収容する。電圧制御回路１２は、上述したように、ブラシ４８及びスリップリング４０を介して界磁巻線１４に供給する電力を制御する。
　円筒状の回路配置空間の径方向外側及びリア側は、保護カバー２７によって覆われている。保護カバー２７は、円筒状の外周壁と、外周壁のリア側端部から径方向内側に延びた円板状の側壁とを有している。保護カバー２７の外周部には電圧制御回路１２と外部装置（図示せず）との信号の入出力を行うコネクタ２０が固定されている。
　保護カバー２７の側壁には、周方向及び径方向に分散して複数の吸入口４７が形成されている。リア側ハウジング３３の側壁の吸入口４６に吸入される空気は、保護カバー２７の側壁の吸入口４７を通って、リア側からフロント側に流れる。このように、冷却風は、保護カバー２７内をリア側からフロント側に軸方向に流れ、保護カバー２７内に配置された各回路が冷却される。
＜回路配置＞
　上述したように、負極側のＳＢＤは、正極側のＭＯＳＦＥＴよりも整流損失が大きく、発熱量が大きくなる。図７に示すように、負極側のＳＢＤは、正極側のＭＯＳＦＥＴよりも冷却風の下流側に配置されている。本実施の形態では、負極側のＳＢＤは、正極側のＭＯＳＦＥＴよりもフロント側に配置されている。本実施の形態とは逆に、発熱量が大きいＳＢＤを上流側に配置すると、ＳＢＤの冷却を向上できるものの、上流側で冷却風が温められ、下流側のＭＯＳＦＥＴの冷却が悪化する。本実施の形態では、発熱量が小さいＭＯＳＦＥＴを上流側に配置しているので、上流側のＭＯＳＦＥＴを良好に冷却することができると共に、上流側における冷却風の温度上昇を抑制し、下流側のＳＢＤの冷却が悪化することを抑制できる。すなわち、本実施の形態の配置では、ＳＢＤ及びＭＯＳＦＥＴの全体の冷却効率を向上させることができる。
　負極側のＳＢＤは、温度が高くなるほど、負極側から正極側への順方向の降下電圧が小さくなる特性を有している。本実施の形態では、負極側のＳＢＤを正極側のＭＯＳＦＥＴよりも冷却風の下流側に配置しているので、負極側のＳＢＤを正極側のＭＯＳＦＥＴよりも冷却風の上流側に配置する場合よりも、ＳＢＤの温度を高くすることができる。よって、ＳＢＤの順方向の降下電圧を低下させ、ＳＢＤの整流損失を低下させることができる。なお、ＳＢＤの温度が高くなると、ＳＢＤの漏れ電流が大きくなるが、正極側のＭＯＳＦＥＴにより漏れ電流が絞られるので、直列回路の漏れ電流の増加は抑制される。
　整流装置１は、正極側のヒートシンク１８Ａと、負極側のヒートシング１８Ｂとを備えている。正極側のヒートシンク１８Ａには、全ての正極側のＭＯＳＦＥＴが固定される。負極側のヒートシンク１８Ｂには、全ての正極側のＳＢＤが固定される。ＳＢＤが固定されている負極側のヒートシング１８Ｂは、ＭＯＳＦＥＴが固定されている正極側のヒートシンク１８Ａよりも、冷却風の下流側（本例ではフロント側）に配置されている。
　この構成によれば、ヒートシンクを介してＳＢＤ、ＭＯＳＦＥＴを冷却する場合でも、同様に、ＳＢＤ及びＭＯＳＦＥＴの全体の冷却効率を向上させることができる共に、ＳＢＤの整流損失を低下させることができる。
　図１の回路を構成するために、整流装置１は、正極側のＭＯＳＦＥＴと、負極側のＳＢＤと、３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗと、正極側の出力端子５と、負極側の出力端子５と、を接続するサーキットボード１９を備えている。
　図８に、ＭＯＳＦＥＴが固定された正極側のヒートシンク１８Ａ、ＳＢＤが固定された負極側のヒートシング１８Ｂ、及びサーキットボード１９を、リア側から斜めに見た部分斜視図を示す。図９に、正極側のヒートシンク１８Ａ、負極側のヒートシング１８Ｂ、及びサーキットボード１９を軸方向に分解し、リア側から斜めに見た分解部分斜視図を示す。
　図７、図８、及び図９に示すように、サーキットボード１９は、冷却風の流れ方向における、正極側のヒートシンク１８Ａと負極側のヒートシンク１８Ｂとの間に挟まれている。
