JP5504850B2 - 車両用発電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機に関する。

従来から、車両用発電機にバッテリを逆接続すると、整流器を構成するダイオードに順方向の大電流が流れ、故障する心配があった。一方、モータやＥＣＵにおいては、同様の問題に鑑みて、逆接続時に接続を遮断してモータやＥＣＵへの通電を抑止するためにＭＯＳトランジスタ等を用いる従来技術が知られている（例えば、特許文献１−５参照。）。また、最近では、整流器にＭＯＳトランジスタを用いて整流損失を低減するようにした車両用発電機が知られている（例えば、特許文献６参照。）

特開２００４−２７４８１７号公報 特開２００１−２２４１３５号公報 特開２００２−９５１５９号公報 特開２００７−８２３７４号公報 特開２００９−１９４７９１号公報 特開平８−３３６２５９号公報

ところで、車両用発電機は、エンジンに搭載されて温度環境も厳しく、短期定格動作のモータや、ＥＣＵに採用されている特許文献１−５等の技術を適用するには信頼性の点で問題がある。特に、車両用発電機の整流器は、少なくとも三相交流を全波整流する回路構成をとっているため、整流器に含まれる各整流素子の通電は間欠的に行われ、通電しない期間があるが、特許文献１−６等に開示されたＭＯＳトランジスタを整流器に接続して逆方向の電流を阻止しようとすると、発電中は常にこのＭＯＳトランジスタに電流が流れることになり、このＭＯＳトランジスタの発熱量が整流器に含まれる整流素子の発熱量に対して大きくなって、冷却設計で特別な対応が必要になり、実現が難しい。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、バッテリを逆接続した場合の故障を確実に防止することができるとともに信頼性を確保することができる車両用発電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電機は、回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線と、界磁極によって発生する回転磁界によって交流電圧を発生する多相巻線としての固定子巻線を有する固定子と、固定子巻線の複数の出力端子のそれぞれに対応して設けられる複数の整流器モジュールと、界磁巻線に流れる励磁電流を制御することにより、複数の整流器モジュールの出力電圧としての発電電圧を制御する発電制御装置とを備えている。複数の整流器モジュールのそれぞれは、バッテリの正極端子側に配置されるハイサイド側の第１のＭＯＳトランジスタと、バッテリの負極端子側に配置されるローサイド側の第２のＭＯＳトランジスタと、バッテリの正極端子と負極端子が逆接続された際に、第１および第２のＭＯＳトランジスタに流れる電流を阻止するように、第１および第２のＭＯＳトランジスタのいずれか一方のソース・ドレイン間に直列に接続された第３のＭＯＳトランジスタと、第１および第２のＭＯＳトランジスタをオンオフすることにより固
定子巻線に流れる電流を制御するとともに、バッテリの逆接続時に第３のＭＯＳトランジスタをオフし、それ以外の通常接続時にオンする制御回路とを備え、第１、第２および第３のＭＯＳトランジスタと制御回路とが一体の構造体として、複数の整流器モジュールのそれぞれを形成している。

固定子巻線の複数の出力端子のそれぞれに対応させて、ハイサイド側およびローサイド側のＭＯＳトランジスタとそれを制御する制御回路とともにモジュール化するとともに、バッテリ逆接続時の保護用のＭＯＳトランジスタを各整流器モジュールに分散配置することにより、バッテリ逆接続時にハイサイド側およびローサイド側のＭＯＳトランジスタに流れる電流を阻止して故障の発生を確実に防止することができる。また、この保護用のＭＯＳトランジスタの熱的な負荷やオンオフのタイミングをハイサイド側やローサイド側のＭＯＳトランジスタと同じにすることができるので、信頼性を向上させることができる。さらに、保護用のＭＯＳトランジスタを各整流器モジュールに分散配置しているため、その一つに故障が発生した場合であっても、他の整流器モジュールによる動作を継続して、発電状態を維持することができる。

また、上述した複数の整流器モジュールのそれぞれは、整流器モジュール自身に流れる電流を検出する電流検出手段と、整流器モジュール自身の温度を検出する温度検出手段と、第１のＭＯＳトランジスタの動作状態を検出する第１の動作検出手段と、第２のＭＯＳトランジスタの動作状態を検出する第２の動作検出手段と、第３のＭＯＳトランジスタの動作状態を検出する第３の動作検出手段の少なくとも一つと、外部制御装置との間で通信を行う通信手段とを備え、電流検出手段、温度検出手段、第１、第２および第３の動作検出手段のいずれかによる検出結果を通信手段によって外部制御装置に向けて送信するとともに、複数の整流器モジュールのそれぞれに備わった通信手段と外部制御装置との間の通信を共通の通信線を用いて行うことが望ましい。各整流器モジュールに通信機能を持たせることにより、外部制御装置側で各整流器モジュールや固定子巻線の各相の動作状態や故障などが検知できるようになるため、信頼性をさらに向上させることができる。

