JP3555239B2 - Power generator for vehicles - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、励磁電流をPWM制御する車両用交流発電機の励磁電流制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の車両用発電装置において、整流器内蔵型の車両用交流発電機(以下、単に発電機ともいう)の出力端を給電制御用のスイッチ手段(以下、トランスファスイッチともいう)を通じてバッテリ及び電気負荷に給電する回路構成が知られている。このようなトランスファスイッチを通じてバッテリ充電を行うメリットは、必要に応じてトランスファスイッチをカットすることによりこのバッテリを発電機から分離することができ、これにより発電機が他のバッテリ(以下、第2バッテリともいう)のみを充電したり、又は第2バッテリだけが例えば車両電気負荷へ給電する際、このカットされたバッテリの容量を例えばエンジン始動用などに温存できるなどの効果を得られる点にある。
【0003】
また、上記第2バッテリにも第2のスイッチ手段(第2トランスファスイッチ)を通じて給電する場合、両トランスファスイッチの導通を切り換えるとともに発電機の発電電圧を切り換えれば、単一の発電機により互いに異なる定格電圧をもつ2つのバッテリを充電することができる。
このようなトランスファスイッチとしては、電磁リレー、一対の縦型チャンネルMOSFETを逆接続したもの、逆流防止ダイオードと直列接続されたバイポーラトランジスタなどを採用することができる。なお、上記した縦型チャンネルMOSFETの一対を逆接続する理由は、従来のMOSFETでは反転チャンネル層が形成されるウエル領域の電位固定のためにこのウエル領域を表面のソース領域に短絡接続するが、このように短絡接続を行うと縦型チャンネルMOSFETを電気的なソース領域として作動させる動作モードにおいて、ウエル領域と基板との間に形成される寄生ダイオードが順バイアスしてMOSFETの電流遮断が不能となるためである。
【0004】
また、上記したバイポーラトランジシタに逆流防止ダイオードを直列接続する理由は、エミッタ・ベース間のpn接合が逆バイアスされる電位状態において、このpn接合の耐圧が小さく簡単に降伏が生じて電流が遮断できないためである。
すなわち、上記した発電機からバッテリへの充電動作を上記トランスファスイッチで制御する場合には、発電電圧の低下又は消滅とともに上記したような従来のMOSFETにおける寄生ダイオードを通じてのバイパス電流又は上記バイポーラトランジスタのエミッタ・ベース間のpn接合の降伏電流がバッテリから発電機又は第2バッテリへ流れる可能性があるので、従来は上述のようにMOSFETを一対直列接続したり、バイポーラトランジスタに逆流防止ダイオードを直列接続したりしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記したトランスファスイッチを電磁リレーで構成する場合、装置の体格、寿命、作動速度などの問題がある。また、トランスファスイッチとして一対の直列接続MOSFETを用いる場合及びバイポーラトランジシタに逆流防止ダイオードを直列接続する場合、電力損失の増大、収容スペースの増大、装置体格、冷却必要性機能の増大が生じてしまう。
【0006】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、トランスファスイッチを通じてバッテリに給電する車両用発電装置において、構成を格段に単純化し、損失低減も実現できる車両用発電装置を提供することを、その目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1、第7及び第8の構成は、内蔵の整流器で整流された出力電流を出力端からバッテリに給電する車両用交流発電機と、前記出力端と前記バッテリとの間に介設される半導体スイッチ部と、前記半導体スイッチ部を制御する制御手段とを備え、前記半導体スイッチ部は、ゲート絶縁膜を介して表面にゲート電極が形成された第1導電型のウエル領域と、前記ゲート電極が前記ウエル領域表面に形成する反転チャンネル層により互いに導通される第2導電型のソース領域及びドレイン領域とを備えるMOSFET(絶縁ゲート電界効果トランジスタ)を包含する車両用発電装置において、
前記ソース領域及びドレイン領域のどちらか一方と前記ウエル領域とを接続する高抵抗部を有することを特徴とする車両用発電装置である。
【0008】
この高抵抗部の抵抗値は、この高抵抗部と並列接続されるとともにウエル領域とソース領域又はドレイン領域との間の正常なpn接合からなるダイオードの逆バイアス時の抵抗値とは別のものとする。ただし、このダイオードを構成するpn接合に例えば金などの導電粒子などを選択的にドープ(例えばイオン注入)して導電経路を形成し、その接合の逆バイアス時の抵抗値を低下させるなどの手段をとる場合、この導電経路は本発明でいう高抵抗部に相当する。
【0009】
また、高抵抗部の抵抗値は、MOSFETの一対の寄生ダイオードのうち、この高抵抗部でバイパスされない側の寄生ダイオードが順バイアスされ、かつ、ゲート電極に定格最大オン電圧を印加する動作条件において、チャンネル電流よりこの寄生ダイオードを通じてのバイパス電流が少なくとも小さくなるように設定される。
【0010】
本発明の第1の構成は更に、前記ソース領域及びドレイン領域の一方が第2バッテリの高位端に接続されることを特徴としている。
本発明の第2の構成は、上記第1の構成において更に、前記第2バッテリが、前記バッテリより低い定格電圧を有するとともに第2MOSFETを通じて前記発電機の前記出力端に接続され、更に、前記高抵抗部の一端は前記MOSFETの前記バッテリ側に接続されることを特徴としている。
