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JP4501051B2 - Voltage control device for vehicle alternator - Google Patents
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JP4501051B2 - Voltage control device for vehicle alternator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を用いて発電機の励磁コイルの通電制御を行う車両用交流発電機の電圧制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特許2529237号公報や本出願人の出願になる特許3019377号公報は、励磁コイルへの給電制御用の半導体素子の遮断時に、制御電圧を(電流駆動力)を一定の変化率で変化させることにより、それをステップ変化させる場合に比較して半導体素子の電流減少率を緩慢化し、半導体素子とバッテリとを接続する配線のインダクタンスに起因する電磁波ノイズを低減する技術(以下、ターンオフ緩慢化技術ともいう)を開示している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した公報に開示されるターンオフ緩慢化技術は、電流減少率の低下により半導体素子の遮断時遷移期間(遮断時過渡期間)における内部損失の大幅な増大を招くため、半導体素子のチップ面積増大及び冷却構造の新たな工夫を必要とするという問題を派生させる欠点があり、実用化が困難であった。
【0004】
特に、励磁コイルの大インダクタンスに起因して遮断時遷移期間の初期に大発熱が生じるという問題があった。
【0005】
本発明は従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、励磁コイル給電電流断続用の半導体素子の発熱増大を抑止しつつノイズ低減を実現した電流車両用交流発電機の電圧制御装置を提供することを、その目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1の車両用交流発電機の電圧制御装置は、発電した交流出力を整流する整流装置を有する車両用交流発電機の励磁コイルへの給電を断続する半導体素子と、前記励磁コイルに並列に接続された還流素子と、前記整流装置の出力電圧に相関を有する信号に応じて前記出力電圧を所定の調整電圧値に収束させるべく前記半導体素子のオン、オフを指令する発電電圧制御手段と、前記の指令に基づいて前記半導体素子を制御する駆動手段とを備える車両用交流発電機の電圧制御装置において、前記半導体素子の主電極間の電圧降下に相関を有する信号電圧と所定値とを比較する比較手段を有し、前記駆動手段は、前記遮断時遷移期間にて前記信号電圧が前記所定値に達した直後に、その直前よりも前記半導体素子の制御電極の電流駆動力減少率を小さくすることを特徴としている。
【0007】
本構成によれば、遮断時遷移期間の最初に電流駆動力をステップ的に大きく減少させる通常のターンオフ動作に比較して、半導体素子の主電極間の電流変化率を小さくする(半導体素子のターンオン電流値からそれを0とするまでに要する時間を大きくする)ことにより、電流変化率di/dtに比例するサージ電圧や電磁波ノイズを低減することができる。また、電流減少率を大きくするべき上記した遮断時遷移期間の初期期間と、電流減少率を小さくするべき上記した遮断時遷移期間の残期間とを確実に判定することができる。前記信号電圧としては、前記半導体素子と前記励磁コイルとの接続点の電圧、前記半導体素子の主電極間の電圧降下、前記励磁コイルの電圧降下、前記半導体素子の主電極間の電流、前記還流素子の電流及び前記励磁コイルの電流のいずれかからなることを特徴とする。特に、ソースホロワ又はエミッタホロワ回路においては、環流電流の検出は、ただちに半導体素子の電流減少の低下開始を意味するので、特に信号電圧として好適である。
【0008】
また、遮断時遷移期間の最初から最後まで電流駆動力減少率(半導体素子の電流減少率に略等しい)を一定に保持する上記した従来のターンオフ緩慢化技術に比較して、必要な遮断時遷移期間を短縮できるので発熱を減らすことができるとともに、この遮断時遷移期間に逆比例する電磁波ノイズの周波数成分を変更することができ、車載電子装置の抑止すべき電磁波ノイズの帯域成分に重ならないようにすることができる。
【0009】
更に説明する。
【0010】
半導体素子の電流を理想的なステップ形状にターンオン電流値から0に変化させる場合には、電流変化の微分値にバッテリ電源線の配線インダクタンスを掛けてバッテリ電源線のサージ電圧が決定される。このサージ電圧の大きさは周波数が増大するほど大きくなる。一方、このサージ電圧の各周波数成分に対して、このバッテリ電源線の周囲の空間の交流インピーダンス(1/jωc)は、周波数が高いほど小さくなるので、結局、半導体素子のターンオフよりバッテリ電源線から外部に放射される電磁波ノイズの大きさは周波数の二乗に比例して大きくなり、半導体素子の電流を理想的なステップ波形でターンオフする場合に極めて大きくなることがわかる。ただし、遮断時遷移期間が極めて短期間であるので半導体素子のこの遮断時遷移期間における発熱が非常に小さくできる。
【0011】
次に、ターンオフ緩慢化技術により、たとえば半導体素子の制御電極に印加する制御電圧で代表される半導体素子の電流駆動力を一定の減少率でターンオフする場合、遮断時遷移期間における電流変化率di/dtの大きさが遮断時遷移期間の延長に反比例して小さくなるので、電磁波ノイズを格段に低減することができるが、遮断時遷移期間における半導体素子の発熱量はその分増大する。
【0012】
これに対して、本構成によれば、上記両ターンオフ手法の中間的な特性を実現でき、それほど発熱を増加させることなく電磁波ノイズを低減することができる。
すなわち、遮断時遷移期間における半導体素子の電磁波ノイズをステップ変化の場合に比較して格段に減少しつつ、上記ターンオフ緩慢化技術に比較して遮断時遷移期間の平均的な電流の大きさ削減及び遮断時遷移期間の短縮により低減することができる。
【0013】
更に、本構成では、後述するように、遮断時遷移期間の初期において電流駆動力減少にもかかわらず、励磁コイルの蓄積時期エネルギーの影響により、電流がほとんど減らない一方、半導体素子の主電極間の電圧降下も非常に大きく、発熱が大きい状態が生じるのを、電磁波ノイズの増大を抑止しつつ良好に減少することができる。
【0014】
請求項2記載の構成によれば請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において更に、前記駆動手段は、前記半導体素子の制御電圧又は制御電流を、前記遮断時遷移期間にて前記信号電圧が前記所定値に達する前と達した後において、それぞれ略一定の変化率で変化させ、前記信号電圧が前記所定値に達する前の前記変化率は、前記信号電圧が前記所定値に達した後の残期間の前記変化率よりも大きく設定されることを特徴としている。
【0015】
本構成によれば、請求項1記載の電流駆動力減少率の切り替えを簡素な回路構成で実現することができる。なお、ここでいう制御電圧又は制御電流とは半導体素子の制御電極の電位又は電流を言う。
【0016】
請求項3記載の構成によれば請求項2記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において更に、前記半導体素子は、フォロワ動作を行うことを特徴とする。ここでいうフォロワ動作とは、ソース電極又はエミッタ電極に励磁コイル及びフライホイールダイオードが接続される回路構成における動作を言うものとする。
【0017】
このようにすれば次の効果を奏することができる。
【0018】
すなわち、NチャンネルMOSFETを例として説明すれば、このソースホロワ回路では励磁コイルのインダクタンスが極めて大きいために、遮断時遷移期間の初期に、半導体素子のゲート電極電圧が低下すると、
励磁コイルが磁気エネルギーを放出して励磁コイルの電流通電を持続させる動作が生じ、ソース電極電位が低下する。
【0019】
このソース電位の低下は、NチャンネルMOSFETのチャンネル電流は飽和域で、ゲート・ソース間電圧Vgsの二乗に略比例するので、上記ソース電極の低下は半導体素子の電流の変化を抑止する。一方、このソース電極電位の低下は、NチャンネルMOSFETすなわち半導体素子の電圧効果の増大を招き、発熱を増大させる。
【0020】
つまり、遮断時遷移期間の初期には、ゲート電極電位低下による半導体素子の電流駆動能力低下にもかかわらず、半導体素子には磁気エネルギーの放出に伴う電流が電流変化を抑止するために半導体素子に流れ、半導体素子の電流変化が抑止されるわけである。このことは、遮断時遷移期間の初期には、チャンネル電流が大きく、かつ、半導体素子の電圧降下が大きく、したがって発熱が大きい状況が生じることを意味する。
【0021】
すなわち、この半導体素子のソース電極電位が高位電源電圧から低位電源電圧まで低下する遮断時遷移期間の最初の期間は、励磁コイルの磁気エネルギー放出が伴うので、実際のチャンネル電流の変化が小さい過程であり、上記のごとく電流の絶対量が大きいために発熱が大きいにもかかわらず電流減少率が小さいために電磁ノイズが小さい過程であるので、ゲート電極電圧すなわち制御電圧をできるだけ急速に低下させて次の電流減少過程に移行させることが好ましい。
【0022】
急速に移行させたとしても、この初期期間の電流変化は上述のように小さいので、ソースホロワNチャンネルMOSFETのゲート電極電位を急激に低下させても電磁波ノイズはそれほど増大しない。
【0023】