また、上述した発電制御装置は、外部制御装置との間で通信を行う通信機能を有しており、整流器モジュールと外部制御装置との間で通信を行う通信線は、発電制御装置と外部制御装置との間で通信を行うために用いられる通信線と共通であることが望ましい。従来から発電制御装置と外部制御装置との間で通信を行う手法は採用されているため、実績のある通信手法（通信手段、通信プロトコル、通信線など）を用いることにより、通信機能を追加することによる信頼性の低下を防止することができる。また、通信線を共用化して用いることにより、配線や通信手順の簡略化が可能となる。

また、上述した複数の整流器モジュールのそれぞれは、バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段をさらに備え、制御回路は、バッテリ電圧検出手段の検出結果に基づいて、車両に搭載される電気負荷が遮断された際に発生するロードダンプサージを検出したときに、第３のＭＯＳトランジスタをオフすることが望ましい。これにより、車両用発電機において発生したロードダンプサージが車両搭載の電子機器に印加されることを確実に防止することができるため、電子機器の安全性を高めることが可能となる。

また、上述した第３のＭＯＳトランジスタと第１あるいは第２のＭＯＳトランジスタとはドレイン側が共通になるように接続されており、第１および第２のＭＯＳトランジスタと第３のＭＯＳトランジスタは、同一の製造方法および同一のサイズに形成され、第１、第２および第３のＭＯＳトランジスタがリードフレームの複数のアイランド部に分散して配置されている場合に、ドレイン側が共通になるように接続されたＭＯＳトランジスタは同一のアイランド部に搭載され、他のＭＯＳトランジスタは別のアイランド部に搭載され、これら複数のアイランド部の面積は搭載されたＭＯＳトランジスタの数に比例した大きさを有し、複数のアイランド部に対応する断面方向に同一の放熱構造を備えるとともに、複数の整流器モジュールのそれぞれを構成する部品をモールド樹脂で封止することが望ましい。第１、第２および第３のＭＯＳトランジスタとして同一のものを用いることにより、量産効果によるコスト低下が可能となる。また、放熱設計を同一とすることにより、保護用のＭＯＳトランジスタ（第３のＭＯＳトランジスタ）を搭載することによって信頼性が低下することを防止することができる。

また、上述した第３のＭＯＳトランジスタは、第１のＭＯＳトランジスタとバッテリの正極端子との間に配置され、整流器モジュールは、第３のＭＯＳトランジスタのゲート・ソース間にゲート側をアノードとする第１のダイオードと、第３のＭＯＳトランジスタのゲート・ドレイン間にゲート側をアノードとする第２のダイオードと、第３のＭＯＳトランジスタのソースにエミッタを接続してバッテリの逆接続時に第３のＭＯＳトランジスタのゲート電荷放電を行うトランジスタとをさらに備えることが望ましい。バッテリの逆接続時のみにゲート電荷を放電するように動作する回路を追加することにより、逆接続時に確実に保護用のＭＯＳトランジスタをオフし、通常接続時には悪影響を与えないようにすることができる。

また、上述した制御回路は、第３の動作検出手段によって検出される第３のＭＯＳトランジスタの動作状態に異常がある場合に、通信手段から外部制御装置に向けて異常発生を示す通信メッセージを送信することが望ましい。これにより、バッテリ逆接続時の保護用に追加したＭＯＳトランジスタに異常が発生したときに外部制御装置に通知する仕組みを備えることにより、機能追加による不具合発生に対して速やかに対処することが可能となる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 整流器モジュールの構成を示す図である。 制御回路の詳細構成を示す図である。 保護用のＭＯＳトランジスタを駆動するドライバの詳細構成を示す図である。 ロードダンプサージが発生した場合の動作タイミングを示す図である。 保護用のＭＯＳトランジスタのオフ故障が発生した場合の動作タイミングを示す図である。 保護用のＭＯＳトランジスタのショート故障が発生した場合の動作タイミングである。 整流器モジュールとＥＣＵとの間で送受信される通信メッセージの具体例を示す図である。 整流器モジュールの実装状態を示す平面図である。 整流器モジュールの実装状態を示す断面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用発電機１は、２つの固定子巻線２、３、界磁巻線４、２つの整流器モジュール群５、６、発電制御装置７を含んで構成されている。