【0011】
本発明の第3の構成は、上記第2の構成において更に、前記制御手段が、前記発電機が前記バッテリ充電可能な発電を実施する場合に、前記第2MOSFETを所定のデューティ比で断続して前記発電機から前記第2バッテリへ充電するとともに、少なくとも前記第2MOSFETの導通期間中は前記MOSFETを遮断するものであることを特徴としている。
【0012】
本発明の第4の構成は、上記第1乃至第3のいずれかの構成において更に、前記MOSFETが、単結晶SiCを素材としてなることを特徴としている。
本発明の第5の構成は、上記第4の構成において更に、前記MOSFETが前記発電機に搭載されることを特徴としている。
本発明の第6の構成は、上記第4の構成において更に、前記MOSFETが前記制御手段と同一の回路基板に搭載されることを特徴としている。
本発明の第7の構成は更に、前記ソース領域及びドレイン領域のどちらか一方と前記ウエル領域とを接続する高抵抗部を有し、前記MOSFETは、単結晶SiCを素材としてなり、前記発電機に搭載されることを特徴としている。
本発明の第8の構成は更に、前記ソース領域及びドレイン領域のどちらか一方と前記ウエル領域とを接続する高抵抗部を有し、前記MOSFETは、単結晶SiCを素材としてなり、前記制御手段と同一の回路基板に搭載されることを特徴としている。
【0013】
【作用及び発明の効果】
本発明の第1、第7及び第8の構成では、発電機とバッテリとの間に介設される半導体スイッチ部(トランスファスイッチともいう)としてMOSFETを採用するとともに、このMOSFETのソース領域及びドレイン領域のどちらかとウエル領域とを高抵抗部で電気的に接続している。
【0014】
このようにすれば、ソース領域及びドレイン領域のどちらかとウエル領域とを短絡しなくても、ゲート電極の電位変動がウエル領域とゲート電極との間のゲート容量を通じてウエル領域に作用してゲート電極と同方向にウエル領域が電位変動するなどしてMOSトランジスタ特性が低下することを防止することができる。
【0015】
更に、本実施例によれば、このMOSFETの高抵抗部でバイパスされない側の寄生ダイオード(以下、非バイパス寄生ダイオードともいう)が順バイアスする電位状態が生じた場合に非バイパス寄生ダイオードを通じて流れる順バイアス電流を必要充分に小さくすることができ、それによる問題、例えばバッテリの放電又は過充電などの問題を解消することができる。
【0016】
本発明の第1の構成では更に、前記ソース領域及びドレイン領域の一方が第2バッテリの高位端に接続されるので、以下の作用効果を奏する。
まず、非バイパス寄生ダイオードのカソードが第2バッテリの高位端に接続される場合において、第2バッテリの容量不足が生じた時に、又は、第2バッテリの定格電圧がバッテリのそれより低い時に、上記順バイアス電流がバッテリから第2バッテリ側へ流れてバッテリが容量不足となったり、第2バッテリが過充電となったりするという問題が、この高抵抗部により抑止される。
【0017】
また、非バイパス寄生ダイオードのカソードがバッテリの高位端に接続される場合において、発電機からこの非バイパス寄生ダイオードを通じてバッテリが過充電されるという問題が、この高抵抗部により抑止される。また、バッテリの容量不足が生じる場合や、バッテリの定格電圧が第2バッテリのそれより低い場合でも第2バッテリの容量不足やバッテリの過充電が生じることがない。
【0018】
本発明の第2の構成では、上記第1の構成において更に、第2バッテリがバッテリより低い定格電圧を有するとともに第2MOSFETを通じて発電機の前記出力端に接続され、更に、MOSFETの高抵抗部の一端がMOSFETのバッテリ側のソース領域又はドレイン領域に接続されるので、バッテリが発電機からこの非バイパス寄生ダイオードを通じて高電圧発電中、常時充電されて過充電となるのをこの非バイパス寄生ダイオードで遮断するとともに、発電機の低電圧発電中又は発電停止時にMOSFETの非バイパス寄生ダイオードを通じてバッテリから第2バッテリへ順バイアス電流が流れて、バッテリの容量不足や第2バッテリの過充電が生じることがない。
【0019】
本発明の第3の構成では、上記第2の構成において更に、発電機がバッテリ充電可能な発電を実施する場合に、第2MOSFETを所定のデューティ比で断続して発電機から前記第2バッテリへ充電するとともに、少なくとも第2MOSFETの導通期間中はMOSFETを遮断する。
このようにすれば、発電機が高定格電圧を有するバッテリを充電可能な高電圧発電中であっても、低定格電圧の第2バッテリを充電することができる。なお、この時、発電電圧と第2バッテリの定格電圧との差は主に発電機の内部インピーダンスで消費されるので、第2MOSFETのソース領域とドレイン領域との間に大電圧が印加されて第2MOSFETの発熱が急増することは抑止される。また、第2MOSFETの導通時にはMOSFETが遮断されるので、バッテリから第2バッテリへ電流が流れて上記と同様の理由による第2MOSFETの発熱急増を防止することができる。
【0020】
本発明の第4の構成では、上記第1乃至第3のいずれか又は第7又は第8の構成において更に、MOSFETが、単結晶SiCを素材としてなるので、以下の効果を奏することができる。すなわち、降伏電界強度が優れた単結晶SiC半導体をMOSFETとして採用することにより、MOSFETの高抵抗を有する耐圧層を薄肉化することができるので。車両用交流発電機の格段の出力向上を実現でき、このMOSFETの小型化やその冷却構造の簡素化の実現できる。
【0021】
本発明の第5の構成では、上記第4又は第7の構成において更に、SiC半導体は高温使用が可能であるので、MOSFETを発電機に内蔵することができる。このようにすれば、装置構成の簡単化を図ることができる。
