JP4511793B2 - ジェネレータに対するダイオード装置 - Google Patents

Description

従来技術
１４Ｖの車両電源回路網では電流制限用の受動の整流器ブリッジ回路を備えた回転機クロウポールジェネレータが一般に使用されている。例えば大きな負荷電流が急にオフとなって負荷が外れると（＝ロードダンプが生じると）、ジェネレータ出力側電圧制御部の応答遅延のためにジェネレータの出力側に高い無負荷電圧が生じる。過負荷電圧が起こす電源回路網の障害を回避するには、この過負荷電圧を制限しなければならない。このために一般には整流器としてツェナーダイオードが使用される。これはきわめて低コストで実現できる手段である。整流器ダイオード（ツェナーダイオード）は通常動作ではジェネレータで形成される相交流電圧の整流に用いられる。このときツェナーダイオードは順方向で駆動され、アノードからカソードへ電流が流れる。

１４Ｖ電源回路網では整流器のツェナーダイオードは所定のトレランス条件を満足する。ここで電源回路網にとってジェネレータの限界状況としての最大電圧は通常電圧の約２倍である。高い給電電圧を有する電源回路網にとってこの比は簡単には送ることができない。なぜならこの種の給電電圧の２倍の値はあまりに高く、保護手段が必要となるからである。

本発明の利点
本発明のダイオード装置およびジェネレータは従来技術に比べて、直流電源回路網への給電電圧が高い場合にも電源回路網の過負荷の防止が保証される利点を有する。その際に、入手しやすいツェナーダイオードを整流器ダイオードとして用いることができる。

従属請求項に記載された手段により、本発明のダイオード装置およびジェネレータの有利な実施形態および改善形態が得られる。

図面
本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。図１には整流器とこれに接続された直流電源回路網とを備えたジェネレータが示されている。図２には本発明の整流器装置が示されている。図３には本発明の整流器ダイオードのトレランス領域の例が示されている。

実施例の説明
図１には整流器装置１０を備えたジェネレータ２０が示されている。さらにジェネレータ２０に接続された制御装置３０も示されている。整流器装置１０はジェネレータ２０に接続されており、図１では図示されていないジェネレータ２０の交流電圧を送出する出力側は出力側は整流器装置１０の同様に図示されていない交流電圧端子に相応する。整流器装置１０は２つの直流電圧端子、すなわち第１の直流電圧端子Ｂ＋および第２の直流電圧端子Ｂ−を有しており、これらは直流電源回路網１００に接続されている。さらに整流器１０は整流された直流電圧出力側Ｂ＋、Ｂ−の電圧を平滑化するコンデンサを有しているが、これは図示されていない。直流電源回路網１００は第１の直流電圧端子Ｂ＋と直流電流源１００とのあいだに接続線路９０を有している。接続線路９０は残りの直流電源回路網１００への接続も形成する。直流電源回路網１００はさらにバッテリ６０を有しており、これは一般には少なくとも１つの第１の負荷４０と第２の負荷５０とを有している。第２の負荷は詳細には示されていないスイッチを介して直流電源回路網１００に接続されるか、またはオンオフ可能または分離可能に構成されている。

直流電源回路網１００は本発明によれば特に車両の搭載電源回路網として構成されている。したがって以下では搭載電源回路網も直流電源回路網も同じものであるとする。

図２には図１の整流器装置１０が拡大図で示されている。整流器装置１０は複数のダイオードを有しており、このためこの整流器装置１０は本発明によればダイオード装置とも称される。ダイオード装置１０は第１のダイオード２、第２のダイオード３、第３のダイオード４、第４のダイオード５、第５のダイオード６、および第６のダイオード７を有している。ダイオード２〜７は本発明によればツェナーダイオードとして設けられており、従来の形式の１つの整流器ブリッジ回路を形成している。図２にはダイオード装置の左側に交流電圧端子が示されている。この端子は第１の交流電圧端子Ｕ、第２の交流電圧端子Ｖ、第３の交流電圧端子Ｗを有している。図２の整流器装置１０の右側には、ダイオード装置１０の直流電流端子Ｂ＋、Ｂ−が示されている。