一方の固定子巻線２は、多相巻線（例えばＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線からなる三相巻線）であって、固定子鉄心（図示せず）に巻装されている。同様に、他方の固定子巻線３は、多相巻線（例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる三相巻線）であって、上述した固定子鉄心に、固定子巻線２に対して電気角で３０度ずらした位置に巻装されている。本実施形態では、これら２つの固定子巻線２、３と固定子鉄心によって固定子が構成されている。

界磁巻線４は、固定子鉄心の内周側に対向配置された界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。励磁電流を流すことにより、界磁極が磁化される。界磁極が磁化されたときに発生する回転磁界によって固定子巻線２、３が交流電圧を発生する。

一方の整流器モジュール群５は、一方の固定子巻線２に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成されている。この整流器モジュール群５は、固定子巻線２の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール５Ｘ、５Ｙ、５Ｚを備えている。整流器モジュール５Ｘは、固定子巻線２に含まれるＸ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｙは、固定子巻線２に含まれるＹ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｚは、固定子巻線２に含まれるＺ相巻線に接続されている。

他方の整流器モジュール群６は、一方の固定子巻線３に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成されている。この整流器モジュール群６は、固定子巻線３の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール６Ｕ、６Ｖ、６Ｗを備えている。整流器モジュール６Ｕは、固定子巻線３に含まれるＵ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｖは、固定子巻線３に含まれるＶ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｗは、固定子巻線３に含まれるＷ相巻線に接続されている。

発電制御装置７は、界磁巻線４に流す励磁電流を制御することにより、車両用発電機１の発電電圧（各整流器モジュールの出力電圧）を制御する。また、発電制御装置７は、通信端子および通信線を介してＥＣＵ８（外部制御装置）と接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向のシリアル通信（例えば、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルを用いたＬＩＮ通信）を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。

本実施形態の車両用発電機１はこのような構成を有しており、次に、整流器モジュール５Ｘ等の詳細について説明する。

図２は、整流器モジュール５Ｘの構成を示す図である。なお、他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗも同じ構成を有している。図２に示すように、整流器モジュール５Ｘは、３つのＭＯＳトランジスタ５０、５１、５２、電流検出素子５３、制御回路５４を備えている。ＭＯＳトランジスタ５０は、ソースが固定子巻線２のＸ相巻線に接続され、ドレインがＭＯＳトランジスタ５２を介してバッテリ９の正極端子に接続されたハイサイド側のスイッチ素子（第１のＭＯＳトランジスタ）である。ＭＯＳトランジスタ５１は、ドレインがＸ相巻線に接続され、ソースが電流検出素子５３を介してバッテリ９の負極端子（アース）に接続されたローサイド側のスイッチ素子（第２のＭＯＳトランジスタ）である。

ＭＯＳトランジスタ５２は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０とバッテリ９の正極端子との間に挿入され、ドレインがＭＯＳトランジスタ５０のドレイン側に接続されたスイッチ素子（第３のＭＯＳトランジスタ）であり、バッテリ逆接続時およびロードダンプサージ抑止のための保護用に用いられる。ＭＯＳトランジスタ５０、５１のみが備わった従来構成では、バッテリ９が逆接続されたときに、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のボディーダイオードを介して大電流が流れるが、逆接続時にこの保護用のＭＯＳトランジスタ５２をオフすることにより、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のボディダイオードを介して流れる電流を阻止することができる。また、車両用発電機１に接続されたバッテリ９が外れた場合に固定子巻線２のＸ相巻線に大きなロードダンプサージが発生するが、このときにＭＯＳトランジスタ５２をオフすることにより、車両用発電機１から電気負荷１０、１２等に大きなサージ電圧が印加されることを阻止することができる。

図３は、制御回路５４の詳細構成を示す図である。図３に示すように、制御回路５４は、制御部１００、電源１０２、バッテリ電圧検出部１１０、動作検出部１２０、１３０、１４０、温度検出部１５０、電流検出部１６０、ドライバ１７０、１７２、１７４、通信回路１８０を備えている。

電源１０２は、エンジン始動に伴って固定子巻線２のＸ相巻線に所定の相電圧が発生したときに動作を開始し、制御回路５４に含まれる各素子に動作電圧を供給する。この動作自体は、発電制御装置７において従来から行われている動作と同じであり、同じ技術を用いて実現することができる。

ドライバ１７０は、出力端子（Ｇ１）がハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のゲートに接続されており、ＭＯＳトランジスタ５０をオンオフする駆動信号を生成する。同様に、ドライバ１７２は、出力端子（Ｇ２）がローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のゲートに接続されており、ＭＯＳトランジスタ５１をオンオフする駆動信号を生成する。ドライバ１７４は、出力端子（Ｇ３）が保護用のＭＯＳトランジスタ５２のゲートに接続されており、ＭＯＳトランジスタ５２をオンオフする駆動信号を生成する。