次に、半導体素子のソース電極電位が低位電源電位(接地電位)よりー0.7V程度にまで低下すると、フライホイールダイオードからNチャンネルMOSFET(半導体素子)のソース電極に環流電流が供給され、この環流電流の分及び磁気エネルギーの消耗分だけNチャンネルMOSFETのチャンネル電流低下が制御電圧の低下に追従して始まり、このチャンネル電流の減少が電磁波ノイズを生じさせる。したがって、この段階に到れば制御電圧の減少率すなわちNチャンネルMOSFETの電流駆動能力の減少率を規制して電磁波ノイズを低減することが好ましい。これにより、電磁波ノイズの増加を抑止しつつ発熱を低減することが実現する。上記説明は、ソースホロワ動作について説明したが、エミッタホロワ動作でも本質的に同じである。
【0024】
また、ソース接地動作でも類似の現象が生じる。
【0025】
すなわち、ドレイン電極又はコレクタ電極を励磁コイル及びフライホイールダイオードに接続する回路構成において、ゲート電極電位を低下させてトランジスタの電流駆動能力を低下すると、励磁コイルは電流状態を維持しようとして磁気エネルギーを電流の形で放出し、これによりドレイン電極電位は急速に高くなる。
【0026】
このドレイン電極の増大は、チャンネル電流が大きい状態での半導体素子の主電極間の電圧降下の大幅増加を意味するので、半導体素子の発熱すなわちチャンネル電流・電圧降下を大幅に増大する。また、ドレイン電極電位の増大は、チャンネル領域内のドレイン空乏層の拡大によりチャンネル電流を増大させる。
【0027】
結局、ソース接地回路構成でも、電流変化が小さくなる遮断時遷移期間の初期期間には、制御電圧(ゲート電極電圧)すなわち電流駆動能力を急速に低下させて早くこの大発熱状態を終了させる必要がある。
【0028】
次に、ドレイン電極電位が高位電源電位を約0.7V以上超えると、フライホイールダイオードに環流電流が流れ、ドレイン電極のそれ以上の上昇を阻止し、同時に環流電流分及び磁気エネルギーの減衰分だけ、半導体素子のチャンネル電流が減少し、この電流減少率に応じた電磁波ノイズが生じるので、電流駆動力減少率を小さくして電磁波ノイズを規制する。
【0032】
請求項記載の構成によれば請求項1乃至3のいずれか記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において更に、前記比較手段は、ゲート電極を有するトランジスタからなる前記半導体素子の導通時遷移期間にて前記信号電圧が前記所定値に達した直後に、その直前よりも前記半導体素子のゲート電極の充電電流を増加させ、前記遮断時遷移期間の前記放電電流の切り替えのための所定値は、前記導通時遷移期間の前記充電電流の切り替えのための前記所定値よりも高く設定されることを特徴としている。
【0033】
これにより、信号電圧の検出遅れが発生した場合でも、半導体素子に入力される制御電圧が急速に低下して完全に半導体素子をオフ状態にしてしまうことがないので、通電電流の変化速度を確実に緩やかに減少させることができるので、スパイク電圧、ラジオノイズを確実に低減することができる。
【0037】
請求項記載の車両用交流発電機の電圧制御装置は、発電した交流出力を整流する整流装置を有する車両用交流発電機の励磁コイルへの給電を断続する半導体素子と、前記励磁コイルに並列に接続された還流素子と、前記整流装置の出力電圧に相関を有する信号に応じて前記出力電圧を所定の調整電圧値に収束させるべく前記半導体素子のオン、オフを指令する発電電圧制御手段と、前記の指令に基づいて前記半導体素子を制御する駆動手段とを備える車両用交流発電機の電圧制御装置において、前記整流装置は、逆回復時間短縮型のダイオードにより構成され、前記ツェナーダイオードの逆回復時の電流変化率の最大値(%)は、前記半導体素子の遮断時遷移期間又は導通時遷移期間の電流変化率の最大値(%)の2倍以下に設定されることを特徴とする。
【0038】
本構成によれば、半導体素子がオンからオフ及び、オフからオンに状態に変化する際に、還流素子に還流電流が流れる間、すなわち整流装置により、交流出力電圧をダイオードで整流する際、ダイオードのバイアスが順方向から逆バイアスに切り替わる際にダイオードに流れるリカバリー電流を抑制できるので、充電線に発生するスパイクノイズを低減でき、ラジオノイズを抑制することができる、更に、半導体素子のスイッチング時の通電電流の時間変化率を、整流器のダイオードのリカバリ電流の時間変化率の2倍以下にするので、スイッチングによる充電線に発生するスパイクノイズレベルは、ダイオードの転流ノイズレベルに抑制できるので、交流発電機として、確実にスパイク電圧、ラジオノイズを確実に低減できる。
【0039】
又、逆回復時間短縮型のダイオードはそのブレークダウン電圧がより低くなる特徴があり、相対的に還流素子のブレークダウン電圧も低く設定できるので還流素子のリカバリ電圧も合せて低滅できる為、ノイズ低減により効果を奏する。
【0040】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な態様を以下の実施例により説明する。
【0041】
【実施例1】
この実施例の車両用交流発電機の電圧制御装置を、図1〜図3を参照して説明する。図1は車両用交流発電機の電圧制御装置の回路図を示す。
(全体構成)
車載の電気負荷1はバッテリ2により給電され、バッテリ2は、エンジン(図示しない)によって駆動される発電機3によって充電される。
【0042】
発電機3は、通電されて磁界を形成する励磁コイル4と、鎖交する励磁コイル4の発生磁界の時間変化によって起電力を発生する電機子コイル5とを有し、励磁コイル4又は電機子コイル5が図示しないエンジンにより回転駆動される。電機子コイル5の交流出力は整流回路6によって直流出力に変換された後、電気負荷1やバッテリ2へ出力される。
【0043】
発電機3の発電量つまり電機子コイル5の発電量は、発電機3の駆動速度と励磁コイル4の通電状態とによって決定され、励磁コイル4の通電状態は、制御回路7によって制御される。
【0044】
(制御回路7の構成)
制御回路7は、励磁コイル4への励磁電流を断続するための半導体素子8、フライホイールダイオード9、
バッテリ状態判定回路10、半導体素子8の端子間電圧判定回路50、チャージポンプ回路11、ゲート放電回路12、及び、前置トランジスタ32を有している。
【0045】
半導体素子8は、NチャンネルMOSFETからなり、フライホイールダイオード9が励磁コイル4と逆並列接続されている。半導体素子8のゲート電極は、前置トランジスタ32により放電され、チャージポンプ回路11により充電されて制御される。前置トランジスタ32は、ゲート放電回路12により制御され、ゲート放電回路12及びチャージポンプ回路11は、端子間電圧判定回路50及びバッテリ状態判定回路10により制御される。
【0046】
バッテリ状態判定回路10は、バッテリ2の電圧に基づいて発電機3の発電量を増大させるか減少させるか、すなわち、半導体素子8をオンするがオフするかを決定する回路であり、定電圧回路13、コンパレータ14、直列に接続されてバッテリ電圧を分圧する抵抗器15,16からなる。バッテリ状態判定回路10は、バッテリ電圧の分圧と、定電圧回路13から出力される調整電圧とをコンパレータ14で比較し、バッテリ電圧が調整電圧よりも高いとき、コンパレータ14は半導体素子8をオフするべくHiの信号を出力する。逆に、バッテリ電圧が調整電圧よりも低いとき、コンパレータ14は半導体素子8がオンするべくLoの信号を出力する。
【0047】
端子間電圧判定回路50は、半導体素子8のドレインソース間電圧の状態を判定するために半導体素子8と励磁コイル4の接続端子400の電圧を検出し、その判定結果に基づき半導体素子8のゲート電極の充放電電流値を切り換えるための切り換え信号を出力する回路である。端子間電圧判定回路50は、端子400の電圧の分圧値と、定電圧回路13が出力する調整電圧とをコンパレータ51で比較し、端子400の電圧の分圧が切り替え基準電圧よりも高いとき、コンパレータ51はHiの信号を出力し、端子400の電圧の分圧が切り替え基準電圧よりも低いとき、コンパレータ51はLoの信号を出力する。この端子400の電圧の分圧は、抵抗器52〜54トランジスタ55、ベース電流制限抵抗56及びインバータ57からなる分圧比切り換え型の抵抗分圧回路から出力される。
【0048】
この分圧比切り換え型の抵抗分圧回路の動作を説明すると、トランジスタ55がオンすると抵抗器53に抵抗器54が並列接続されて分圧比が変更される。すなわち、トランジスタ55はバッテリ電圧が調整電圧よりも高い場合にコンパレータ14の出力を受けたバッファ57からHiを入力されてオンし、バッテリ電圧が調整電圧よりも低い場合にコンパレータ14の出力を受けたバッファ57からLoを入力されてオフする。このため、分圧比は、トランジスタ55のオンにより大きくなり、オフにより小さくなる。
【0049】
したがって、端子間電圧判定回路50の切り替え判定電圧は、バッテリ電圧が調整電圧よりも低く半導体素子8がオンしていて端子400の電圧が高い状態のときに較べて、バッテリ電圧が調整電圧よりも高く半導体素子8がオフしていて端子400の電圧が低いときの方が、低くなるように設定されている。
【0050】
チャージポンプ回路11は、バッテリ状態判定回路10の出力と、端子間電圧判定回路50の出力に応じて半導体素子8のゲート電圧を制御する回路であり、定電流供給部18とポンプ部19とからなる。定電流供給部18は、カレントミラー回路を構成するトランジスタ20、21、22を備える。このカレントミラー回路は、トランジスタ23によって制御される。
【0051】
トランジスタ23は、さらにトランジスタ24、トランジスタ241、によって制御される。トランジスタ24は、バッテリ状態判定回路10のコンパレータ14の出力をインバータ25で反転した信号によってONーOFF制御される。トランジスタ241は、上記インバータ25で反転した信号と端子間電圧判定回路50の出力とを入力とするアンド回路243によってONーOFF制御される。
【0052】