　全ての正極側のＭＯＳＦＥＴは、同一平面上に配置され、全ての負極側のＳＢＤは、同一平面上に配置されている。全ての正極側のＭＯＳＦＥＴが配置される平面と、全ての負極側のＳＢＤが配置される平面とは、冷却風の流れ方向（本例では軸方向）にずれている。この構成によれば、同一平面上に配置された正極側のＭＯＳＦＥＴの温度を均質化することができ、同一平面上に配置された負極側のＳＢＤの温度を均一化することができる。本実施の形態では、全ての正極側のＭＯＳＦＥＴが配置される平面と、全ての負極側のＳＢＤが配置される平面とは、冷却風の流れ方向（本例では軸方向）に直交している。よって、各ＭＯＳＦＥＴ及び各ＳＢＤへの冷却風の当たりを均一化することができ、温度を均一化することができる。
　本実施の形態では、正極側のヒートシンク１８Ａの平板状の部分に、冷却風の流れ方向（本例では軸方向）に貫通する円柱状の貫通孔が形成されており、この貫通孔に円柱状のＭＯＳＦＥＴのパッケージがプレスフィットにより嵌め込まれている。平板状の部分は、回転軸３６を取り囲むように、円弧板状に形成されており、３つの貫通孔が、周方向に分散して形成されている。円弧板状の部分の内周部には、流れ方向に平行な複数のフィン６０が設けられており、冷却性が高められている。
　図１０にプレスフィット後の断面図を示すように、ＭＯＳＦＥＴのパッケージは、銅製の円柱状のベース部５４と、平板状のＭＯＳＦＥＴのチップ５１と、リード部５５と、エポキシ樹脂５６と、を備えている。図１１に示すように、ＭＯＳＦＥＴのチップ５１の一方の面に、ドレイン端子Ｄが設けられ、ドレイン端子Ｄは、ベース部５４の一方の面に半田により接合される。ドレイン端子Ｄは、ベース部５４及び正極側のヒートシンク１８Ａを介して、正極側の出力端子５に接続される。図１２に示すように、ＭＯＳＦＥＴのチップ５１の他方の面に、ソース端子Ｓが設けられ、ソース端子Ｓは、リード部５５に半田により接合される。リード部５５は、サーキットボード１９に接続され、サーキットボード１９を介して負極側のＳＢＤ及び巻線に接続される。なお、ＭＯＳＦＥＴのチップ５１には、制御回路８（ＩＣ）が内蔵されている。そして、ベース部５４の一方の面、ＭＯＳＦＥＴのチップ５１、及びリード部５５の接続部が、エポキシ樹脂５６によりポッティングされ、ベース部５４と同じ断面積を持つ円柱状に成形されている。
　本実施の形態では、電気検査用端子が、ソース端子Ｓ側の面に設けられるため、ソース端子Ｓの面積が、ドレイン端子Ｄの面積よりも小さくなる。よって、熱抵抗が小さいドレイン端子Ｄが、ヒートマスの大きいベース部５４及び正極側のヒートシンク１８Ａに接続され、放熱性が高められている。また、ＭＯＳＦＥＴのパッケージは、ベース部５４が風上側（リア側）になり、リード部５５が風下側（フロント側）になる向きで配置される。よって、ＭＯＳＦＥＴの発熱が伝達されるベース部５４に、最上流で冷却風を当てることができ、ＭＯＳＦＥＴの冷却性が高められる。
　負極側のヒートシンク１８Ｂの平板状の部分に、冷却風の流れ方向（本例では軸方向）に貫通する円柱状の貫通孔が形成されており、この貫通孔に円柱状のＳＢＤのパッケージがプレスフィットにより嵌め込まれている。平板状の部分は、回転軸３６を取り囲むように、円弧板状に形成されており、３つの貫通孔が、周方向に分散して形成されている。円弧板状の部分の外周部及び内周部には、流れ方向に平行な複数のフィン６１が設けられており、冷却性が高められている。なお、正極側のヒートシンク１８Ａの平板状の部分と、負極側のヒートシンク１８Ｂの平板状の部分とは、流れ方向（軸方向）に見て重複するように配置されており、２つの平板状の部分の間に、サーキットボード１９が配置されている。