バッテリ電圧検出部１１０（バッテリ電圧検出手段）は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、バッテリ９の正極端子の電圧に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいてロードダンプなどの高電圧サージの発生を検出する。

動作検出部１２０（第１の動作検出手段）は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のソース・ドレイン間電圧（図２、図３のＢ−Ｃ端子間電圧）に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいて、ドライバ１７０の駆動状態に対応するＭＯＳトランジスタ５０の動作状態を監視し、適宜ＭＯＳトランジスタ５０の制御や故障検知を行う。

動作検出部１３０（第２の動作検出手段）は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧（図２、図３のＣ−Ｄ端子間電圧）に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいて、ドライバ１７２の駆動状態に対応するＭＯＳトランジスタ５１の動作状態を監視し、適宜ＭＯＳトランジスタ５１の制御や故障検知を行う。

動作検出部１４０（第３の動作検出手段）は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、保護用に用いられるＭＯＳトランジスタ５２のソース・ドレイン間電圧（図２、図３のＡ−Ｂ端子間電圧）に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいて、ドライバ１７４の駆動状態に対応するＭＯＳトランジスタ５２の動作状態を監視し、適宜ＭＯＳトランジスタ５２の制御や故障検知を行う。

温度検出部１５０（温度検出手段）は、定電流源、ダイオード、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、温度によって変化するダイオードの順方向電圧降下に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいて整流器モジュール５Ｘの温度を検出する。

電流検出部１６０（電流検出手段）は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、電流検出素子５３（例えば抵抗）の両端電圧（図２、図３のＤ−ＧＮＤ端子間電圧）に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいてローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間に流れる電流を検出する。

通信回路１８０（通信手段）は、発電制御装置７と同様の通信手段であって、発電制御装置７とＥＣＵ８の間を接続する通信端子および通信線に共通に接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向のシリアル通信（例えば、ＬＩＮプロトコルを用いたＬＩＮ通信）を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。

例えば、通信頻度として、１通信あたり２０ｍｓ程度でＥＣＵ８との間で通信メッセージを送受信しているような場合を考えると、１秒間に５０回の通信を行うことができる。したがって、本実施形態において６個の通信モジュール５Ｘ等を追加してそのための通信メッセージの送受信が増加しても、発電制御装置７とＥＣＵ８との間で発電状態を含む通信メッセージやダイアグ情報等の通信メッセージの送受信を行う発電制御に支障はないといえる。

図４は、保護用のＭＯＳトランジスタ５２を駆動するドライバ１７４の詳細構成を示す図である。なお、図４に示すドライバ１７４は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０を駆動するドライバ１７０を兼ねており、個別のドライバ１７０が不要になる分だけ回路構成を簡略化することができる。

図４に示すように、ドライバ１７４は、昇圧回路２００、ゲート放電回路２０２、トランジスタ２０４、ツェナーダイオード２０６、ダイオード２０８、２１０、２１２、２１４を含んで構成されている。昇圧回路２００およびゲート放電回路２０２は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０等を駆動するために従来から用いられているものである。制御部１００から入力される制御信号に対応した駆動信号が昇圧回路２００によって生成されてＭＯＳトランジスタ５２、５０のゲートに入力される。また、ＭＯＳトランジスタ５２、５０がオフ状態のときにゲート放電回路２０２を介してゲート電荷の放電が行われる。

保護用のＭＯＳトランジスタ５２のゲート（Ｇ３）からみて、バッテリ９の逆接続時に、ＭＯＳトランジスタ５２のゲート・ソース間に電流が流れないように、電流阻止用のダイオード２１０（第２のダイオード）がゲート・ソース間と直列に、ゲート側がアノードとなるように配置されている。また、逆接続時にバッテリ９の負極端子に接続されるＭＯＳトランジスタ５２のゲート・ソース間には、ＭＯＳトランジスタ５２のゲート電荷を放電する向きに（ゲート側がアノードとなるように）ダイオード２０８（第１のダイオード）が配置されている。これにより、逆接続時にはＭＯＳトランジスタ５２のゲート電荷を放電する側のみでゲート電位をコントロールすることが可能となる。さらに、逆接続時においてＭＯＳトランジスタ５２のゲート電荷を放電するために、ＮＰＮ型のトランジスタ２０４がダイオード２０８とＭＯＳトランジスタ５２のソースとの間に配置されている。このため、逆接続時のみ、ＧＮＤ端子に接続されたダイオード２１４を介してトランジスタ２０４にベース電流が流れるようになり、このときＭＯＳトランジスタ５２のゲート電荷が放電され、逆接続時にＭＯＳトランジスタ５２を確実にオフすることができる。