すなわち、バッテリ状態判定回路10のコンパレータ14の出力がLoで、かつ、端子間電圧判定回路50のコンパレータ51の出力がHiのときに、トランジスタ241はオンする。トランジスタ24及びトランジスタ241は、それぞれ直列に接続された定電流回路26及び定電流回路261を通じてトランジスタ22のコレクタ電極から電流を引き出しており、その結果、カレントミラー回路がダイオード30,31を通じて半導体素子8に給電する充電電流の大きさは回路10,50の出力状態によって制御されることになる。
【0053】
19は電流ポンプ部19であり、定周期パルス電圧を出力する発振回路27、発振回路27によってONーOFFされるトランジスタ28、及びトランジスタ28のONーOFFによって半導体素子8のゲート電極に供給する電荷を蓄電するコンデンサ29からなる。ダイオード30、31は電流の逆流を防ぐための素子である。
【0054】
(動作)
半導体素子8のターンオン時の動作について説明する。
【0055】
半導体素子8がオフし、励磁コイル4を還流する励磁電流が減少すると、バッテリ電圧が低下する。このとき、バッテリ電圧が調整電圧よりも低くなると、バッテリ状態判定回路10のコンパレータ14がLoを出力する。すると、インバータ25で反転したHi信号によってトランジスタ24がオンし、定電流回路26にて決定されるゲート充電電流がダイオード30、31を介して半導体素子8のゲート電極に供給される。このゲート充電電流はゲート容量を徐々に充電してゲート電圧が増加する。ゲート電圧が半導体素子8の閾値を超えた時点から、半導体素子8のドレイン電流が増加する。
【0056】
ゲート電圧は徐々に増加するので、ドレイン電流の時間変化は緩やか(電流のドレイン電流の時間変化di/dtが小さい)なものとなり、スパイク電圧及びラジオノイズの抑制に寄与する。
【0057】
ゲート電圧が更に増加すると、半導体素子8のドレインーソース間電圧が減少し、端子400の電圧が上昇し始める。やがて、端子400の電圧の分圧が切り替え電圧(調整電圧)より高くなると、端子間電圧判定回路50のコンパレータ51がHiを出力し、アンド回路243がトランジスタ241をオンし、カレントミラー回路の定電流値は定電流回路26及び261の合成値となり、半導体素子8のゲートに供給されるゲート充電電流を増加する。その結果、半導体素子8のゲート電圧は速やかに上昇し、半導体素子のドレインーソース電圧は急速に低減する。
【0058】
この状態では、ドレイン電流が大きく、ドレインーソース電圧が高いので、発熱が大きくなる(能動領域にて使用される)領域であるが、ゲート電圧が速やかに上昇するため変化時間が短く、発熱量(電圧×電流×時間)を抑制できる。このように、ゲート充電電流を切り替える場合、好ましくは充電電流比として20倍程度差をつけると良い。
【0059】
更に、端子400の電圧がバッテリ電圧近くになると、ポンプ部19のコンデンサ29の容量C、発振回路27の発振周期f、及びコンデンサ29の印加電圧Vcにてきまるチャージポンプ電流(C×Vc×f)にてゲートを充電する。
【0060】
次に、ゲート放電回路12について説明する。
【0061】
バッテリ電圧が調整電圧よりも高いとき、バッテリ状態判定回路10のコンパレータ14はインバータ25にHiを入力し、回路11による上記した半導体素子8のゲート電極充電動作が停止する。
【0062】
コンパレータ14のHi出力はインバータ43で反転されてトランジスタ35をオフする。これにより、定電流回路37の電流が、カレントミラー回路を構成するトランジスタ32、33のベース電極に入力され、トランジスタ32は定電流回路37の電流値に等しい放電電流にて、半導体素子8のゲート電極を放電し、半導体素子がオフする。
【0063】
このオフ動作過渡期間(遮断時遷移期間)の最初は、半導体素子8のドレインソース間電圧は低いので、接続端子400の電圧が高く、端子間電圧判定回路50のコンパレータ51はHiの信号を出力する。このため、バッテリ状態判定回路10のコンパレータ14よりHi信号、及び端子間電圧判定回路50のコンパレータ51より、回路12のナンド回路44にHi信号がそれぞれ入力され、ナンド回路44はトランジスタ34をオフする。従って、定電流回路36の電流がダイオ−ド38を介し、定電流回路37の電流とともに、カレントミラー回路を構成するトランジスタ32、33のベースに入力され、トランジスタ32は、定電流回路37、36の合成電流値で決まる放電電流にて、半導体素子8のゲート電極を急速放電する。その結果、半導体素子8のゲート電圧は速やかに低下することとなり、半導体素子8のドレインーソース電圧は急速に増加する。このプロセスは発熱が大きくなる領域であるが、ゲート電圧が速やかに低下するため変化時間が短く、発熱量を抑制できる。
【0064】
更に、半導体素子8のドレインーソース電圧が増加すると、端子400の電圧が低下し始め、やがて端子400の電圧が切り替え電圧より低くなると、端子間電圧判定回路50のコンパレータ51がLoを出力し、ナンド回路44がトランジスタ34をオンし、定電流回路36の電流がトランジスタ34に流れることになり、カレントミラー回路を構成するトランジスタ32、33のベース電極には定電流回路37の電流のみが流れることになる。この結果、半導体素子8のゲート電極の電荷を放電する放電電流が減少し、ゲート電圧は緩やかに低下し、半導体素子8のドレイン電流が緩やかに減少する。このプロセスでは、ドレイン電流の時間変化di/dtが小さくなり、スパイク電圧及びラジオノイズの抑制に寄与する。このように、ゲート放電電流を切り替える場合、好ましくは充電電流比として20倍程度差をつけると良い。
【0065】
なお、この実施例では、このターンオフ時に放電電流を切り替える端子400の電圧の閾値をターンオン時に較べ高くして(端子間電圧判定回路50のコンパレータ51にヒステリシスとして設けて)、このターンオフ時にコンパレータ51の動作を早め、半導体素子8が放電電流(定電流回路36+37)の大きい段階で遮断されることを防止している。好ましくは、このヒステリシスとして端子400の電圧にて1V程度差をつけるとより安定な動作が得られる。
【0066】
以上説明したように、半導体素子8のターンオン時及びターンオフ時において、半導体素子8を流れる電流の時間変化を抑制することでノイズを抑制するとともに、電流変化が小さい段階で半導体素子8の端子間電圧を速やかに増減するので、スイッチング損失を低減できる。
【0067】
【実施例2】
本発明の他の実施例を図4を参照して説明する。
【0068】
実施例1では、半導体素子の通電状態を判断するのに端子間電圧判定回路50により励磁コイル4の接続端子400の電圧を判定する。この実施例では、半導体素子8を流れる電流を検出してその電流の大小により半導体素子8のゲートの充放電電流を制御することを特徴している。
【0069】
この通電電流検出回路の動作について説明する。
【0070】
半導体素子800は、半導体素子8とミラー回路を構成するトランジスタであり、半導体素子8に流れる電流に略比例する電流を通電する。これにより、半導体素子8がオンすると半導体素子8の通電電流に略比例する電流が検出抵抗801に流れ、通電電流に対応する電圧降下が検出抵抗801の両端に発生する、この電圧降下をコンパレータ802により基準電圧Vr1と比較し、通電電流の大小により半導体素子8のターンオン時及びターンオフ時の電流の時間変化を抑制することができる。
【0071】
ここで、半導体素子800としてMOSFETを用いると、ミラー回路を構成して、トランジスタ8に流れる電流を検出するのにミラー比を比較的精度良く設定できるので好都合である。
【0072】
【実施例3】
本発明の他の実施例を図5を参照して説明する。
【0073】
本発明は、実施例2と同様、端子間電圧判定回路50の代わりに、半導体素子8がオフ時に励磁コイル4を流れる電流を環流させる還流素子に流れる電流を検出しその電流の大小により半導体素子8のゲートの充放電電流を制御するものである。
【0074】
この環流電流検出回路の動作について説明する。
【0075】
検出抵抗900は還流素子9を流れる環流電流を検出するもので、環流電流に対応した電圧降下が検出抵抗900の両端に発生する。この電圧降下をコンパレータ901により、基準電圧Vr2と比較して、半導体素子8のターンオン時及びターンオフ時電流の時間変化を抑制することができる。ここで、環流素子9を半導体素子8と同一のMOSFETで構成し、そのオン/オフを半導体素子8と相補動作させて制御し、電流の検出による、ミラー回路を構成してもよい。
【0076】
更に説明すると、半導体素子8のターンオンにおいては、環流素子9を流れる環流電流分は減少し、半導体素子8を流れる電流は増加する。従って、環流電流が流れ、環流電流検出回路にて環流中であることが判定される間は、半導体素子8の充電電流を抑制することにより半導体素子8を流れる電流の時間変化を抑制することができる。
【0077】
また、ターンオフにおいては、半導体素子8を流れる電流は減少し、環流素子9を流れる環流電流分は増加するので、環流中は半導体素子8の放電電流を抑制することによりノイズを抑制できる。
【0078】
環流電流を検出するこの実施例では、半導体素子8のオン・オフに伴う過度状態において、電流変化する状態を確実に検出でき、精度が良い。
【0079】
【実施例4】
本発明の他の実施例を図6を参照して説明する。
【0080】
本発明は、実施例1において、半導体素子8のオン時における両端電圧が十分低くなると、チャージポンプ回路の発振を止めることにより、チャージポンプ電流による電流脈動を低減するものである。
【0081】
このチャージポンプの作動制限回路の動作について説明する。
【0082】
抵抗分圧回路を構成する抵抗62、63は半導体素子8と励磁コイル4との接続点の電圧を分圧し、コンパレータ61の負入力端に入力する。抵抗分圧回路を構成する抵抗64、65は半導体素子8とバッテリ2との接続端電圧を分圧し、コンパレータ61の正入力端に入力する。コンパレータ61は両入力電圧の比較により、半導体素子8の両端電圧の状態を判定する。インバータ25がHi電圧がナンド回路66に入力される場合において、半導体素子8のゲートーソース間電圧がまだ十分に増大していない間は、半導体素子8の両端電圧が大きいので、コンパレータ61はHi出力をナンド回路66に入力する。このとき、ナンド回路66からトランジスタ67へはLoが入力されるためトランジスタ67はオフし、発振回路27の出力はトランジスタ28に入力されるのでチャージポンプ動作により、半導体素子8のゲート電圧は昇圧される。