本発明の第6の構成では、上記第4又は第8の構成において更に、MOSFETがオン抵抗が小さく発熱が少ないSiCを素材とするので、制御手段と同一の回路基板に搭載することができ、装置構成を一層コンパクトとすることができる。
【0022】
【実施例】
(実施例1)
本発明の一実施例を図1の回路図を参照して説明する。
1は、三相全波整流器(図示せず)を内蔵する三相同期発電機からなる車両用交流発電機であり、発電機1は充電線2、MOSFET(本発明でいう半導体スイッチ部)3、充電線4を通じてスタータ用バッテリ(本発明でいうバッテリ)5の高位端に接続され、更に、始動スイッチ50を通じてスタータ51の高位端に接続されている。
【0023】
充電線2は通常電気負荷給電用のバッテリ(本発明でいう第2バッテリ)6の高位端に接続され、更に、負荷スイッチ60を通じて通常電気負荷61の高位端に接続されている。
MOSFET3は、コントローラ7により制御されるNチャンネル絶縁ゲート電界効果トランジスタであって、発電機側主電極Dとバッテリ側主電極Sとゲート電極Gとをもつ。当然、バッテリ5の充電時には、バッテリ側主電極Sはソース電極となり、発電機側主電極Dはドレイン電極となる。DDは、発電機側主電極Dに接続されるN型領域とPウエル領域3pとの間に形成されるPN接合からなる寄生ダイオードであり、DSはバッテリ側主電極Sに接続されるN型領域との間に形成されるPN接合からなる寄生ダイオードである。
【0024】
コントローラ7は周知であるので図示省略するが、マイコン、昇圧回路、出力バッファ回路を有しており、バッテリ5又は第2バッテリ6から電源電圧を給電されている。昇圧回路はスイッチングキャパシタ回路などを内蔵して電圧V5又はV6を所定の電源電圧(少なくともバッテリ5の定格電圧+MOSFET3のしきい値電圧Vt+数V以上)を出力バッファ回路に出力する。この出力バッファ回路は電力増幅回路であって例えば低消費電力のCMOSインバータやそれをバイポーラ化したコンプリメンタリ(相補)エミッタ接地バイポーラトランジスタ回路で構成することができる。エンハンスメント型のMOSFET3を開閉制御するためにこの種の昇圧回路を用いることは周知であり、図示及びこれ以上の説明は省略する。
【0025】
この実施例では、Pウエル領域3pと発電機側主電極Dとは高抵抗部rで接続されており、したがって、寄生ダイオードDDが順バイアス状態でない場合、Pウエル領域3pと発電機側主電極Dとの間の電気抵抗は、寄生ダイオードDDの逆バイアス抵抗と高抵抗部rとの並列合成抵抗に等しい。この実施例では高抵抗部rの抵抗値は上記逆バイアス抵抗より一桁以上小さい値に設定される。
【0026】
以下、この回路の動作を説明する。
通常、MOSFET3は遮断されており、始動スイッチ50をオンすると、バッテリ5からの給電によりスタータ51が始動される。スタータ51の始動に要する容量は大きくないので、バッテリ5は小容量とすることができる。ただし、スタータ51の始動不能という事態を防止するためにバッテリ5の充電状態自体は常にある容量以上、すなわち、バッテリ5の端子電圧はある電圧値以上をキープする必要がある。
【0027】
スタータ51がエンジンを始動させてエンジン回転数が上昇すると、発電機1の発電電圧が上昇し、発電機1は第2バッテリ6を充電する。通常電気負荷61はスタータ51のような確実駆動を要求されないので、第2バッテリ6により駆動される。発電機1の出力電圧は発電機1内蔵のレギュレータ(図示せず)により制御される。すなわち、第2バッテリ6の端子電圧と所定の基準電圧とを比較して両者が一致するように発電機1の界磁電流を制御する。
【0028】
次に、コントローラ7によるMOSFET3の制御を図2のフローチャートを参照して説明する。まず、電圧V5、V6を読み込んで(100)、バッテリ5の端子電圧V5が所定の基準電圧Vrefより小さいかどうかを調べ(101)、以上であればステップ106にてMOSFET3を遮断してステップ108へ進み、そうでなければ第2バッテリ6の端子電圧V6がV5より大きいかどうかを調べ(102)、以下であればステップ106にてMOSFET3を遮断してステップ108へ進み、そうでなければMOSFET3をオンしてステップ108へ進む。ステップ108ではルーチン巡回時間の調整のために所定時間遅延してステップ100にリターンする。
【0029】
また、ステップ101、102の代わりに、バッテリ5の充電状態をモニタして、スタータ始動により放電された電気量が充電回復されるまでステップ104へ進んでバッテリ5を充電し、充電回復後又は車両停車中はステップ106へ進み、バッテリ5を電気負荷から切り離すことも可能である。
これにより、必要時のみMOSFET3を導通させて始動用のバッテリ5を充電することができるとともに、充電する必要がない場合はMOSFET3をオフして車両停車中などに電気負荷(ライト等)の消灯を忘れてもバッテリ5の放電を防止し、確実な始動を実現できる。
【0030】
本実施例において特に重要なことは、高抵抗部rによりPウエル領域3pの電位設定を行う点にある。このようにすれば、Pウエル領域3pの高速の電位変動(ゲート電極電位の静電容量を通じて影響などによる)が生じてもCR時定数の制限により高速追従には限界があるが、所定周波数以下にPウエル領域3pの電位変動を抑止することができる。しかも発電機1の発電電圧すなわち充電線2の電位V6が電位V5より大きい状態において、寄生ダイオードDSを通じての順バイアス電流を低減することができ、バッテリ5の過充電を抑止することができる。
(実施例2)
他の実施例を図3を参照して説明する。
【0031】
この実施例は、図1の実施例において高抵抗部rがバッテリ側主電極SとPウエル領域3pを接続して寄生ダイオードDSを短絡する点が実施例1と異なっている。このようにすれば、発電機1の発電時においてMOSFET3の寄生ダイオードDDを通じてバッテリ5が充電されることが完全に禁止される。更に、第2バッテリ6の電圧低下時にバッテリ5から寄生ダイオードDDを通じて第2バッテリ6へ流れる電流が大幅に減少され、これにより極めて長期の放置状態時以外を除いてバッテリ5の容量不足を解消することができる。