なお、上述したダイオード２０８等は、一方向にのみ電流を流すことができるデバイスであればどのようなものであってもよいが、ダイオードが比較的入手しやすく安価である。また、トランジスタ２０４は、ゲート電荷を放電することができればＮＰＮ型以外のスイッチ素子でもよく、ＭＯＳトランジスタ５２等と同様のＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴで構成することも可能である。しかしながら、バッテリ９の逆接続時には初期的には低電圧にクランプされる可能性を考慮すると、ＭＯＳトランジスタ５２等よりもオンオフの閾値の低いＮＰＮ型のトランジスタ２０４を用いることが望ましい。

また、図４に示す構成では、バッテリ９の逆接続時に、昇圧回路２００やゲート放電回路２０２を介した回り込み電流でＭＯＳトランジスタ５２のゲートに電流が流れ込むことを防止するためにダイオード２１２がＧＮＤ端子側に設けられている。このようにして回り込み電流を阻止することにより、トランジスタ２０４の要求駆動能力を低くすることができ、ゲート電荷の放電能力を高めることによって、ＭＯＳトランジスタ５２を用いた保護効果をさらに高めることができる。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、固定子巻線２、３の各相巻線に対応する複数の出力端子のそれぞれに対応させて、ハイサイド側およびローサイド側のＭＯＳトランジスタ５０、５１とそれを制御する制御回路５４とともにモジュール化するとともに、バッテリ逆接続時の保護用のＭＯＳトランジスタ５２を各整流器モジュールに分散配置することにより、バッテリ逆接続時にハイサイド側およびローサイド側のＭＯＳトランジスタ５０、５１に流れる電流を阻止して故障の発生を確実に防止することができる。また、この保護用のＭＯＳトランジスタ５２の熱的な負荷やオンオフのタイミングをハイサイド側やローサイド側のＭＯＳトランジスタ５０、５１と同じにすることができるので、信頼性を向上させることができる。さらに、保護用のＭＯＳトランジスタ５２を各整流器モジュールに分散配置しているため、その一つに故障が発生した場合であっても、他の整流器モジュールによる動作を継続して、発電状態を維持することができる。

また、各整流器モジュールに通信機能を持たせることにより、ＥＣＵ８側で各整流器モジュールや固定子巻線２、３の各相の動作状態や故障などが検知できるようになるため、信頼性をさらに向上させることができる。

また、発電制御装置７とＥＣＵ８との間で従来から行われてきた実績のある通信手法（通信手段、通信プロトコル、通信線など）を用いて各整流器モジュールとＥＣＵ８との間の通信を行うことにより、通信機能を追加することによる信頼性の低下を防止することができる。また、通信線を共用化して用いることにより、配線や通信手順の簡略化が可能となる。

また、各整流器モジュールにバッテリ電圧検出部１１０を備えて、ロードダンプサージ検出時にＭＯＳトランジスタ５２をオフすることにより、車両用発電機１において発生したロードダンプサージが車両搭載の電子機器に印加されることを確実に防止することができるため、電子機器の安全性を高めることが可能となる。

また、バッテリ９の逆接続時のみにゲート電荷を放電するように動作する回路を追加することにより、逆接続時に確実に保護用のＭＯＳトランジスタ５２をオフし、通常接続時には悪影響を与えないようにすることができる。

図５は、ロードダンプサージが発生した場合の動作タイミングを示す図である。車両側の電気負荷１２として例えば装着が進む大電流モータの作動が遮断された場合の各部の動作状態が示されている。電気負荷１２が遮断された負荷電流が急に減少しても（図５（Ａ））、車両用発電機１の出力は急激には減衰しないため（図５（Ｂ））、車両用発電機１によって高いサージ電圧が発生し、このサージ電圧が他の電気負荷１０に印加されるおそれがある。このような場合には界磁巻線４の励磁電流が減衰するまでサージ電圧が発生するが、本実施形態では、制御部１００は、バッテリ電圧検出部１１０から出力されるデータ（図５（Ｄ））に基づいてバッテリ電圧（図５（Ｃ））を監視し、バッテリ電圧が所定値（例えば１６Ｖ）を超えるとドライバ１７４に指示を送ってＭＯＳトランジスタ５２のゲートにローレベルの駆動信号を入力して（図５（Ｆ））、ＭＯＳトランジスタ５２をオフする。