【0083】
半導体素子8のゲート電圧が十分に増大すると、半導体素子8のオン電圧(電圧降下)が低くなり、コンパレータ61の出力が反転し、ナンド回路66にLoを入力し、ナンド66回路はトランジスタ67にHiを入力し、トランジスタ67がオンし、発信器27の信号がトランジスタ28のベースに入力されず、チャージポンプ作動は停止する。インバータ25の出力がLoとなり、半導体素子8がオフとなるときも同様である。
【0084】
【実施例5】
本発明の他の実施例を図7を参照して説明する。
【0085】
本発明は、整流器6を接合ダイオードからリカバリ電流が小さいツエナーダイオードに変更することにより、リカバリ電流の時間変化率の大きさに対して、半導体素子8のターンオン、ターンオフ時の通電電流の時間変化率の大きさを2倍以下に設定したもので、半導体素子8のスイッチングの影響を整流器6の転流ノイズレベル(約3dB程度の差、図8参照)まで低減したものである。本発明によれば、必要以上に半導体素子8のスイッチング過渡期間におけるターンオン、オフを抑制することがなく、スイッチング動作をより安定化することができる。
【0086】
(変形態様)
上記実施例では、半導体素子8をハイサイド素子として用いる回路構成を例に説明したが、ローサイド素子構成の場合も同様の効果を発揮することは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の車両用交流発電機の電圧制御装置の回路図である。
【図2】実施例1における半導体素子8のスイッチング特性を示す特性図である。
【図3】実施例1における半導体素子8のスイッチング特性を示すタイミングチャートであり、(a)はターンオン時のタイミングチャート、(b)はターンオフ時のタイミングチャートである。
【図4】実施例2の車両用交流発電機の電圧制御装置の回路図である。
【図5】実施例3の車両用交流発電機の電圧制御装置の回路図である。
【図6】実施例4の車両用交流発電機の電圧制御装置の回路図である。
【図7】(a)は実施例5の車両用交流発電機の電圧制御装置に用いたツェナーダイオードの電流変化を示すタイミングチャート、(b)は環流素子としてツェナーダイオードを用いた場合のターンオン時の半導体素子8のドレイン電流変化を示すタイミングチャート、(c)は環流素子としてツェナーダイオードを用いた場合のターンオフ時の半導体素子8のドレイン電流変化を示すタイミングチャートである。
【図8】図7で用いたツェナーダイオードのターンオン時の電流変化率/ターンオフ時の電流変化率の比と、ノイズとの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
3……発電機
4……励磁コイル
5……電機子コイル
7……制御回路
8……半導体素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage control device for an AC generator for a vehicle that controls energization of an exciting coil of a generator using a semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent No. 2529237 and Japanese Patent No. 3019377, filed by the present applicant, change the control voltage (current driving force) at a constant rate of change when the semiconductor element for feeding control to the exciting coil is cut off. A technique for slowing down the current reduction rate of the semiconductor element and reducing electromagnetic noise caused by inductance of wiring connecting the semiconductor element and the battery (hereinafter also referred to as a turn-off slowing technique). ) Is disclosed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the turn-off slowing technique disclosed in the above-mentioned publication causes a significant increase in internal loss in the transition period when the semiconductor element is cut off (transition period when the semiconductor element is cut off) due to a decrease in the current reduction rate. There is a drawback that derives the problem of increasing and requiring a new device for the cooling structure, and it is difficult to put it to practical use.
[0004]
In particular, there is a problem that a large amount of heat is generated in the early stage of the transitional period during interruption due to the large inductance of the exciting coil.
[0005]
The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and provides a voltage control apparatus for an AC generator for a current vehicle that realizes noise reduction while suppressing an increase in heat generation of a semiconductor element for interrupting exciting coil feeding current. That is the purpose.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  The voltage control device for a vehicle alternator according to claim 1 is provided in parallel with a semiconductor element for intermittently supplying power to the excitation coil of the vehicle alternator having a rectifier for rectifying the generated AC output, and in parallel with the excitation coil. A connected reflux element, and a power generation voltage control means for commanding on / off of the semiconductor element to converge the output voltage to a predetermined adjustment voltage value according to a signal correlated with the output voltage of the rectifier, In a voltage control device for a vehicle alternator comprising a driving means for controlling the semiconductor element based on the command,Comparing means for comparing a predetermined value with a signal voltage having a correlation with a voltage drop between the main electrodes of the semiconductor element, and the driving means has the signal voltage reach the predetermined value in the transition period during the shut-off. Immediately after, the current driving force reduction rate of the control electrode of the semiconductor element is made smaller than immediately beforeIt is characterized by that.