　ＭＯＳＦＥＴのパッケージと同様に、ＳＢＤのパッケージは、銅製の円柱状のベース部と、平板状のＳＢＤのチップと、リード部と、エポキシ樹脂と、を備えている。ＳＢＤのチップの一方の面に、アノード端子Ａが設けられ、アノード端子Ａは、ベース部の一方の面に半田により接合される。アノード端子Ａは、ベース部及び負極側のヒートシンク１８Ｂを介して、負極側の出力端子６に接続される。ＳＢＤのチップの他方の面に、カソード端子Ｋが設けられ、カソード端子Ｋは、リード部６２に半田により接合される。リード部６２は、サーキットボード１９に接続され、サーキットボード１９を介して正極側のＭＯＳＦＥＴ及び巻線に接続される。そして、ベース部の一方の面、ＳＢＤのチップ、及びリード部６２の接続部が、エポキシ樹脂によりポッティングされ、ベース部と同じ断面積を持つ円柱状に成形されている。
　上述したように、正極側及び負極側の半導体素子の双方にＳＢＤを用いる比較例に比べて、正極側にＭＯＳＦＥＴを用い、負極側にＳＢＤを用いる本実施の形態では、整流損失を３５％低下させることができる。また、上述したように、配置及び構成を工夫することにより、各半導体素子の冷却性が高められている。よって、各半導体素子を冷却するヒートシンクの大きさを小さくできる。そのため、正極側及び負極側のヒートシンク１８Ａ、１８Ｂの外径Ｄ１を小さくすることができる。例えば、図７及び図６に示すように、正極側及び負極側のヒートシンク１８Ａ、１８Ｂの外径Ｄ１を、リア側ハウジング３３の外周壁の内径Ｄ２（特に、排出口４５が設けられた外周壁の部分の内径）よりも小さくできる。ヒートシンクの外径Ｄ１が小さくなったことで、保護カバー２７のリア側の側壁に設けた吸入口４７を径方向内側に配置することができる。よって、吸入口４７と排出口４５との距離を延ばすことができ、排出口４５から排出された暖かい空気が、吸入口４７から再吸入され難くでき、冷却性が高められる。
　また、整流損失を低減できているので、整流装置１を冷却した後、リア側ハウジング３３に吸入される冷却風の温度上昇を抑制することができる。よって、リア側ハウジング３３に収容されたリア側コイルエンド部４４及びリア側のベアリング３５等の冷却性が高められる。よって、整流装置１だけでなく、車両用発電装置１０全体の温度上昇を抑制し、車両用発電装置１０の信頼性を高めることができる。また、３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗの温度が下がれば、発電電流を増加させることができ、車両用発電装置１０を高出力化できる。
２．実施の形態２
　次に、実施の形態２に係る整流装置１及び車両用発電装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態では、図１３の回路図に示すように、正極側の半導体素子２は、３セットの全てについて、ＳＢＤとされ、負極側の半導体素子３は、３セットの全てについて、ＭＯＳＦＥＴとされている点が、実施の形態１と異なる。
　各相の直列回路において、正極側のＳＢＤのカソード端子Ｋは、正極側の出力端子５に接続され、正極側のＳＢＤのアノード端子Ａは、負極側のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子Ｄに接続され、負極側のＭＯＳＦＥＴのソース端子Ｓは、負極側の出力端子６に接続されている。正極側のＳＢＤと負極側のＭＯＳＦＥＴとの接続点１１は、対応する巻線に接続されている。
　負極側のＭＯＳＦＥＴのそれぞれは、実施の形態１と同様の制御回路８としてのＩＣを備えており、ＭＯＳＦＥＴをオンオフ駆動する。図１４に、いずれか一相（例えば、Ｕ相）の相電圧波形を示す。負極側の出力端子６の電圧ＶＮ（ソース端子Ｓの電圧）が、Ｕ相の相電圧ＶＵ（ドレイン端子Ｄの電圧）を上回っている期間で、Ｕ相の正極側のＭＯＳＦＥＴがオンにされている。本実施の形態では、上回っている期間の両端は、Ｕ相の正極側のＭＯＳＦＥＴがオフにされている。
　実施の形態１の図２と同様に、ＭＯＳＦＥＴがオンである場合は、ソース端子Ｓからドレイン端子Ｄへの降下電圧は、０．１Ｖ以下の降下電圧になる。一方、正極側の出力端子６の電圧ＶＢ（カソード端子Ｋの電圧）が、Ｕ相の相電圧ＶＵ（アノード端子Ａの電圧）を下回る期間では、アノード端子Ａからカソード端子Ｋへの降下電圧は、ＳＢＤの順方向降下電圧の０．６Ｖ程度の降下電圧になる。