(実施例3)
発電機1の発電電圧を高低2段階に切り換える他の実施例を図4を参照して説明する。
【0032】
この実施例は、図1の実施例において、第2バッテリ6及び負荷スイッチ60と充電線2との間に第2MOSFET8を介設し、更に、バッテリ5の低位端を第2バッテリ6の高位端に接続した点が実施例1と異なっている。したがって、この実施例では電気負荷51は24Vの定格電圧を有している。なお、第2MOSFET8のゲート電極もコントローラ7から制御電圧を受けるものとし、第2MOSFET8のバッテリ側主電極Sは充電線9により第2バッテリ6及びスイッチ60に接続され、第2MOSFET8のバッテリ側主電極SはそのPウエル領域8pに短絡されている。
【0033】
更に、コントローラ7は充電線2の電圧V2、バッテリ5の端子電圧V5及び第2バッテリ6の端子電圧V6を読み込んで発電機1に内蔵された界磁電流制御トランジスタ11を断続制御するものとする。発電機1は、界磁巻線11に通電される界磁電流を制御する界磁電流制御トランジスタ12と三相電機子巻線13と有している。
【0034】
以下、コントローラ7の制御動作を図5、図6のフローチャートを参照して説明する。
まず、電圧V2、V5、V6を読み込んで(200)、バッテリ5の端子電圧V5が所定の基準電圧Vref1より小さいかどうかを調べ(201)、以上であればステップ208に進み、小さければV2がV5より大きいかどうかを調べる(202)。V2がV5より大きければ、MOSFET3をオンし、第2MOSFET8をオフして(204)、ステップ214に進み、V2がV5以下であれば、ステップ214に直接進む。
【0035】
一方、ステップ201でV5が基準電圧Vref1以上であれば、V6が基準電圧Vref2より小さいかどうかを調べ(208)、小さければV2がV6より大きいかどうかを調べる(210)。V2がV6より大きければ、MOSFET3をオフし、第2MOSFET8をオンして(212)、ステップ214に進み、ステップ208にてV6が基準電圧Vref2以上であればステップ214に進み、ステップ210にてV2がV6以下であればステップ214に進む。
【0036】
ステップ214〜ステップ226では、発電機1の界磁電流制御を行う。
ステップ214ではMOSFET3がオン、第2MOSFET8がオフの状態かどうかを調べ、YESであれば電圧V2が所定の基準電圧VH(基準電圧Vref1またはそれより多少大きい)とを比較する。電圧V2が所定の基準電圧VH+所定の小値a(たとえば約0.1V)より大きい場合にはトランジスタ12を遮断し(220)、電圧V2が所定の基準電圧VH−所定の小値a(たとえば約0.1V)より小さい場合にはトランジスタ12をオンし(224)、電圧V2が所定の基準電圧VH+所定の小値a(たとえば約0.1V)以下でかつ所定の基準電圧VH−所定の小値a(たとえば約0.1V)より大きい場合には直接、ステップ200にリターンする。
【0037】
同様に、ステップ214にてMOSFET3がオフ、第2MOSFET8がオンであれば電圧V2が所定の基準電圧VL(基準電圧Vref2またはそれより多少大きい)とを比較する。電圧V2が所定の基準電圧VL+所定の小値a(たとえば約0.1V)より大きい場合にはトランジスタ12を遮断し(226)、電圧V2が所定の基準電圧VL−所定の小値a(たとえば約0.1V)より小さい場合にはトランジスタ12をオンし(224)、電圧V2が所定の基準電圧VL+所定の小値a(たとえば約0.1V)以下でかつ所定の基準電圧VL−所定の小値a(たとえば約0.1V)より大きい場合には直接、ステップ200にリターンする。
【0038】
本実施例の特徴は、バッテリ5、第2バッテリ6の電位制御をMOSFET3、第2MOSFET8で行うことができるので、発電機1の発電出力電圧V2の制御はラフでよく、界磁電流制御トランジスタ12の断続を頻繁に実施する必要がなく、その頻繁な断続に伴うノイズや効率低下を抑制できることにある。
また、バッテリ5の端子電圧V5と第2バッテリ6の端子電圧V6との両方の電位を好ましいレベルに制御することができる。重要なことは、高電圧側のMOSFET3に高抵抗部rを設けた点にある。すなわち、両MOSFET3、8の寄生ダイオードDDは発電電圧が過剰となってバッテリ5、第2バッテリ6が過充電となる問題を解消する。そして高抵抗部rは、第2MOSFET8の導通時に、バッテリ5からこの高抵抗部r及びMOSFET3の寄生ダイオードDDを通じて充電電流が流れる不具合を防止できる。なお、本実施例では、バッテリ5と第2バッテリ6とを直列接続したが、両者を別個に配置することも当然可能であることは自明である。
(実施例4)
発電機1の発電電圧を切り換えずに2種類のバッテリを充電する実施例を図7のフローチャートを参照して説明する。なお、この実施例では、発電機1の発電電圧はバッテリ5を充電可能な略一定に制御される。
【0039】
本実施例は、図5のステップ210、212をステップ310、312、314に置換し、図5のステップ214、218、226を省略したものであるので、置換部分だけを説明する。
ステップ208でV6が基準電圧Vref2より小さいかどうかを調べ(208)、以上であればステップ208に進み、小さければV2がV6より大きいかどうかを調べる(210)。V2がV6以下であればステップ216に進み、V2がV6より大きければ、MOSFET3をオフし、第2MOSFET8をオンして(310)、所定時間待機する(312)。
【0040】