通常動作、すなわち交流電圧端子（交流電圧入力側）Ｕ、Ｖ、Ｗに印加される相交流電圧を整流するときには、ダイオード２〜７は順方向で駆動され、電流はアノードからカソードへ流れる。これは図２では細かい破線のライン１で示されている。第１の交流電圧端子Ｕと第２の交流電圧端子Ｖとのあいだの正の半波を整流すると、電流路は例えば第１の交流電圧端子Ｕからまず順方向で活性化される第１のダイオード２へ通じ、第１の直流電圧端子Ｂ＋および電源回路網１００を介して第２の直流電圧端子Ｂ−へ達し、そこから第５のダイオード６を介して第２の交流電圧端子Ｖへ通じる。第１のダイオード２および第５のダイオード６はこのとき順方向で駆動される。

ロードダンプのケースでは、相交流電圧が上昇し、交流電圧端子（相端子）Ｕ、Ｖ、Ｗのあいだに存在するダイオードのコンビネーションによって制限される。ここでダイオード２〜７は少なくとも部分的にツェナーブレイクダウンで阻止方向に駆動される。制限電圧はここでは主として阻止方向に駆動されるダイオード２〜７のツェナー電圧によって定められる。相制限電圧はダイオードの順方向電圧とダイオードのツェナー電圧との和から得られる。このようなロードダンプのケースが図２で大きい破線のライン１３の電流路として示されている。

この場合の電流路は第１の交流電圧端子Ｕから順方向の第１のダイオード２および阻止方向の第２のダイオード３を介して第２の交流電圧端子Ｖへ通じ、さらに阻止方向の第４のダイオード５および順方向の第５のダイオード６を介してやはり第２の交流電圧端子Ｖへ通じる。ここで直流電圧端子Ｂ＋、Ｂ−にはダイオードのツェナー電圧とダイオードの順方向電圧とのあいだの差から得られる電源回路網制限電圧がかかる。ダイオードのツェナー電圧はダイオードの順方向電圧よりも格段に大きいので、最終的には直流電圧端子Ｂ＋、Ｂ−にかかるロードダンプ制限電圧は主としてブレイクダウン電圧すなわちツェナーダイオード２〜７のツェナー電圧によって定まる。これは一方では低電流および室温の既定条件で指示されるツェナーダイオード２〜７のツェナー電圧の製造トレランスから、他方ではツェナーダイオードの駆動状況（例えば阻止方向電流やダイオードの阻止層温度）から定まる別の成分から生じる。これにより全体で製造トレランスおよびダイオードの駆動条件（電流、阻止層温度）によって定まるロードダンプ制限電圧のトレランス領域が得られる。なお阻止層温度は各適用状況における外部の駆動温度、内部の損失電力、およびダイオードの冷却率に依存している。整流器ツェナーダイオードを効果的なロードダンプ電圧の制限に使用するためには、ツェナー電圧が全ての駆動領域で種々の適用状況または要求（例えば規格および安全性基準など）によって定められるトレランス領域を上方超過または下方超過しないことを保証しなければならない。

本発明によれば、整流器ツェナーダイオード２〜７を例えば従来の電源回路網の１４Ｖの目標電圧よりも格段に高い目標電圧を有する電源回路網１００に使用することができる。このために特にブレイクダウン電圧のトレランスを低減する手段を設けなければならない。極端な条件を云えば、一方ではツェナーダイオードをジェネレータ２０および整流器１０の通常動作（ロードダンプ以外のケース）で時間によってツェナーブレイクダウンで駆動させなければならないのに、他方では例えば接続線路９０の断線による完全なロードダンプモードにおいてジェネレータ出力側Ｂ＋、Ｂ−のロードダンプ最大電圧を電源回路網１００全体で許容される電圧よりも高い値へ上昇することがある。この場合にはジェネレータ内の全ての素子を高電圧に対して補償し、負荷４０、５０およびバッテリ６０などの他の全てのシステムにこの電圧がかからないようにする。なぜならこれらはジェネレータ線路が外れると分離してしまうからである。ジェネレータ電子回路のほか、少なくとも１つの別のシステムが接続されたままとなるロードダンプの場合には、ダイオードのロードダンプ負荷は小さくなる。このことは電源回路網１００の電圧の上方限界値を維持する構成では低減ロードダンプのケースとして考慮される。つまり完全なロードダンプの場合よりも小さな規模を有するロードダンプのケースと見なされる。このとき端子Ｂ＋、Ｂ−にかかる直流電圧は、本発明により、電源回路網１００の最大許容電圧までは上昇しない。なぜならロードダンプが制限された規模でしか生じないからである。

他の手段としてジェネレータの通常動作中、時間によってダイオードをツェナーブレイクダウンで駆動することもできる。これは例えば低いダイオード温度と定格のツェナー電圧との組み合わせがツェナー電圧のトレランス領域の下方縁に存在し、ジェネレータの出力電圧が許容される電源回路網の駆動電圧領域の上方縁に存在する場合である。