また、このとき動作検出部１４０から出力されるデータ（ＭＯＳトランジスタ５２のソース・ドレイン間電圧に対応するデータ、図５（Ｅ））は、ＭＯＳトランジスタ５２のトレイン電圧がサージ電圧となるため、高い値を示す。制御部１００は、このような動作検出部１４０の出力データを監視し、サージ電圧が危険のない電圧レベルまで低下したとき（例えば、ＭＯＳトランジスタ５２のソース・ドレイン間電圧が２Ｖ以下）、再度ＭＯＳトランジスタ５２をオンしてバッテリ９に給電するように動作する。これにより、バッテリ９が必要以上に放電してしまうことを防止することができる。

図６は、保護用のＭＯＳトランジスタ５２のオフ故障が発生した場合の動作タイミングを示す図である。電源１０２が動作を開始して各部に動作電源の供給が開始された後（図６（Ａ））、ＭＯＳトランジスタ５２がオンされる（図６（Ｂ））。この状態では、ＭＯＳトランジスタ５２のソース・ドレイン間電圧に対応する動作検出部１４０の出力データは小さな値となる（図６（Ｃ））。ところが、何らかの故障によりＭＯＳトランジスタ５２がオフすると、動作検出部１４０の出力データは大きな値に変化する（図６（Ｃ））。制御部１００は、動作検出部１４０の出力データを所定の閾値（例えば、ＭＯＳトランジスタ５２のソース・ドレイン間電圧で１Ｖに相当する値）よりも大きくなったことを検出したときに、ＭＯＳトランジスタ５２にオフ故障が生じた旨の異常判定を行う。その後、通信回路１８０から異常を知らせる通信メッセージをＥＣＵ８に向けて送信する（図６（Ｄ））。

なお、保護用のＭＯＳトランジスタ５２は、６個の整流器モジュール５Ｘ等のそれぞれに分散して配置されているため、１つのＭＯＳトランジスタ５２がオフ故障しても、残りの５個の整流器モジュールを用いた電力供給は継続される。しがたって、直ちにバッテリ９が過放電になることはなく、ＥＣＵ８は、このような異常状態を把握した上で、運転者に対して何らかの警報を出すことができ、早めに部品交換等の対策を促すことが可能となる。

図７は、保護用のＭＯＳトランジスタ５２のショート故障が発生した場合の動作タイミングである。例えば、整流器モジュール５Ｘ等が起動される前からＭＯＳトランジスタ５２のソース・ゲート間がショートしている場合には、起動直後にＭＯＳトランジスタ５２をオンするまでの遅れ時間Ｔ（図７（Ｂ））を適切な値（例えば５０ｍｓ）に設定すれば、その間のＭＯＳトランジスタ５２のソース・ゲート間電圧（動作検出部１４０の出力データ）を観察することにより（図７（Ｃ））、このショート故障を検出することが可能となる。すなわち、ＭＯＳトランジスタ５２をオンしていない状態においてＭＯＳトランジスタ５２のソース・ゲート間電圧が小さい場合には、制御部１００は、ＭＯＳトランジスタ５２にショート故障が生じている旨の異常判定を行う。

一方、ＭＯＳトランジスタ５２のショート故障が起動前でなく起動後に発生した場合には、動作検出部１４０の出力データが不安定な値であることを判定することで（図７（Ｄ））、制御部１００は、ＭＯＳトランジスタ５２のショート故障を検出することができる。例えば、動作検出部１４０の出力データの値は、ＭＯＳトランジスタ５２やＭＯＳトランジスタ５１のオンオフ状態に連動して変化するものであるが、ＭＯＳトランジスタ５２にショート故障が発生すると連動しなくなる。このような状態を判定することでショート故障を検出することができる。異常判定後に、通信回路１８０から異常を知らせる通信メッセージをＥＣＵ８に向けて送信するようにすれば、ＥＣＵ８は、このような異常状態を把握した上で、運転者に対して何らかの警報を出すことができ、早めに部品交換等の対策を促すことが可能となる。

図８は、各整流器モジュールとＥＣＵ８との間で送受信される通信メッセージの具体例を示す図である。図８（Ａ）には整流器モジュール５Ｘ等からＥＣＵ８に向けて送信される通信メッセージの送信フレーム構成が、図８（Ｂ）にはＥＣＵ８から整流器モジュール５Ｘ等に送られてくる通信メッセージの受信フレーム構成がそれぞれ示されている。