　よって、実施の形態１と同様に、正極側及び負極側の半導体素子の双方にＳＢＤを用いる比較例に比べて、正極側にＳＢＤを用い、負極側にＭＯＳＦＥＴを用いる本実施の形態でも、整流損失を３５％低下させることができ、車両用発電装置１０の発電効率を向上させることができる。
　また、各直列回路において、負極側のＭＯＳＦＥＴにより漏れ電流を絞ることができ、素子温度が高くなっても、各直列回路を流れる漏れ電流の増加を抑制することができる。
　本実施の形態でも、正極側のＳＢＤの降伏電圧は、負極側のＭＯＳＦＥＴのクランプ電圧よりも低い。発電中に正極側の出力端子５が外れる等して高電圧サージが発生した場合に、負極側のＭＯＳＦＥＴのクランプ回路が作動する前に、正極側のＳＢＤが降伏する。実施の形態１と同様に、３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗの端子電圧を、正極側のＳＢＤの降伏電圧に固定することができ、負極側のＭＯＳＦＥＴに過大な電圧がかからないようにできる。高電圧サージからＭＯＳＦＥＴを保護することができる共に、高電圧サージをＳＢＤの電力消費により効率よく減衰させることができる。
　本実施の形態でも、図１５に示すように、正極側のＳＢＤは、負極側のＭＯＳＦＥＴよりも冷却風の下流側に配置されている。ＳＢＤが固定されている正極側のヒートシング１８Ａは、ＭＯＳＦＥＴが固定されている負極側のヒートシンク１８Ｂよりも、冷却風の下流側（本例ではフロント側）に配置されている。よって、ＳＢＤ及びＭＯＳＦＥＴの全体の冷却効率を向上させることができると共に、ＳＢＤの温度を高くすることによって、ＳＢＤの順方向の降下電圧を低下させ、ＳＢＤの整流損失を低下させることができる。
　サーキットボード１９は、冷却風の流れ方向における、正極側のヒートシンク１８Ａと負極側のヒートシンク１８Ｂとの間に挟まれている。また、全ての負極側のＭＯＳＦＥＴは、同一平面上に配置され、全ての正極側のＳＢＤは、同一平面上に配置されている。全ての負極側のＭＯＳＦＥＴが配置される平面と、全ての正極側のＳＢＤが配置される平面とは、冷却風の流れ方向（本例では軸方向）にずれている。
　また、実施の形態１と同様に、各ヒートシンク１８Ａ、１８Ｂに貫通孔が形成されており、各貫通孔に、ＭＯＳＦＥＴのパッケージ及びＳＢＤのパッケージがプレスフィットにより嵌め込まれている。ＭＯＳＦＥＴのパッケージ及びＳＢＤのパッケージは、実施の形態１と同様に構成されている。また、ＭＯＳＦＥＴのパッケージは、ベース部５４が風上側（リア側）になり、リード部５５が風下側（フロント側）になる向きで配置される。ＭＯＳＦＥＴが固定されている負極側のヒートシンク１８Ｂは、ＳＢＤが固定されている正極側のヒートシング１８Ａよりも上流側に配置されているので、ＭＯＳＦＥＴの発熱が伝達されるベース部５４に、最上流で冷却風を当てることができ、ＭＯＳＦＥＴの冷却性が高められる。また、正極側及び負極側のヒートシンク１８Ａ、１８Ｂの外径を、リア側ハウジング３３の外周壁の内径（特に、排出口４５が設けられた外周壁の部分の内径）よりも小さくされている。
３．実施の形態３
　次に、実施の形態３に係る整流装置１及び車両用発電装置１０について説明する。上記の実施の形態１又は２と同様の構成部分は説明を省略する。実施の形態１及び２では、ＳＢＤの順方向降下電圧が、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．６Ｖ程度であった。本実施の形態では、ＳＢＤの順方向降下電圧が、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．６Ｖよりも低い電圧、例えば、０．３Ｖから０．４Ｖの超低順方向降下電圧のＳＢＤが用いられる。
　ＳＢＤの順方向降下電圧を０．６Ｖよりも低くすると、漏れ電流が大きくなる課題がある。正極側及び負極側の半導体素子の双方にＳＢＤを用いる場合は、漏れ電流による熱暴走の懸念から漏れ電流制御回路等の特別な回路を用いずに、順方向降下電圧が０．６Ｖよりも低いＳＢＤを採用することは、困難であった。