[0007]
  According to this configuration, the rate of change of current between the main electrodes of the semiconductor element is reduced (the turn-on of the semiconductor element is smaller than that of a normal turn-off operation in which the current driving force is greatly reduced stepwise at the beginning of the transition period at the time of shutoff. By increasing the time required from the current value to 0, the surge voltage and electromagnetic wave noise proportional to the current change rate di / dt can be reduced.In addition, it is possible to reliably determine the initial period of the above-described transition period at the time of interruption that should increase the current decrease rate and the remaining period of the above-described transition period at the time of interruption that should decrease the current decrease rate. The signal voltage includes a voltage at a connection point between the semiconductor element and the exciting coil, a voltage drop between the main electrodes of the semiconductor element, a voltage drop of the exciting coil, a current between the main electrodes of the semiconductor element, and the reflux. It consists of either the current of the element or the current of the exciting coil. In particular, in the source follower or emitter follower circuit, the detection of the circulating current immediately means the start of a decrease in the current decrease of the semiconductor element, and is particularly suitable as a signal voltage.
[0008]
Compared to the conventional turn-off slowing technique described above that keeps the current driving force decrease rate (approximately equal to the current decrease rate of the semiconductor element) from the beginning to the end of the transition period at the time of interruption, the necessary transition at the time of interruption is required. Since the period can be shortened, heat generation can be reduced, and the frequency component of the electromagnetic noise that is inversely proportional to the transition period at the time of interruption can be changed so that it does not overlap with the band component of the electromagnetic noise that should be suppressed by the in-vehicle electronic device. Can be.
[0009]
Further explanation will be given.
[0010]
When the current of the semiconductor element is changed to an ideal step shape from the turn-on current value to 0, the surge voltage of the battery power supply line is determined by multiplying the differential value of the current change by the wiring inductance of the battery power supply line. The magnitude of this surge voltage increases as the frequency increases. On the other hand, for each frequency component of the surge voltage, the AC impedance (1 / jωc) in the space around the battery power supply line becomes smaller as the frequency becomes higher. It can be seen that the magnitude of the electromagnetic noise radiated to the outside increases in proportion to the square of the frequency, and becomes extremely large when the current of the semiconductor element is turned off with an ideal step waveform. However, since the transition period at the time of interruption is extremely short, the heat generation of the semiconductor element during the transition period at the time of interruption can be made extremely small.
[0011]
Next, when the current driving force of the semiconductor element represented by, for example, a control voltage applied to the control electrode of the semiconductor element is turned off at a constant reduction rate by the turn-off slowing technique, the current change rate di / Since the magnitude of dt decreases in inverse proportion to the extension of the transition period at the time of interruption, electromagnetic wave noise can be significantly reduced, but the amount of heat generated by the semiconductor element during the transition period at the time of interruption increases accordingly.
[0012]
On the other hand, according to the present configuration, it is possible to realize intermediate characteristics between the two turn-off methods, and to reduce electromagnetic noise without increasing heat generation.
That is, while reducing the electromagnetic wave noise of the semiconductor element in the transition period at the time of interruption significantly compared to the case of step change, the average current reduction in the transition period at the time of interruption compared to the turn-off slowing technique and It can be reduced by shortening the transition period at the time of interruption.
[0013]
Furthermore, in this configuration, as will be described later, the current is hardly reduced due to the influence of the energy of the accumulation time of the exciting coil in spite of the decrease in the current driving force at the beginning of the transition period at the time of interruption, but between the main electrodes of the semiconductor element. The voltage drop is very large, and the generation of large heat generation can be reduced satisfactorily while suppressing the increase in electromagnetic noise.
[0014]
  According to the configuration of claim 2, in the voltage control apparatus for an AC generator for vehicle according to claim 1, the drive means further supplies the control voltage or control current of the semiconductor element to the transition period during shut-off.Before and after the signal voltage reaches the predetermined value,Each is changed at a substantially constant rate of change,Before the signal voltage reaches the predetermined valueThe rate of change ofThe signal voltage has reached the predetermined valueIt is characterized in that it is set to be larger than the rate of change of the remaining period thereafter.
[0015]
According to this configuration, switching of the current driving force reduction rate according to the first aspect can be realized with a simple circuit configuration. Note that the control voltage or control current here refers to the potential or current of the control electrode of the semiconductor element.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the voltage control apparatus for an automotive alternator according to the second aspect, the semiconductor element further performs a follower operation. The follower operation here refers to an operation in a circuit configuration in which an excitation coil and a flywheel diode are connected to a source electrode or an emitter electrode.
[0017]
In this way, the following effects can be achieved.
[0018]
That is, if an N-channel MOSFET is described as an example, in this source follower circuit, since the inductance of the exciting coil is extremely large, if the gate electrode voltage of the semiconductor element decreases at the beginning of the transition period at the time of interruption,
The exciting coil emits magnetic energy, and an operation for sustaining the energization of the exciting coil occurs, and the source electrode potential is lowered.
[0019]
This decrease in the source potential is such that the channel current of the N-channel MOSFET is in the saturation region and is approximately proportional to the square of the gate-source voltage Vgs, so that the decrease in the source electrode suppresses a change in the current of the semiconductor element. On the other hand, the decrease in the source electrode potential increases the voltage effect of the N-channel MOSFET, that is, the semiconductor element, and increases heat generation.
[0020]
In other words, at the beginning of the transition period at the time of shut-off, the current due to the release of magnetic energy is applied to the semiconductor element in order to suppress the current change despite the decrease in the current drive capability of the semiconductor element due to the decrease in the gate electrode potential. The current change of the semiconductor element is suppressed. This means that at the initial stage of the transition period at the time of interruption, a situation occurs in which the channel current is large and the voltage drop of the semiconductor element is large, so that the heat generation is large.
[0021]
That is, in the first period of the transition period when the source electrode potential of the semiconductor element is lowered from the high power supply voltage to the low power supply voltage, magnetic energy is released from the exciting coil, so that the actual channel current change is small. As described above, since the absolute amount of current is large and the heat generation is large, the current decrease rate is small and the electromagnetic noise is small. Therefore, the gate electrode voltage, that is, the control voltage is decreased as quickly as possible. It is preferable to shift to the current reduction process.
[0022]
Even if the transition is performed rapidly, the current change in this initial period is small as described above, and therefore the electromagnetic wave noise does not increase so much even if the gate electrode potential of the source follower N-channel MOSFET is rapidly decreased.
[0023]
Next, when the source electrode potential of the semiconductor element is lowered to about −0.7 V from the lower power supply potential (ground potential), a freewheeling current is supplied from the flywheel diode to the source electrode of the N-channel MOSFET (semiconductor element). The decrease in the channel current of the N-channel MOSFET starts following the decrease in the control voltage by the amount of the reflux current and the consumption of the magnetic energy, and this decrease in the channel current causes electromagnetic noise. Therefore, at this stage, it is preferable to reduce the electromagnetic wave noise by regulating the reduction rate of the control voltage, that is, the reduction rate of the current drive capability of the N-channel MOSFET. As a result, it is possible to reduce heat generation while suppressing an increase in electromagnetic wave noise. Although the above description has described the source follower operation, the same is true for the emitter follower operation.
[0024]
A similar phenomenon occurs in the grounded source operation.
[0025]
That is, in a circuit configuration in which the drain electrode or the collector electrode is connected to the excitation coil and the flywheel diode, when the gate electrode potential is lowered to reduce the current drive capability of the transistor, the excitation coil attempts to maintain the current state, This causes the drain electrode potential to rise rapidly.
[0026]
This increase in the drain electrode means a significant increase in the voltage drop between the main electrodes of the semiconductor element when the channel current is large, so that the heat generation of the semiconductor element, that is, the channel current / voltage drop is greatly increased. Further, the increase in the drain electrode potential increases the channel current due to the expansion of the drain depletion layer in the channel region.
[0027]
After all, even in the source grounded circuit configuration, in the initial period of the cut-off transition period in which the current change is small, it is necessary to quickly reduce the control voltage (gate electrode voltage), that is, the current driving capability, and quickly end this large heat generation state. is there.
[0028]
Next, when the drain electrode potential exceeds the high power supply potential by about 0.7 V or more, a reflux current flows to the flywheel diode, preventing further increase of the drain electrode, and at the same time, only the amount of the reflux current and the attenuation of magnetic energy. Since the channel current of the semiconductor element is reduced and electromagnetic noise is generated according to the current reduction rate, the current driving force reduction rate is reduced to regulate the electromagnetic noise.
[0032]
  Claim4Claims according to the arrangement describedAny one of 1 to 3Further, in the voltage control device for a vehicle alternator according to the present invention, the comparison means immediately after the signal voltage reaches the predetermined value during the transition period when the semiconductor element comprising the transistor having a gate electrode is on. Increase the charging current of the gate electrode of the semiconductor element than immediately before,When shut offThe predetermined value for switching the discharge current in the transition period is set higher than the predetermined value for switching the charging current in the transition period during conduction.