このようにすれば、発電機1からの出力電流は第2MOSFET8を通じて第2バッテリ6を充電する。なお、発電機1のリアクタンスは非常に大きく、電流変化は抑制されるので、第2MOSFET8に大電流が流れるのが抑制される。ステップ312にて所定の小時間経過すれば、MOSFET3をオンし、第2MOSFET8をオフして(314)、ステップ216に進む。
【0041】
すなわち、本実施例では、ステップ310、312、314により一定のデューティ比のPWM制御をソフトウエアで行う。もちろん、遅延時間ΔTを例えばV6に応じて変更することもできる。
このようにすれば、発電機1が発電電圧を切り換えることなく、第2バッテリ6を充電でき、異なる定格電圧の電気負荷を駆動できる。また、重要なことは、高電圧側のMOSFET3に高抵抗部rを設けた点にある。すなわち、両MOSFET3、8の寄生ダイオードDDは発電電圧が過剰となってバッテリ5、第2バッテリ6が過充電となる問題を解消する。そして高抵抗部rは、第2MOSFET8の導通時に、バッテリ5からこの高抵抗部r及びMOSFET3の寄生ダイオードDDを通じて充電電流が流れる不具合を防止できる。
【0042】
上記説明した本発明の特徴であるMOSFET3の高抵抗部rの一製造例を図8を参照して説明する。
n+ 基板91にn− 耐圧層92、pウエル領域93を順次エピタキシャル成長させ、pウエル領域93の表面部にn+ 領域94をイオン注入で形成し、表面に厚いシリコン酸化膜95を形成し、U溝96をトレンチし、U溝96の表面に熱酸化によりゲート絶縁膜97を形成し、その上に高リンドープポリシリコンからなるゲート電極98を形成し、次に、酸化膜95を開口してn+ 領域94の表面にアルミニウムからなる表面主電極99を形成し、更にpウエル領域93上の開口と表面主電極99とに延在する低リンドープポリシリコン膜90を高抵抗部rとして形成する。基板は単結晶6H−SiCであり、エピタキシャル層92、93はSiCホモエピタキシャル層である。
【0043】
なお、高抵抗部rとしては、この他、領域93、94間のpn接合部分に導電性粒子をイオン注入したりして、この接合の逆バイアスリーク電流を増大させる方法でも簡単に形成できる。また、図8において、低リンドープポリシリコン膜90はpウエル領域93の開口K上にだけ形成し、その上に表面主電極99を延在させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の車両用発電装置の回路図である。
【図2】図1のコントローラ7の動作を示すフローチャートである。
【図3】実施例2の車両用発電装置の回路図である。
【図4】実施例3の車両用発電装置の回路図である。
【図5】図4のコントローラ7の動作を示すフローチャートである。
【図6】図4のコントローラ7の動作を示すフローチャートである。
【図7】図4のコントローラ7の他の実施例動作を示すフローチャートである。
【図8】MOSFET3の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1は車両用交流発電機(発電機)、3は半導体スイッチ部(MOSFET)、5はバッテリ、6は第2バッテリ、7はコントローラ、8は第2MOSFETである。91は基板(ソース領域及びドレイン領域の一方)、93はウエル領域、94はn+ 領域(ソース領域及びドレイン領域の他方)、98はゲート電極、90,rは高抵抗部,Dはソース領域及びドレイン領域の一方、Sはソース領域及びドレイン領域の他方、Gはゲート電極。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an exciting current control device for an automotive alternator that PWM controls an exciting current.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a conventional vehicular power generating apparatus, an output terminal of a vehicular alternator with a built-in rectifier (hereinafter, also simply referred to as a generator) is connected to a battery and an electric load through a power supply control switch means (hereinafter, also referred to as a transfer switch). A circuit configuration for supplying power is known. The merit of charging the battery through such a transfer switch is that the battery can be separated from the generator by cutting the transfer switch as necessary, whereby the generator can be separated from another battery (hereinafter, referred to as a second battery). Or when only the second battery supplies power to, for example, a vehicle electric load, the effect of saving the capacity of the cut battery for, for example, starting the engine can be obtained.