　しかし、本実施の形態では、正極側又は負極側のＭＯＳＦＥＴにより漏れ電流を絞ることができるので、順方向降下電圧が０．６Ｖよりも低いＳＢＤを用いても、直列回路全体の漏れ電流の増加を抑制できる。ＳＢＤの順方向降下電圧の低下と、漏れ電流の増加とのトレードオフを、正極側又は負極側にＭＯＳＦＥＴを設けることにより解決できる。
　ＳＢＤの順方向降下電圧を０．６Ｖよりも低減できるので、実施の形態１及び２よりも整流損失を更に低減できる。また、ＳＢＤの順方向降下電圧による電圧降下を抑制できるので、整流装置１の出力が増加する。よって、高効率、高出力な整流装置１を得ることができる。
　ＳＢＤの順方向降下電圧の低下と、漏れ電流の増加とのトレードオフを改善するために、ＳＢＤの内部構造において、ガードリング部の内側に配列されるＰ層の形状をストライプ状またはドット状とする等、ＳＢＤの開発に工数がかけられ、ＳＢＤのコストも増加していた。本実施の形態では、このＳＢＤの開発工数を削減可能であり、高価なＳＢＤを用いる必要がない。
〔その他の実施の形態〕
　最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記の実施の形態１では、負極側の半導体素子３は、３セットの全てについて、ＳＢＤとされ、実施の形態２では、正極側の半導体素子２は、３セットの全てについて、ＳＢＤとされている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、実施の形態１の場合では、負極側の半導体素子３は、３セットの少なくとも１つについて、ＳＢＤとされればよく、例えば、負極側の半導体素子３は、３セットの１つ又は２つについて、ＳＢＤとされてもよい。なお、ＳＢＤとされていない残りの負極側の半導体素子３は、正極側のＭＯＳＦＥＴと同様のＭＯＳＦＥＴとされてもよく、ＰＮ接合によるダイオードとされてもよい。実施の形態２の場合では、正極側の半導体素子２は、３セットの少なくとも１つについて、ＳＢＤとされればよく、例えば、正極側の半導体素子２は、３セットの１つ又は２つについて、ＳＢＤとされてもよい。なお、ＳＢＤとされていない残りの正極側の半導体素子２は、負極側のＭＯＳＦＥＴと同様のＭＯＳＦＥＴとされてもよく、ＰＮ接合によるダイオードとされてもよい。
（２）上記の各実施の形態では、直列回路が３セット設けられ、交流電源として３相の巻線９Ｕ、９Ｖ、９Ｗが設けられ、３相全波整流回路とされている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、直列回路が２セット以上設けられればよい。例えば、交流電源として２組の３相の巻線が設けられ、直列回路が６セット設けられてもよく、交流電源として５相の巻線が設けられ、直列回路が５セット設けられてもよく、交流電源が１相の商用交流電源等とされ、単相全波整流回路として直列回路が２セット設けられてもよい。
（３）上記の各実施の形態では、整流装置１が、車両用発電装置１０に設けられている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、整流装置１が、車両用発電装置１０以外の装置に用いられてもよい。例えば、整流装置１は、風力、水力等の発電装置に用いられてよく、商用交流電源を直流電源に変換する変換装置に用いられてもよい。
（４）上記の各実施の形態では、特定ダイオードとして、ショットキーバリアダイオードＳＢＤが用いられている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、特定ダイオードとして、ドレイン端子とゲート端子が短絡されたＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳダイオードが用いられてもよい。ＭＯＳダイオードのドレイン端子が正極側に接続され、ＭＯＳダイオードのソース端子が負極側に接続される。