図８（Ａ）に示すように、送信フレームには、シンクブレーク、同期フィールド、ＩＤ（識別）フィールド、動作異常、温度、電流、電圧が含まれている。「動作異常」は、ＭＯＳトランジスタ５２やその他のＭＯＳトランジスタ５０、５１の異常の有無および発生した異常の種類を示す情報である。「温度、電流、電圧」は、温度検出部１５０、電流検出部１６０、バッテリ電圧検出部１１０の各出力データに基づいて検出した情報である。

また、図８（Ｂ）に示すように、受信フレームには、シンクブレーク、同期フィールド、ＩＤフィールド、運転モード、位相角が含まれている。ＭＯＳトランジスタ５０、５１、５２の制御用の位相角（オンオフするタイミング）や運転モードの種類をＥＣＵ８から受信することで、発電効率重視の同期整流モードや、出力電流重視で固定子巻線２の相電圧に対して進み電流を流してパワー最大で発電する位相制御モードや、車両用発電機１の効率を反対に下げてトルク負荷を増加させることでエンジン回転数を落とすブレーキとして活用する回生発電モードなどの各種の発電動作が可能となる。

次に、整流器モジュール５Ｘの構造について説明する。図９は、整流器モジュール５Ｘの実装状態を示す平面図である。図１０は、整流器モジュール５Ｘの実装状態を示す断面図である。なお、他の整流器モジュール５Ｙ等も同じ平面構造および断面構造を有している。

図９および図１０において、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１、保護用のＭＯＳトランジスタ５２のそれぞれは、同一の製造方法で同一のサイズに形成されている。また、ドレインを共通にするＭＯＳトランジスタ５０とＭＯＳトランジスタ５２はリードフレームの同一のアイランドａに搭載され、ＭＯＳトランジスタ５１はアイランドｂに搭載されている。これら２つのアイランドａ、ｂの面積は、搭載するＭＯＳトランジスタの数に比例する面積比となるように、すなわち、アイランドａの面積がアイランドｂの面積の２倍になるように設定されている。さらに、ＭＯＳトランジスタ５０、５１、５２が搭載されたアイランドａ、ｂは、全て断面方向に同一の放熱構造（ヒートシンクの配置等）を備えており、整流器モジュール５Ｘを構成する部品全体をモールド樹脂で封止することでパッケージ化されている。

ＭＯＳトランジスタ５０、５１、５２として同一のものを用いることにより、量産効果によるコスト低下が可能となる。また、放熱設計を同一とすることにより、保護用のＭＯＳトランジスタ５２を搭載することによって信頼性が低下することを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、２つの固定子巻線２、３と２つの整流器モジュール群５、６を備えるようにしたが、一方の固定子巻線２と一方の整流器モジュール群５を備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、Ｙ結線された２つの固定子巻線２、３を備えた車両用発電機１について説明したが、Δ結線された固定子巻線を備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、固定子巻線の複数の出力端子のそれぞれに対応させて、ハイサイド側およびローサイド側のＭＯＳトランジスタとそれを制御する制御回路とともにモジュール化するとともに、バッテリ逆接続時の保護用のＭＯＳトランジスタを各整流器モジュールに分散配置することにより、バッテリ逆接続時にハイサイド側およびローサイド側のＭＯＳトランジスタに流れる電流を阻止して故障の発生を確実に防止することができる。また、この保護用のＭＯＳトランジスタの熱的な負荷やオンオフのタイミングをハイサイド側やローサイド側のＭＯＳトランジスタと同じにすることができるので、信頼性を向上させることができる。さらに、保護用のＭＯＳトランジスタを各整流器モジュールに分散配置しているため、その一つに故障が発生した場合であっても、他の整流器モジュールによる動作を継続して、発電状態を維持することができる。

１ 車両用発電機
２、３ 固定子巻線
４ 界磁巻線
５、６ 整流器モジュール群
５Ｘ、５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ 整流器モジュール
７ 発電制御装置
８ ＥＣＵ
９ バッテリ
１０、１２ 電気負荷
５０、５１、５２ ＭＯＳトランジスタ
５３ 電流検出素子
５４ 制御回路
１００ 制御部
１０２ 電源
１１０ バッテリ電圧検出部
１２０、１３０、１４０ 動作検出部
１５０ 温度検出部
１６０ 電流検出部
１７０、１７２、１７４ ドライバ
１８０ 通信回路
２００ 昇圧回路
２０２ ゲート放電回路
２０４ トランジスタ
２０６ ツェナーダイオード
２０８、２１０、２１２、２１４ ダイオード

Claims (7)