したがって本発明によれば、ツェナーダイオード２〜７のツェナー電圧に対するトレランス領域が得られる。これは図３に参照番号１５で示されている。参照番号８でツェナー電圧のトレランス領域１５の下方限界値が示されており、参照番号９で上方限界値が示されている。さらに図３には直流電源回路網１００に対する整流器１０の直流電圧端子Ｂ＋、Ｂ−での可能な値を示すトレランス領域１６が示されている。ここには直流電圧の上方の電圧１２および下方の電圧１１が示されている。上方の電圧１２はこの電源回路網においてロードダンプ時に許容される最大電圧を表しており、下方の電圧１１はジェネレータの通常動作中に発生する最大電圧を表している。ツェナー電圧の上方限界値９は、ロードダンプが所定の規模を上回る場合、つまり例えば接続線路９０が断線するなどして“１００％ロードダンプ”が生じた場合には予め定められた上方の電圧１２を上回ることもある。

図３には例として電圧の尺度が示されている。ここでは、ツェナー電圧の下方限界値８は４２Ｖ、予め定められた下方の電圧１１は４８Ｖ、予め定められた上方の電圧１２は５８Ｖ、ツェナー電圧の上方限界値９は５８Ｖまたはそれを僅かに上回る値である。ただしこれらは実施例としての数値にすぎない。

有利には本発明により、ツェナー電圧の製造トレランスが１４Ｖ電源回路網で使用されるツェナーダイオードに比べて一定となる。ロードダンプ時の阻止方向電流によって生じるツェナー電圧および温度の過上昇は１４Ｖ電源回路網で使用されるツェナーダイオードに比べて大きくならない。電源回路網の素子４０、５０、６０に関連する実際のロードダンプ時の最大のツェナー電圧は予め定められた上方の電圧１２を上回らない。ツェナー電圧領域１５の下方のトレランス領域は通常動作時の許容電圧の上方領域にオーバラップする。このときツェナーダイオードは時間によってツェナーブレイクダウンで駆動される。ここで付加的な損失電力がダイオードで生じる。これによりダイオードは加熱され、ダイオード内の電圧および電流の正の温度係数のためにツェナー電圧がさらに増大し、電源回路網電圧は予め定められた下方の電圧１１から最大値へ上昇する。ジェネレータ２０の効率は付加的な温度負荷が生じてもほとんど損なわれず、高いローバスト性に基づく長期の信頼性が得られる。

ジェネレータを示す図である。

本発明の整流器装置を示す図である。

本発明の整流器装置のトレランス領域を示す図である。

Claims (2)

1. 交流電圧端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と直流電圧端子（Ｂ＋、Ｂ−）とを有しており、複数のツェナーダイオード（２〜７）が順方向動作または阻止方向動作で駆動されて交流電圧端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に印加される交流電圧が整流される、
   ジェネレータ（２０）に対するダイオード装置（１０）において、
   全てのツェナーダイオード（２〜７）のツェナー電圧が許容偏差領域を有しており、すなわち、各ツェナー電圧は、前記ジェネレータの通常動作中、一時的にツェナーダイオードをツェナーブレイクダウンで駆動するとき、前記直流電圧端子（Ｂ＋、Ｂ−）に発生する最大電圧である第１の直流電圧（１１）より小さい許容偏差領域の下方限界値（８）と、ロードダンプ時に前記直流電圧端子（Ｂ＋、Ｂ−）に発生する許容最大電圧としての第２の直流電圧（１２）よりわずかに大きい許容偏差領域の上方限界値（９）とのあいだにあり、
   前記第１の直流電圧（１１）は約４８Ｖ、前記下方限界値（８）は約４２Ｖ、前記第２の直流電圧（１２）は約５８Ｖ、前記上方限界値（９）は約５８Ｖまたはこれを僅かに上回る値に設定されており、
   直流電源回路網（１００）への接続のために設けられており、ここで直流電源回路網（１００）には最大で前記第２の直流電圧（１２）が印加される
   ことを特徴とするジェネレータに対するダイオード装置。
2. 前記ジェネレータの出力側（Ｂ＋、Ｂ−）と直流電源回路網（１００）とのあいだの接続が中断されたとき、ジェネレータの出力側（Ｂ＋、Ｂ−）で前記第２の直流電圧（１２）が上方超過される、請求項１記載のジェネレータに対するダイオード装置。

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