[0003]
When power is supplied to the second battery through the second switch means (second transfer switch), the conduction of both transfer switches is switched and the power generation voltage of the generator is switched. Two batteries with the rated voltage can be charged.
As such a transfer switch, an electromagnetic relay, a reverse connection of a pair of vertical channel MOSFETs, a bipolar transistor connected in series with a backflow prevention diode, or the like can be employed. The reason why the above-mentioned pair of vertical channel MOSFETs are reverse-connected is that in the conventional MOSFET, the well region is short-circuited to the source region on the surface in order to fix the potential of the well region where the inversion channel layer is formed. When the short-circuit connection is performed in this manner, in the operation mode in which the vertical channel MOSFET is operated as an electric source region, a parasitic diode formed between the well region and the substrate is forward-biased and the MOSFET cannot be cut off current. It is because it becomes.
[0004]
The reason for connecting a reverse current prevention diode to the bipolar transistor in series is that, in a potential state where the pn junction between the emitter and the base is reverse-biased, the breakdown voltage of the pn junction is small and the breakdown easily occurs to cut off the current. It is not possible.
That is, when the transfer operation from the generator to the battery is controlled by the transfer switch, when the generated voltage decreases or disappears, the bypass current through the parasitic diode in the conventional MOSFET or the emitter of the bipolar transistor as described above. Since the breakdown current of the pn junction between the bases may flow from the battery to the generator or the second battery, conventionally, a pair of MOSFETs is connected in series as described above, or a backflow prevention diode is connected in series to the bipolar transistor. Or
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-described transfer switch is configured by an electromagnetic relay, there are problems such as the physical size, life, and operation speed of the device. Further, when a pair of series-connected MOSFETs are used as transfer switches and when a backflow prevention diode is connected in series to a bipolar transistor, an increase in power loss, an increase in accommodation space, an increase in device size, and an increase in functions requiring cooling are caused. .
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a vehicular power generation device that supplies power to a battery through a transfer switch, and that greatly simplifies the configuration and also achieves a reduction in loss. The purpose is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
First of the present invention, Seventh and eighthA vehicle alternator configured to supply an output current rectified by a built-in rectifier to a battery from an output terminal, a semiconductor switch unit interposed between the output terminal and the battery, and the semiconductor switch Control means for controlling a portion of the semiconductor switch portion, wherein the semiconductor switch portion has a first conductivity type well region having a gate electrode formed on the surface thereof via a gate insulating film, and the gate electrode is formed on the surface of the well region. A vehicular power generating device including a MOSFET (insulated gate field effect transistor) having a source region and a drain region of a second conductivity type that are electrically connected to each other by an inversion channel layer,
A power generating device for a vehicle, comprising: a high-resistance portion connecting one of the source region and the drain region to the well region.
[0008]
The resistance value of the high resistance portion is different from the resistance value of the diode connected in parallel with the high resistance portion and having a normal pn junction between the well region and the source region or the drain region at the time of reverse bias. And However, means for selectively doping (for example, ion-implanting) conductive particles such as gold into the pn junction constituting the diode to form a conductive path and reducing the resistance value of the junction at the time of reverse bias. In this case, the conductive path corresponds to the high-resistance portion in the present invention.
[0009]
The resistance value of the high-resistance portion is determined under the operating conditions in which, of the pair of parasitic diodes of the MOSFET, the parasitic diode that is not bypassed by the high-resistance portion is forward-biased and the rated maximum on-voltage is applied to the gate electrode. , The bypass current through the parasitic diode is set to be at least smaller than the channel current.
[0010]
The present invention1ConfigurationIsFurther, one of the source region and the drain region is connected to a high-order end of the second battery.
The present invention2The configuration of the above1Further, the second battery has a lower rated voltage than the battery and is connected to the output terminal of the generator through a second MOSFET, and one end of the high-resistance portion is connected to the battery side of the MOSFET. It is characterized by being connected.
[0011]
The present invention3The configuration of the above2In the configuration of the above, further, when the generator performs power generation capable of charging the battery, the control section intermittently charges the second MOSFET at a predetermined duty ratio to charge the second battery from the generator. At least during the conduction period of the second MOSFET, the MOSFET is cut off.
[0012]
The present invention4The configuration of3In any one of the above structures, the MOSFET is made of single crystal SiC.
The present invention5The configuration of the above4In the above configuration, the MOSFET is mounted on the generator.
The present invention6The configuration of the above4In the above configuration, the MOSFET is mounted on the same circuit board as the control unit.
A seventh configuration of the present invention further includes a high-resistance portion connecting one of the source region and the drain region to the well region, wherein the MOSFET is made of single-crystal SiC, It is characterized by being mounted on.
An eighth configuration of the present invention further includes a high-resistance portion connecting one of the source region and the drain region to the well region, wherein the MOSFET is made of single-crystal SiC, And mounted on the same circuit board.