1. 回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線と、
   前記界磁極によって発生する回転磁界によって交流電圧を発生する多相巻線としての固定子巻線を有する固定子と、
   前記固定子巻線の複数の出力端子のそれぞれに対応して設けられる複数の整流器モジュールと、
   前記界磁巻線に流れる励磁電流を制御することにより、前記複数の整流器モジュールの出力電圧としての発電電圧を制御する発電制御装置と、を備え、
   前記複数の整流器モジュールのそれぞれは、
   バッテリの正極端子側に配置されるハイサイド側の第１のＭＯＳトランジスタと、
   前記バッテリの負極端子側に配置されるローサイド側の第２のＭＯＳトランジスタと、
   前記バッテリの正極端子と負極端子が逆接続された際に、前記第１および第２のＭＯＳトランジスタに流れる電流を阻止するように、前記第１および第２のＭＯＳトランジスタのいずれか一方のソース・ドレイン間に直列に接続された第３のＭＯＳトランジスタと、
   前記第１および第２のＭＯＳトランジスタをオンオフすることにより前記固定子巻線に流れる電流を制御するとともに、前記バッテリの逆接続時に前記第３のＭＯＳトランジスタをオフし、それ以外の通常接続時にオンする制御回路と、
   を備え、前記第１、第２および第３のＭＯＳトランジスタと前記制御回路とが一体の構造体として、前記複数の整流器モジュールのそれぞれを形成することを特徴とする車両用発電機。
2. 請求項１において、
   前記複数の整流器モジュールのそれぞれは、
   前記整流器モジュール自身に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記整流器モジュール自身の温度を検出する温度検出手段と、前記第１のＭＯＳトランジスタの動作状態を検出する第１の動作検出手段と、前記第２のＭＯＳトランジスタの動作状態を検出する第２の動作検出手段と、前記第３のＭＯＳトランジスタの動作状態を検出する第３の動作検出手段の少なくとも一つと、
   外部制御装置との間で通信を行う通信手段と、
   を備え、前記電流検出手段、前記温度検出手段、前記第１、第２および第３の動作検出手段のいずれかによる検出結果を前記通信手段によって前記外部制御装置に向けて送信するとともに、前記複数の整流器モジュールのそれぞれに備わった前記通信手段と前記外部制御装置との間の通信を共通の通信線を用いて行うことを特徴とする車両用発電機。
3. 請求項２において、
   前記発電制御装置は、前記外部制御装置との間で通信を行う通信機能を有しており、
   前記整流器モジュールと前記外部制御装置との間で通信を行う通信線は、前記発電制御装置と前記外部制御装置との間で通信を行うために用いられる通信線と共通であることを特徴とする車両用発電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記複数の整流器モジュールのそれぞれは、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段をさらに備え、
   前記制御回路は、前記バッテリ電圧検出手段の検出結果に基づいて、車両に搭載される電気負荷が遮断された際に発生するロードダンプサージを検出したときに、前記第３のＭＯＳトランジスタをオフすることを特徴とする車両用発電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記第３のＭＯＳトランジスタと前記第１あるいは第２のＭＯＳトランジスタとはドレイン側が共通になるように接続されており、
   前記第１および第２のＭＯＳトランジスタと前記第３のＭＯＳトランジスタは、同一の製造方法および同一のサイズに形成され、
   前記第１、第２および第３のＭＯＳトランジスタがリードフレームの複数のアイランド部に分散して配置されている場合に、ドレイン側が共通になるように接続されたＭＯＳトランジスタは同一のアイランド部に搭載され、他のＭＯＳトランジスタは別のアイランド部に搭載され、これら複数のアイランド部の面積は搭載されたＭＯＳトランジスタの数に比例した大きさを有し、
   前記複数のアイランド部に対応する断面方向に同一の放熱構造を備えるとともに、前記複数の整流器モジュールのそれぞれを構成する部品をモールド樹脂で封止することを特徴とする車両用発電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記第３のＭＯＳトランジスタは、前記第１のＭＯＳトランジスタと前記バッテリの正極端子との間に配置され、
   前記整流器モジュールは、前記第３のＭＯＳトランジスタのゲート・ソース間にゲート側をアノードとする第１のダイオードと、前記第３のＭＯＳトランジスタのゲート・ドレイン間にゲート側をアノードとする第２のダイオードと、前記第３のＭＯＳトランジスタのソースにエミッタを接続して前記バッテリの逆接続時に前記第３のＭＯＳトランジスタのゲート電荷放電を行うトランジスタとをさらに備えることを特徴とする車両用発電機。
7. 請求項２において、
   前記制御回路は、前記第３の動作検出手段によって検出される前記第３のＭＯＳトランジスタの動作状態に異常がある場合に、前記通信手段から前記外部制御装置に向けて異常発生を示す通信メッセージを送信することを特徴とする車両用発電機。

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