[0033]
As a result, even if a signal voltage detection delay occurs, the control voltage input to the semiconductor element does not drop rapidly and the semiconductor element is not completely turned off. Therefore, spike voltage and radio noise can be surely reduced.
[0037]
  Claim5The voltage control device for a vehicle alternator described above is connected in parallel to a semiconductor element that intermittently feeds power to the excitation coil of the vehicle alternator having a rectifier that rectifies the generated AC output, and the excitation coil. A return voltage element, and a generated voltage control means for commanding on / off of the semiconductor element to converge the output voltage to a predetermined adjustment voltage value in accordance with a signal correlated with the output voltage of the rectifier. A voltage control device for a vehicle alternator comprising a driving means for controlling the semiconductor element based on a command, wherein the rectifier device is constituted by a reverse recovery time shortening type diode, and the Zener diode at the time of reverse recovery The maximum value (%) of the current change rate is set to be not more than twice the maximum value (%) of the current change rate in the transition period when the semiconductor element is cut off or the conduction period. To.
[0038]
According to this configuration, when the semiconductor element changes from ON to OFF and from OFF to ON, the return current flows through the return element, that is, when the AC output voltage is rectified by the diode by the rectifier, the diode Since the recovery current flowing in the diode when the bias of the switching from the forward direction to the reverse bias can be suppressed, spike noise generated in the charging line can be reduced, radio noise can be suppressed, and further, when switching the semiconductor element Since the time rate of change of the energization current is less than twice the time rate of change of the recovery current of the rectifier diode, the spike noise level generated in the charging line due to switching can be suppressed to the commutation noise level of the diode. As a generator, spike voltage and radio noise can be reliably reduced.
[0039]
In addition, the reverse recovery time shortening diode has a feature that the breakdown voltage is lower, and since the breakdown voltage of the return element can be set relatively low, the recovery voltage of the return element can also be reduced. The effect is achieved by reduction.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the invention are illustrated by the following examples.
[0041]
[Example 1]
A voltage control apparatus for an automotive alternator of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a circuit diagram of a voltage control device for a vehicle alternator.
(overall structure)
The in-vehicle electric load 1 is fed by a battery 2, and the battery 2 is charged by a generator 3 driven by an engine (not shown).
[0042]
The generator 3 includes an excitation coil 4 that is energized to form a magnetic field, and an armature coil 5 that generates an electromotive force due to a time change of a magnetic field generated by the linkage excitation coil 4. The coil 5 is rotationally driven by an engine (not shown). The AC output of the armature coil 5 is converted into a DC output by the rectifier circuit 6 and then output to the electric load 1 and the battery 2.
[0043]
The power generation amount of the generator 3, that is, the power generation amount of the armature coil 5 is determined by the driving speed of the generator 3 and the energization state of the excitation coil 4, and the energization state of the excitation coil 4 is controlled by the control circuit 7.
[0044]
(Configuration of control circuit 7)
The control circuit 7 includes a semiconductor element 8 for interrupting excitation current to the excitation coil 4, a flywheel diode 9,
The battery state determination circuit 10, the inter-terminal voltage determination circuit 50 of the semiconductor element 8, the charge pump circuit 11, the gate discharge circuit 12, and the pre-transistor 32 are included.
[0045]
The semiconductor element 8 is composed of an N-channel MOSFET, and a flywheel diode 9 is connected in antiparallel with the exciting coil 4. The gate electrode of the semiconductor element 8 is discharged by the pre-transistor 32 and charged and controlled by the charge pump circuit 11. The pre-transistor 32 is controlled by the gate discharge circuit 12, and the gate discharge circuit 12 and the charge pump circuit 11 are controlled by the inter-terminal voltage determination circuit 50 and the battery state determination circuit 10.
[0046]
The battery state determination circuit 10 is a circuit that determines whether to increase or decrease the power generation amount of the generator 3 based on the voltage of the battery 2, that is, whether to turn on or off the semiconductor element 8, and is a constant voltage circuit 13, a comparator 14, and resistors 15 and 16 connected in series to divide the battery voltage. The battery state determination circuit 10 compares the divided voltage of the battery voltage with the adjustment voltage output from the constant voltage circuit 13, and when the battery voltage is higher than the adjustment voltage, the comparator 14 turns off the semiconductor element 8. A Hi signal is output as much as possible. Conversely, when the battery voltage is lower than the adjustment voltage, the comparator 14 outputs a Lo signal so that the semiconductor element 8 is turned on.
[0047]
The inter-terminal voltage determination circuit 50 detects the voltage of the connection terminal 400 of the semiconductor element 8 and the exciting coil 4 in order to determine the state of the drain-source voltage of the semiconductor element 8, and based on the determination result, the gate of the semiconductor element 8 It is a circuit that outputs a switching signal for switching the charge / discharge current value of the electrode. The inter-terminal voltage determination circuit 50 compares the divided voltage value of the voltage at the terminal 400 and the adjustment voltage output from the constant voltage circuit 13 by the comparator 51, and when the divided voltage at the terminal 400 is higher than the switching reference voltage. The comparator 51 outputs a Hi signal, and when the divided voltage of the voltage at the terminal 400 is lower than the switching reference voltage, the comparator 51 outputs a Lo signal. The voltage division of the voltage at the terminal 400 is output from a voltage dividing ratio switching type resistance voltage dividing circuit including resistors 52 to 54, a transistor 55, a base current limiting resistor 56, and an inverter 57.
[0048]
The operation of the voltage dividing ratio switching type resistance voltage dividing circuit will be described. When the transistor 55 is turned on, the resistor 54 is connected in parallel to the resistor 53, and the voltage dividing ratio is changed. That is, the transistor 55 is turned on when Hi is input from the buffer 57 that has received the output of the comparator 14 when the battery voltage is higher than the adjustment voltage, and receives the output of the comparator 14 when the battery voltage is lower than the adjustment voltage. The Lo is input from the buffer 57 and turned off. Therefore, the voltage division ratio increases when the transistor 55 is turned on and decreases when the transistor 55 is turned off.
[0049]
Therefore, the switching determination voltage of the inter-terminal voltage determination circuit 50 is such that the battery voltage is lower than the adjustment voltage as compared with the case where the battery voltage is lower than the adjustment voltage and the semiconductor element 8 is on and the voltage at the terminal 400 is high. It is set to be lower when the semiconductor element 8 is higher and the voltage at the terminal 400 is lower.
[0050]
The charge pump circuit 11 is a circuit that controls the gate voltage of the semiconductor element 8 according to the output of the battery state determination circuit 10 and the output of the inter-terminal voltage determination circuit 50, and includes a constant current supply unit 18 and a pump unit 19. Become. The constant current supply unit 18 includes transistors 20, 21, and 22 constituting a current mirror circuit. This current mirror circuit is controlled by the transistor 23.
[0051]
The transistor 23 is further controlled by a transistor 24 and a transistor 241. The transistor 24 is ON / OFF controlled by a signal obtained by inverting the output of the comparator 14 of the battery state determination circuit 10 by the inverter 25. The transistor 241 is ON / OFF controlled by an AND circuit 243 that receives the signal inverted by the inverter 25 and the output of the inter-terminal voltage determination circuit 50 as inputs.
[0052]
That is, when the output of the comparator 14 of the battery state determination circuit 10 is Lo and the output of the comparator 51 of the inter-terminal voltage determination circuit 50 is Hi, the transistor 241 is turned on. The transistor 24 and the transistor 241 draw current from the collector electrode of the transistor 22 through the constant current circuit 26 and the constant current circuit 261 connected in series, respectively. The magnitude of the charging current to be fed to is controlled by the output state of the circuits 10 and 50.
[0053]
Reference numeral 19 denotes a current pump unit 19, which includes an oscillation circuit 27 that outputs a periodic pulse voltage, a transistor 28 that is turned on and off by the oscillation circuit 27, and a charge that is supplied to the gate electrode of the semiconductor element 8 when the transistor 28 is turned on and off. It consists of the capacitor | condenser 29 which accumulates. The diodes 30 and 31 are elements for preventing a reverse current flow.
[0054]
(Operation)
An operation when the semiconductor element 8 is turned on will be described.
[0055]
When the semiconductor element 8 is turned off and the exciting current flowing back through the exciting coil 4 decreases, the battery voltage decreases. At this time, when the battery voltage becomes lower than the adjustment voltage, the comparator 14 of the battery state determination circuit 10 outputs Lo. Then, the transistor 24 is turned on by the Hi signal inverted by the inverter 25, and the gate charging current determined by the constant current circuit 26 is supplied to the gate electrode of the semiconductor element 8 through the diodes 30 and 31. This gate charging current gradually charges the gate capacitance and increases the gate voltage. From the time when the gate voltage exceeds the threshold value of the semiconductor element 8, the drain current of the semiconductor element 8 increases.