ソース端子からドレイン端子へのＭＯＳダイオードの順方向降下電圧は、通常のＭＯＳＦＥＴがオンの時の降下電圧よりも大きくなり、ＳＢＤの順方向降下電圧と同等になる。ドレイン端子からソース端子へのＭＯＳダイオードの漏れ電流は、通常のＭＯＳＦＥＴの漏れ電流と同等になり、ＳＢＤの漏れ電流よりも小さくなる。よって、特定ダイオードとしてＭＯＳダイオードを用いても、整流損失を低減でき、漏れ電流を低減できる。ＭＯＳダイオードは、制御回路８及びクランプ回路を必要としないため、制御回路８及びクランプ回路を備えたＭＯＳＦＥＴよりも安価である。また、ＳＢＤとして、ジャンクションバリアショットキーダイオード等の各種のＳＢＤが用いられてもよい。
（５）上記の実施の形態１、２では、ＳＢＤの順方向降下電圧が、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．６Ｖ程度であり、実施の形態３では、ＳＢＤの順方向降下電圧が、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．３Ｖから０．４Ｖ程度である場合を例として説明した。しかし、ＳＢＤの順方向降下電圧は、２５℃、１００Ａ通電の条件で、例えば、０．３Ｖから０．６５Ｖの範囲内の電圧であればよい。
（６）上記の各実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴのそれぞれに、制御回路８としてのＩＣが備えられている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、制御回路８として、全てのＭＯＳＦＥＴに対して１つの制御回路が設けられていてもよく、１つの制御回路が、各ＭＯＳＦＥＴについて、ソース端子Ｓの電圧がドレイン端子Ｄの電圧を上回る場合に、ゲート端子Ｇにオン信号を出力して、ＭＯＳＦＥＴをオンにしてもよい。
（７）上記の各実施の形態では、正極側及び負極側のヒートシンクに、冷却風の流れ方向（軸方向）に貫通する円柱状の貫通孔が形成されており、貫通孔に円柱状のＭＯＳＦＥＴのパッケージ及び円柱状のＳＢＤのパッケージがプレスフィットにより嵌め込まれている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、図１６の部分斜視図に示すように、正極側及び負極側のヒートシンクに、冷却風の流れ方向（軸方向）に貫通する直方体状の貫通孔が形成されており、貫通孔に直方体状のＭＯＳＦＥＴのパッケージ及び直方体状のＳＢＤのパッケージがプレスフィットにより嵌め込まれてもよい。
（８）ＭＯＳＦＥＴ及び特定ダイオードに用いられる半田は、鉛入り半田であってもよく、鉛フリー半田であってもよい。整流装置１の整流損失による発熱が低下し、冷却性が向上しているため、鉛フリー半田を用いても熱劣化の発生を抑制できる。
　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１　整流装置、２　正極側の半導体素子、３　負極側の半導体素子、５　正極側の出力端子、６　負極側の出力端子、８　制御回路、１０　車両用発電装置、１１　直列接続の接続点、１８Ａ　正極側のヒートシンク、１８Ｂ　負極側のヒートシンク、１９　サーキットボード、３４　ハウジング、ＳＢＤ　ショットキーバリアダイオード

Claims (14)

  1. 　正極側の出力端子に接続される正極側の半導体素子と、負極側の出力端子に接続される負極側の半導体素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する交流電源に接続される直列回路を、ｎセット設け（ｎは２以上の自然数）、
    　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子は、負極側から正極側に電流を流す整流機能を少なくとも有し、
    　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子の一方は、前記ｎセットの全てについて、ＭＯＳＦＥＴであり、