[0013]
[Action and effect of the invention]
First of the present invention, Seventh and eighthIn this configuration, a MOSFET is employed as a semiconductor switch section (also referred to as a transfer switch) provided between a generator and a battery, and one of a source region and a drain region of the MOSFET and a well region are connected to a high resistance section. Are electrically connected.
[0014]
With this configuration, the potential fluctuation of the gate electrode acts on the well region through the gate capacitance between the well region and the gate electrode without short-circuiting either the source region or the drain region and the well region. In this case, it is possible to prevent the MOS transistor characteristics from deteriorating due to the potential fluctuation of the well region in the same direction.
[0015]
Further, according to the present embodiment, when a potential state occurs in which a parasitic diode (hereinafter, also referred to as a non-bypass parasitic diode) which is not bypassed in the high-resistance portion of the MOSFET is forward-biased, the current flowing through the non-bypass parasitic diode occurs. The bias current can be made sufficiently small as needed, and problems caused by the bias current, such as problems such as battery discharge or overcharge, can be solved.
[0016]
The present invention1In the configurationFurtherSince one of the source region and the drain region is connected to the higher end of the second battery, the following operation and effect can be obtained.
First, when the cathode of the non-bypass parasitic diode is connected to the high end of the second battery, when the capacity of the second battery is insufficient, or when the rated voltage of the second battery is lower than that of the battery, The problem that the forward bias current flows from the battery to the second battery side and the battery becomes insufficient in capacity or the second battery is overcharged is suppressed by the high resistance portion.
[0017]
Further, when the cathode of the non-bypass parasitic diode is connected to the high end of the battery, the problem that the battery is overcharged from the generator through the non-bypass parasitic diode is suppressed by the high resistance portion. Further, even when the battery capacity is insufficient or when the rated voltage of the battery is lower than that of the second battery, the capacity of the second battery is not insufficient and the battery is not overcharged.
[0018]
The present invention2In the configuration of1Further, the second battery has a lower rated voltage than the battery and is connected to the output terminal of the generator through the second MOSFET, and one end of the high-resistance portion of the MOSFET is connected to the battery-side source or drain region of the MOSFET. During the high-voltage generation from the generator through the non-bypass parasitic diode, the battery prevents the battery from being constantly charged and becoming overcharged by the non-bypass parasitic diode, and the low-voltage power generation of the generator or When power generation is stopped, a forward bias current flows from the battery to the second battery through the non-bypass parasitic diode of the MOSFET, so that there is no shortage of battery capacity or overcharge of the second battery.
[0019]
The present invention3In the configuration of2Further, when the generator performs battery-chargeable power generation, the second MOSFET is intermittently charged at a predetermined duty ratio to charge the second battery from the generator, and at least during the conduction period of the second MOSFET. Turn off the MOSFET.
With this configuration, the second battery having a low rated voltage can be charged even during high-voltage power generation in which the generator can charge a battery having a high rated voltage. At this time, since the difference between the generated voltage and the rated voltage of the second battery is mainly consumed by the internal impedance of the generator, a large voltage is applied between the source region and the drain region of the second MOSFET and the second voltage is applied. A sudden increase in the heat generated by the two MOSFETs is suppressed. Further, since the MOSFET is cut off when the second MOSFET is turned on, a current flows from the battery to the second battery, thereby preventing a rapid increase in heat generation of the second MOSFET for the same reason as described above.
[0020]
The present invention4In the configuration of the above,3Any ofOr seventh or eighthFurther, in the configuration described above, since the MOSFET is made of single crystal SiC, the following effects can be obtained. That is, by using a single-crystal SiC semiconductor having an excellent breakdown field strength as the MOSFET, the withstand voltage layer having a high resistance of the MOSFET can be thinned. The output of the vehicle alternator can be significantly improved, and the size of the MOSFET can be reduced and the cooling structure thereof can be simplified.
[0021]
The present invention5In the configuration of4th or 7thFurther, since the SiC semiconductor can be used at a high temperature, the MOSFET can be built in the generator. In this case, the device configuration can be simplified.
The present invention6In the configuration of4th or 8thFurthermore, since the MOSFET is made of SiC having low on-resistance and low heat generation, the MOSFET can be mounted on the same circuit board as the control means, and the device configuration can be made more compact.
[0022]
【Example】
(Example 1)
One embodiment of the present invention will be described with reference to the circuit diagram of FIG.
Reference numeral 1 denotes a vehicle AC generator including a three-phase synchronous generator including a three-phase full-wave rectifier (not shown). The generator 1 includes a charging line 2 and a MOSFET (semiconductor switch unit according to the present invention) 3. , Is connected to a high end of a starter battery (battery in the present invention) 5 through a
[0023]
The charging line 2 is connected to the higher end of a battery (second battery according to the present invention) 6 for supplying normal electric load, and further connected to the higher end of a normal
The
[0024]
Although not shown, the controller 7 includes a microcomputer, a booster circuit, and an output buffer circuit, and is supplied with a power supply voltage from the
[0025]
In this embodiment, the P-well region 3p and the generator-side main electrode D are connected by the high resistance portion r. Therefore, when the parasitic diode DD is not in a forward bias state, the P-well region 3p and the generator-side main electrode D are not connected. The electric resistance between the resistance D and the resistance D is equal to the parallel combined resistance of the reverse bias resistance of the parasitic diode DD and the high resistance part r. In this embodiment, the resistance value of the high resistance portion r is set to a value smaller than the reverse bias resistance by one digit or more.