[0056]
Since the gate voltage gradually increases, the time change of the drain current becomes gentle (the time change di / dt of the current drain current is small), which contributes to suppression of spike voltage and radio noise.
[0057]
As the gate voltage further increases, the drain-source voltage of the semiconductor element 8 decreases, and the voltage at the terminal 400 begins to rise. Eventually, when the voltage division of the voltage at the terminal 400 becomes higher than the switching voltage (adjustment voltage), the comparator 51 of the inter-terminal voltage determination circuit 50 outputs Hi, the AND circuit 243 turns on the transistor 241, and the current mirror circuit is fixed. The current value becomes a composite value of the constant current circuits 26 and 261 and increases the gate charging current supplied to the gate of the semiconductor element 8. As a result, the gate voltage of the semiconductor element 8 increases rapidly, and the drain-source voltage of the semiconductor element decreases rapidly.
[0058]
In this state, the drain current is large and the drain-source voltage is high, so the heat generation is large (used in the active region). However, since the gate voltage rises quickly, the change time is short and the heat generation amount (Voltage × current × time) can be suppressed. Thus, when switching the gate charging current, it is preferable to make a difference of about 20 times as the charging current ratio.
[0059]
Further, when the voltage at the terminal 400 becomes close to the battery voltage, the charge pump current (C × Vc × f) that is determined by the capacitance C of the capacitor 29 of the pump unit 19, the oscillation period f of the oscillation circuit 27, and the applied voltage Vc of the capacitor 29. ) To charge the gate.
[0060]
Next, the gate discharge circuit 12 will be described.
[0061]
When the battery voltage is higher than the adjustment voltage, the comparator 14 of the battery state determination circuit 10 inputs Hi to the inverter 25, and the gate electrode charging operation of the semiconductor element 8 by the circuit 11 is stopped.
[0062]
The Hi output of the comparator 14 is inverted by the inverter 43 to turn off the transistor 35. As a result, the current of the constant current circuit 37 is input to the base electrodes of the transistors 32 and 33 constituting the current mirror circuit, and the transistor 32 has a discharge current equal to the current value of the constant current circuit 37 and the gate of the semiconductor element 8. The electrode is discharged and the semiconductor element is turned off.
[0063]
Since the drain-source voltage of the semiconductor element 8 is low at the beginning of the off-operation transition period (transition period when cut off), the voltage of the connection terminal 400 is high, and the comparator 51 of the terminal voltage determination circuit 50 outputs a Hi signal. To do. Therefore, the Hi signal is input from the comparator 14 of the battery state determination circuit 10 and the Hi signal is input from the comparator 51 of the inter-terminal voltage determination circuit 50 to the NAND circuit 44 of the circuit 12. The NAND circuit 44 turns off the transistor 34. . Therefore, the current of the constant current circuit 36 is input to the bases of the transistors 32 and 33 constituting the current mirror circuit together with the current of the constant current circuit 37 via the diode 38. The transistor 32 is connected to the constant current circuits 37 and 36. The gate electrode of the semiconductor element 8 is rapidly discharged with a discharge current determined by the combined current value. As a result, the gate voltage of the semiconductor element 8 quickly decreases, and the drain-source voltage of the semiconductor element 8 increases rapidly. This process is a region where heat generation is large, but since the gate voltage decreases rapidly, the change time is short and the amount of heat generation can be suppressed.
[0064]
Further, when the drain-source voltage of the semiconductor element 8 increases, the voltage at the terminal 400 starts to decrease. When the voltage at the terminal 400 eventually becomes lower than the switching voltage, the comparator 51 of the inter-terminal voltage determination circuit 50 outputs Lo, The NAND circuit 44 turns on the transistor 34, and the current of the constant current circuit 36 flows through the transistor 34. Only the current of the constant current circuit 37 flows through the base electrodes of the transistors 32 and 33 constituting the current mirror circuit. become. As a result, the discharge current for discharging the charge of the gate electrode of the semiconductor element 8 decreases, the gate voltage gradually decreases, and the drain current of the semiconductor element 8 decreases gradually. In this process, the time change di / dt of the drain current is reduced, which contributes to suppression of spike voltage and radio noise. Thus, when switching the gate discharge current, it is preferable to make a difference of about 20 times as the charge current ratio.
[0065]
In this embodiment, the threshold voltage of the terminal 400 for switching the discharge current at the time of turn-off is set higher than that at the time of turn-on (provided as a hysteresis in the comparator 51 of the inter-terminal voltage determination circuit 50). The operation is accelerated and the semiconductor element 8 is prevented from being cut off at a stage where the discharge current (constant current circuit 36 + 37) is large. Preferably, a more stable operation can be obtained by making a difference of about 1 V in the voltage of the terminal 400 as this hysteresis.
[0066]
As described above, when the semiconductor element 8 is turned on and off, noise is suppressed by suppressing the time change of the current flowing through the semiconductor element 8, and the voltage across the terminals of the semiconductor element 8 at a stage where the current change is small. The switching loss can be reduced.
[0067]
[Example 2]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0068]
In the first embodiment, the voltage at the connection terminal 400 of the exciting coil 4 is determined by the inter-terminal voltage determination circuit 50 in order to determine the energization state of the semiconductor element. In this embodiment, the current flowing through the semiconductor element 8 is detected, and the charge / discharge current of the gate of the semiconductor element 8 is controlled by the magnitude of the current.
[0069]
The operation of this energization current detection circuit will be described.
[0070]
The semiconductor element 800 is a transistor that forms a mirror circuit with the semiconductor element 8, and supplies a current that is substantially proportional to the current flowing through the semiconductor element 8. As a result, when the semiconductor element 8 is turned on, a current substantially proportional to the energization current of the semiconductor element 8 flows to the detection resistor 801, and a voltage drop corresponding to the energization current is generated at both ends of the detection resistor 801. Thus, compared with the reference voltage Vr1, it is possible to suppress the time change of the current when the semiconductor element 8 is turned on and turned off by the magnitude of the energization current.
[0071]
Here, if a MOSFET is used as the semiconductor element 800, it is advantageous because a mirror ratio can be set with a relatively high accuracy to configure a mirror circuit and detect the current flowing through the transistor 8.
[0072]
[Example 3]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0073]
In the present invention, as in the second embodiment, instead of the inter-terminal voltage determination circuit 50, the current flowing through the return element that circulates the current flowing through the exciting coil 4 when the semiconductor element 8 is off is detected, and the semiconductor element is determined by the magnitude of the current 8 is used to control the charge / discharge current of the gate.
[0074]
The operation of this circulating current detection circuit will be described.
[0075]
The detection resistor 900 detects the circulating current flowing through the return element 9, and a voltage drop corresponding to the circulating current is generated at both ends of the detection resistor 900. Comparing this voltage drop with the reference voltage Vr2 by the comparator 901, it is possible to suppress the time change of the current when the semiconductor element 8 is turned on and when it is turned off. Here, the recirculation element 9 may be configured by the same MOSFET as the semiconductor element 8, and the mirror circuit may be configured by detecting the current by controlling the on / off operation of the semiconductor element 8 in a complementary manner.
[0076]
More specifically, when the semiconductor element 8 is turned on, the amount of the circulating current flowing through the circulating element 9 decreases and the current flowing through the semiconductor element 8 increases. Therefore, while the circulating current flows and it is determined that the circulating current detection circuit is circulating, it is possible to suppress the time change of the current flowing through the semiconductor element 8 by suppressing the charging current of the semiconductor element 8. it can.
[0077]
In turn-off, since the current flowing through the semiconductor element 8 decreases and the amount of the circulating current flowing through the circulating element 9 increases, noise can be suppressed by suppressing the discharge current of the semiconductor element 8 during the circulating flow.
[0078]
In this embodiment for detecting the circulating current, it is possible to reliably detect the state in which the current changes in the transient state associated with the on / off of the semiconductor element 8, and the accuracy is high.
[0079]
[Example 4]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0080]
The present invention is to reduce current pulsation due to a charge pump current by stopping oscillation of the charge pump circuit when the voltage across the semiconductor element 8 is sufficiently low in the first embodiment in the first embodiment.
[0081]
The operation of this charge pump operation limiting circuit will be described.