    　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子の他方は、前記ｎセットの少なくとも１つについて、特定ダイオードであり、
    　前記特定ダイオードは、ショットキーバリアダイオード、又はドレイン端子とゲート端子が短絡されたＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳダイオードである整流装置。
  2. 　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子の他方は、前記ｎセットの全てについて、前記特定ダイオードである請求項１に記載の整流装置。
  3. 　前記ＭＯＳＦＥＴをオンオフ駆動する制御回路を更に備え、
    　前記制御回路は、前記ＭＯＳＦＥＴのソース端子の電圧が、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子の電圧を上回る場合に、前記ＭＯＳＦＥＴをオンにする請求項１又は２に記載の整流装置。
  4. 　前記ショットキーバリアダイオードの降伏電圧は、前記ＭＯＳＦＥＴのクランプ電圧よりも低い請求項１から３のいずれか一項に記載の整流装置。
  5. 　負極側から正極側への前記ショットキーバリアダイオードの順方向の降下電圧は、２５℃、１００Ａ通電の条件で、０．３Ｖから０．６５Ｖの範囲内の電圧である請求項１から４のいずれか一項に記載の整流装置。
  6. 　前記特定ダイオードは、前記ＭＯＳＦＥＴよりも冷却風の下流側に配置される請求項１から５のいずれか一項に記載の整流装置。
  7. 　前記ショットキーバリアダイオードは、温度が高くなるほど、負極側から正極側への降下電圧が小さくなる特性を有する請求項６に記載の整流装置。
  8. 　全ての前記正極側の半導体素子は、同一平面上に配置され、全ての前記負極側の半導体素子は、同一平面上に配置され、
    　全ての前記正極側の半導体素子が配置される平面と、全ての前記負極側の半導体素子が配置される平面とは、前記冷却風の流れ方向にずれている請求項６又は７に記載の整流装置。
  9. 　全ての前記正極側の半導体素子が固定される正極側のヒートシンクと、全ての前記負極側の半導体素子が固定される負極側のヒートシンクと、を更に備え、
    　前記正極側のヒートシンクと前記負極側のヒートシンクとのいずれか前記特定ダイオードが固定されている方は、前記特定ダイオードが固定されていない方よりも、前記冷却風の下流側に配置されている請求項６から８のいずれか一項に記載の整流装置。
  10. 　前記正極側の半導体素子と前記負極側の半導体素子と前記交流電源と前記正極側の出力端子と前記負極側の出力端子とを接続するサーキットボードを更に備え、
    　前記サーキットボードは、前記冷却風の流れ方向における、前記正極側のヒートシンクと前記負極側のヒートシンクとの間に挟まれている請求項９に記載の整流装置。
  11. 　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子のパッケージは、円柱状又は直方体状であり、前記正極側のヒートシンク及び前記負極側のヒートシンクに形成された円柱状又は直方体状の貫通孔に嵌め込まれている請求項９又は１０に記載の整流装置。
  12. 　前記ＭＯＳＦＥＴ及び前記特定ダイオードに用いられる半田は、鉛フリー半田である請求項１から１１のいずれか一項に記載の整流装置。
  13. 　請求項１から１２のいずれか一項に記載の整流装置、及び前記交流電源としてのｎ相の巻線を備えた車両用交流発電装置。
  14. 　前記正極側の半導体素子及び前記負極側の半導体素子が固定されるヒートシンクの外径は、前記ｎ相の巻線を収容するハウジングの外周壁の内径よりも小さい請求項１３に記載の車両用交流発電装置。
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