[0026]
Hereinafter, the operation of this circuit will be described.
Normally, the
[0027]
When the
[0028]
Next, control of the
[0029]
Also, instead of
As a result, the starting
[0030]
What is particularly important in this embodiment is that the potential of the P well region 3p is set by the high resistance portion r. In this way, even if a high-speed potential change of the P-well region 3p (due to the influence of the gate electrode potential through the capacitance) occurs, there is a limit to the high-speed tracking due to the limitation of the CR time constant. Thus, the potential fluctuation of the P well region 3p can be suppressed. Moreover, when the generated voltage of the generator 1, that is, the potential V6 of the charging line 2 is higher than the potential V5, the forward bias current through the parasitic diode DS can be reduced, and the overcharge of the
(Example 2)
Another embodiment will be described with reference to FIG.
[0031]
This embodiment differs from the first embodiment in that the high resistance portion r connects the battery side main electrode S and the P well region 3p to short-circuit the parasitic diode DS in the embodiment of FIG. In this way, charging of the
(Example 3)
Another embodiment in which the generated voltage of the generator 1 is switched between high and low levels will be described with reference to FIG.
[0032]
This embodiment differs from the embodiment of FIG. 1 in that a
[0033]
Further, the controller 7 reads the voltage V2 of the charging line 2, the terminal voltage V5 of the
[0034]
Hereinafter, the control operation of the controller 7 will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
First, the voltages V2, V5, and V6 are read (200), and it is checked whether or not the terminal voltage V5 of the
[0035]
On the other hand, if V5 is equal to or higher than the reference voltage Vref1 in
[0036]
In
In
[0037]
Similarly, if the
[0038]
This embodiment is characterized in that the potential control of the
Further, both the terminal voltage V5 of the
(Example 4)
An embodiment in which two types of batteries are charged without switching the generated voltage of the generator 1 will be described with reference to the flowchart of FIG. In this embodiment, the voltage generated by the generator 1 is controlled to be substantially constant at which the
[0039]
In this embodiment, steps 210 and 212 in FIG. 5 are replaced with
In
[0040]
By doing so, the output current from the generator 1 charges the second battery 6 through the
[0041]
That is, in this embodiment, PWM control of a constant duty ratio is performed by software in
In this way, the generator 1 can charge the second battery 6 without switching the generated voltage, and can drive an electric load having a different rated voltage. What is important is that a high resistance portion r is provided in the
[0042]
A manufacturing example of the high-resistance portion r of the
n+N on the substrate 91−A breakdown voltage layer 92 and a p-
[0043]
The high resistance portion r can be easily formed by a method of increasing the reverse bias leak current of the junction by ion-implanting conductive particles into the pn junction between the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a vehicular power generating device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing an operation of a controller 7 of FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram of a vehicle power generator according to a second embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram of a vehicle power generator according to a third embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the controller 7 of FIG.
6 is a flowchart showing an operation of the controller 7 of FIG.
FIG. 7 is a flowchart showing the operation of another embodiment of the controller 7 of FIG. 4;
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating an example of a
[Explanation of symbols]
1 is a vehicle alternator (generator), 3 is a semiconductor switch unit (MOSFET), 5 is a battery, 6 is a second battery, 7 is a controller, and 8 is a second MOSFET. 91 is a substrate (one of a source region and a drain region), 93 is a well region, and 94 is n+A region (the other of the source region and the drain region), 98 is a gate electrode, 90 and r are high resistance portions, D is one of a source region and a drain region, S is the other of the source region and the drain region, and G is a gate electrode.
Claims (8)
前記ソース領域及びドレイン領域のどちらか一方と前記ウエル領域とを接続する高抵抗部を有し、
前記ソース領域及びドレイン領域の一方は第2バッテリの高位端に接続されることを特徴とする車両用発電装置。 A vehicle alternator for supplying an output current rectified by the built-in rectifier to the battery from an output terminal, a semiconductor switch disposed between the output terminal and the battery, and controlling the semiconductor switch; Control means, wherein the semiconductor switch unit includes a first conductivity type well region having a gate electrode formed on the surface thereof via a gate insulating film, and an inversion channel layer formed on the surface of the well region by the gate electrode. A power generation device for a vehicle including a MOSFET (insulated gate field effect transistor) including a source region and a drain region of a second conductivity type that are conducted to each other,
Have a high resistance portion that connects the source region and either said well region of the drain region,
One of the source region and the drain region is connected to a higher end of a second battery .
前記ソース領域及びドレイン領域のどちらか一方と前記ウエル領域とを接続する高抵抗部を有し、 A high-resistance portion connecting one of the source region and the drain region to the well region;
前記MOSFETは、単結晶SiCを素材としてなり、前記発電機に搭載されることを特徴とする車両用発電装置。 The power generation device for a vehicle, wherein the MOSFET is made of single crystal SiC and is mounted on the power generator.
前記ソース領域及びドレイン領域のどちらか一方と前記ウエル領域とを接続する高抵抗部を有し、 A high-resistance portion connecting one of the source region and the drain region to the well region;
前記MOSFETは、単結晶SiCを素材としてなり、前記制御手段と同一の回路基板に搭載されることを特徴とする車両用発電装置。 The power generation device for a vehicle, wherein the MOSFET is made of single crystal SiC and is mounted on the same circuit board as the control unit.
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Cited By (1)
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