[0082]
The resistors 62 and 63 constituting the resistance voltage dividing circuit divide the voltage at the connection point between the semiconductor element 8 and the exciting coil 4 and input it to the negative input terminal of the comparator 61. The resistors 64 and 65 constituting the resistance voltage dividing circuit divide the connection terminal voltage between the semiconductor element 8 and the battery 2 and input the voltage to the positive input terminal of the comparator 61. The comparator 61 determines the state of the voltage across the semiconductor element 8 by comparing both input voltages. When the inverter 25 inputs the Hi voltage to the NAND circuit 66, the voltage across the semiconductor element 8 is high while the gate-source voltage of the semiconductor element 8 has not yet increased sufficiently, so the comparator 61 outputs the Hi output. Input to the NAND circuit 66. At this time, since Lo is input from the NAND circuit 66 to the transistor 67, the transistor 67 is turned off, and the output of the oscillation circuit 27 is input to the transistor 28. Therefore, the gate voltage of the semiconductor element 8 is boosted by the charge pump operation. The
[0083]
When the gate voltage of the semiconductor element 8 increases sufficiently, the ON voltage (voltage drop) of the semiconductor element 8 decreases, the output of the comparator 61 is inverted, Lo is input to the NAND circuit 66, and the NAND 66 circuit is connected to the transistor 67. Hi is input, the transistor 67 is turned on, the signal of the transmitter 27 is not input to the base of the transistor 28, and the charge pump operation is stopped. The same applies when the output of the inverter 25 becomes Lo and the semiconductor element 8 is turned off.
[0084]
[Example 5]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0085]
In the present invention, by changing the rectifier 6 from a junction diode to a Zener diode having a small recovery current, the time change rate of the energization current when the semiconductor element 8 is turned on and off with respect to the magnitude of the time change rate of the recovery current. The effect of switching of the semiconductor element 8 is reduced to the commutation noise level of the rectifier 6 (difference of about 3 dB, see FIG. 8). According to the present invention, the switching operation can be further stabilized without suppressing the turn-on and turn-off of the semiconductor element 8 during the switching transient period more than necessary.
[0086]
(Modification)
In the above-described embodiment, the circuit configuration using the semiconductor element 8 as the high-side element has been described as an example. However, it goes without saying that the same effect is exhibited even in the case of the low-side element configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a voltage control device for a vehicular AC generator according to a first embodiment;
2 is a characteristic diagram showing switching characteristics of the semiconductor element 8 in Example 1. FIG.
3A and 3B are timing charts showing switching characteristics of the semiconductor element 8 according to the first embodiment. FIG. 3A is a timing chart at the time of turn-on, and FIG. 3B is a timing chart at the time of turn-off.
4 is a circuit diagram of a voltage control device for a vehicle AC generator according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram of a voltage control device for a vehicle AC generator according to a third embodiment.
FIG. 6 is a circuit diagram of a voltage control apparatus for an automotive alternator according to a fourth embodiment.
7A is a timing chart showing a change in current of a Zener diode used in the voltage control device for a vehicle alternator of Example 5, and FIG. 7B is a turn-on time when a Zener diode is used as a circulating element. FIG. 7C is a timing chart showing a change in drain current of the semiconductor element 8 at turn-off when a Zener diode is used as a circulating element.
8 is a characteristic diagram showing the relationship between the ratio of the current change rate at turn-on / current change rate at turn-off of the Zener diode used in FIG. 7 and noise.
[Explanation of symbols]
3 …… Generator
4 ... Excitation coil
5 ... Armature coil
7. Control circuit
8 …… Semiconductor element

Claims (5)

発電した交流出力を整流する整流装置を有する車両用交流発電機の励磁コイルへの給電を断続する半導体素子と、
前記励磁コイルに並列に接続された還流素子と、
前記整流装置の出力電圧に相関を有する信号に応じて前記出力電圧を所定の調整電圧値に収束させるべく前記半導体素子のオン、オフを指令する発電電圧制御手段と、
前記の指令に基づいて前記半導体素子を制御する駆動手段と、
を備える車両用交流発電機の電圧制御装置において、
前記半導体素子の主電極間の電圧降下に相関を有する信号電圧と所定値とを比較する比較手段を有し、
前記駆動手段は、前記遮断時遷移期間にて前記信号電圧が前記所定値に達した直後に、その直前よりも前記半導体素子の制御電極の電流駆動力減少率を小さくすることを特徴とする車両用交流発電機の電圧制御装置。
A semiconductor element that intermittently feeds power to the exciting coil of an AC generator for vehicles having a rectifier that rectifies the generated AC output;
A reflux element connected in parallel to the exciting coil;
A generated voltage control means for commanding on / off of the semiconductor element to converge the output voltage to a predetermined adjustment voltage value in accordance with a signal correlated with the output voltage of the rectifier;
Drive means for controlling the semiconductor element based on the command;
In a voltage control device for a vehicle alternator comprising:
Comparing means for comparing a predetermined value with a signal voltage having a correlation with a voltage drop between the main electrodes of the semiconductor element,
The vehicle is characterized in that immediately after the signal voltage reaches the predetermined value in the transition period at the time of the cutoff, the current driving force reduction rate of the control electrode of the semiconductor element is made smaller than immediately before the signal voltage. AC generator voltage control device.
請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において、
前記駆動手段は、前記半導体素子の制御電圧又は制御電流を、前記遮断時遷移期間にて前記信号電圧が前記所定値に達する前と達した後において、それぞれ略一定の変化率で変化させ、
前記信号電圧が前記所定値に達する前の前記変化率は、前記信号電圧が前記所定値に達した後の前記変化率よりも大きく設定されることを特徴とする車両用交流発電機の電圧制御装置。
In the voltage control apparatus of the alternating current generator for vehicles of Claim 1,
The driving means changes the control voltage or control current of the semiconductor element at a substantially constant rate of change after the signal voltage reaches before the predetermined value in the transition period at the time of interruption,
The voltage control of an AC generator for a vehicle, wherein the rate of change before the signal voltage reaches the predetermined value is set larger than the rate of change after the signal voltage reaches the predetermined value. apparatus.
請求項2記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において、
前記半導体素子は、フォロワ動作を行うことを特徴とする車両用交流発電機の電圧制御装置。
In the voltage control apparatus of the alternating current generator for vehicles of Claim 2,
The voltage control apparatus for an AC generator for a vehicle, wherein the semiconductor element performs a follower operation.
請求項1乃至3記載のいずれか記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において、
前記比較手段は、ゲート電極を有するトランジスタからなる前記半導体素子の導通時遷移期間にて前記信号電圧が所定値に達した直後に、その直前よりも前記半導体素子のゲート電極の充電電流を増加させ、
前記遮断時遷移期間の前記放電電流の切り替えのための所定値は、前記導通時遷移期間の前記充電電流の切り替えのための前記所定値よりも高く設定されることを特徴とする電圧制御装置。
In the voltage control apparatus of the alternating current generator for vehicles in any one of Claims 1 thru | or 3 ,
The comparison means increases the charging current of the gate electrode of the semiconductor element immediately before the signal voltage reaches a predetermined value in the transition period when the semiconductor element including the transistor having the gate electrode is in a conduction state. ,
The voltage control device according to claim 1, wherein the predetermined value for switching the discharge current in the transition period at the time of interruption is set higher than the predetermined value for switching the charging current in the transition period at the time of conduction.
発電した交流出力を整流する整流装置を有する車両用交流発電機の励磁コイルへの給電を断続する半導体素子と、
前記励磁コイルに並列に接続された還流素子と、
前記整流装置の出力電圧に相関を有する信号に応じて前記出力電圧を所定の調整電圧値に収束させるべく前記半導体素子のオン、オフを指令する発電電圧制御手段と、
前記の指令に基づいて前記半導体素子を制御する駆動手段と、
を備える車両用交流発電機の電圧制御装置において、
前記整流装置は、
逆回復時間短縮型のダイオードにより構成され、
前記ツェナーダイオードの逆回復時の電流変化率の最大値(%)は、前記半導体素子の遮断時遷移期間又は導通時遷移期間の電流変化率の最大値(%)の2倍以下に設定されることを特徴とする車両用交流発電機の電圧制御装置。
A semiconductor element that intermittently feeds power to the exciting coil of an AC generator for vehicles having a rectifier that rectifies the generated AC output;
A reflux element connected in parallel to the exciting coil;
A generated voltage control means for commanding on / off of the semiconductor element to converge the output voltage to a predetermined adjustment voltage value in accordance with a signal correlated with the output voltage of the rectifier;
Drive means for controlling the semiconductor element based on the command;
In a voltage control device for a vehicle alternator comprising:
The rectifier is
Consists of diodes with reduced reverse recovery time,
The maximum value (%) of the current change rate at the time of reverse recovery of the Zener diode is set to be not more than twice the maximum value (%) of the current change rate during the transition period when the semiconductor element is cut off or when the semiconductor element is turned on. A voltage control apparatus for an AC generator for a vehicle.
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