車両用交流発電機、および車両用交流発電機の整流装置
【課題】信頼性の高い車両用交流発電機およびその整流装置の提供。
【解決手段】車両用交流発電機の交流電力を直流電力に整流する整流装置であって、複数のＭＯＳＦＥＴ８，９を整流素子として備えた全波整流器２と、ゲート駆動信号線１４，１５を介して複数のＭＯＳＦＥＴ８，９のゲートに駆動信号を印加し、該複数のＭＯＳＦＥＴ８，９の導通および遮断を指令するＭＯＳＦＥＴ制御装置４と、各ＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート−ソース間に接続され、ゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路１０，１１と、を備えた。
【解決手段】車両用交流発電機の交流電力を直流電力に整流する整流装置であって、複数のＭＯＳＦＥＴ８，９を整流素子として備えた全波整流器２と、ゲート駆動信号線１４，１５を介して複数のＭＯＳＦＥＴ８，９のゲートに駆動信号を印加し、該複数のＭＯＳＦＥＴ８，９の導通および遮断を指令するＭＯＳＦＥＴ制御装置４と、各ＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート−ソース間に接続され、ゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路１０，１１と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＯＳＦＥＴを整流素子に用いた車両用交流発電機、および車両用交流発電機の整流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電電動装置においては、交流発電機の電機子巻線によって発生する交流電力を全波整流装置により整流している。このような全波整流装置としては、従来、ダイオードを用いたものが知られている。近年、全波整流装置における損失を低減するために、ダイオードに代えてＭＯＳＦＥＴを用いた全波整流装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
ところで、ＭＯＳＦＥＴを用いた全波整流装置では、ＭＯＳＦＥＴで構成された全波整流回路における発熱量が大きいため、マイコン等の耐熱温度の低い電子部品を含むＭＯＳＦＥＴ制御回路を全波整流回路とは別の筐体に設け、全波整流回路とＭＯＳＦＥＴ制御回路とを熱的に分離する必要がある。別筐体に分離されたＭＯＳＦＥＴ制御回路から全波整流回路へとゲート駆動信号を送信するために、ＭＯＳＦＥＴ制御回路を収めた筐体と全波整流回路を収めた筐体との間にゲート駆動信号線が接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ制御回路および全波整流回路は、車両用交流発電機をエンジンに固定するための筐体に直接取付けられる。そのため、ＭＯＳＦＥＴ制御回路および全波整流回路には、エンジンの振動と車両用交流発電機自身の振動の両方が加わり、その振動の影響によってゲート駆動信号線が断線するおそれがある。ゲート駆動信号線が断線すると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電位が不安定な状態（フローティング）となり、ＭＯＳＦＥＴがオン状態のままとなる場合がある。そのように、直列接続されたＭＯＳＦＥＴの一方がオン状態のままとなると、他方のＭＯＳＦＥＴがオンされた時に、直列接続されたＭＯＳＦＥＴがショート状態になってしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、車両用交流発電機の交流電力を直流電力に整流する整流装置であって、複数のＭＯＳＦＥＴを整流素子として備えた整流器と、ゲート駆動信号線を介して複数のＭＯＳＦＥＴのゲートに駆動信号を印加し、該複数のＭＯＳＦＥＴの導通および遮断を指令する制御回路と、各ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間に接続され、ゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用交流発電機の整流装置において、負荷回路を抵抗で構成し、抵抗の抵抗値とＭＯＳＦＥＴのゲート容量との積で定義される時定数が、車両用交流発電機が要求最大回転数で回転時の相電圧周期の１／２周期よりも小さく、かつ、駆動信号印加時の前記抵抗の損失が所定最大許容損失よりも小さくなるように、抵抗の抵抗値が設定されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、ダイオードを整流素子とした場合の整流損とＭＯＳＦＥＴを整流素子とした場合の整流損との差分を、所定最大許容損失としたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、抵抗の抵抗値Ｒは、５００Ω＜Ｒ＜５０ｋΩを満たすように設定されていることを特徴とする。
請求項５の発明に係る車両用交流発電機は、請求項１に記載の整流装置と、電気子巻線が施された固定子と、界磁巻線が施された回転子と、固定子および回転子が保持される車両固定用のブラケットと、ブラケットに固定され、整流器およびゲート駆動信号入力用端子が設けられた第１の筐体と、ブラケットに固定され、制御回路およびゲート駆動信号出力用端子が設けられた第２の筐体と、を備え、ゲート駆動信号入力用端子とゲート駆動信号出力用端子とが、ゲート駆動信号線により接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、車両用交流発電機、および車両用交流発電機の整流装置の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】車両用交流発電機が搭載された車両駆動システムの概略構成を示す図である。
【図２】車両用交流発電機１の全体構成を示す断面図である。
【図３】車両用交流発電機の充電系統を示す回路図である。
【図４】制御装置アセンブリ３１をカバー２６側から見た図である。
【図５】全波整流装置２の一部をカバー２６側から見た図である。
【図６】ゲート駆動信号線１４，１５の接続形態を示す図である。
【図７】ＭＯＳＦＥＴを２つ並列接続した場合の、車両用交流発電機の充電系統を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態の車両用交流発電機が搭載された車両駆動システムの概略構成を示す図である。車両駆動システムは、内燃機関であるエンジン１０１を動力源とするものである。エンジン１０１の回転駆動力は変速機１０４、デファイレンシャルギア１０５、前輪車軸１０７ａを介して前輪１０６ａに伝達される。図１において、１０６ｂは後輪を示し、１０７ｂは後輪車軸を示す。
【００１０】
車両用交流発電機１（以下では、交流発電機１と記載する）はエンジン１０１に取り付けられており、エンジンプーリー１０１ａと交流発電機１のプーリー２５とがベルト１０２にて機械的に連結されている。これによって、エンジン１０１の回転駆動力が交流発電機１に伝達される。また、交流発電機１は、エンジン１０１に回転駆動力を与える電動機としての機能も有しており、その場合には、交流発電機１の回転駆動力がエンジン１０１に伝達される。
【００１１】
１１０は整流装置であり、図示していないが、後述するように全波整流器２、界磁制御装置３、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４が設けられている（図３参照）。なお、図１では交流発電機１と整流装置１１０とを分離して示したが、後述するように、交流発電機１と整流装置１１０は一体に設けられている。
【００１２】
図２は、交流発電機１の全体構成を示す断面図である。なお、図２の説明においては、図の左右方向に対応する方向を「軸方向」、図の左に対応する位置関係を「前」、図の右に対応する位置関係を「後」として説明する。交流発電機１は、センターブラケット２０と、フロントブラケット２４と、リヤプレート３６と、センターブラケット２０内に設けられている固定子１８および回転子１９と、リヤプレート３６に設けられている全波整流器２および制御装置アセンブリ３１とを備えている。
【００１３】
界磁巻線１３が巻装された回転子１９は、シャフト２３に固定されている。そのシャフト２３は、フロントブラケット２４とセンターブラケット２０とに各々設置されたベアリング２１，２２により、回転自在に支持されている。回転子１９の後端には、界磁巻線１３を冷却するためのファン２９が設けられている。回転子１９と一体にファン２９が回転すると、冷却風が発生して界磁巻線１３が冷却される。
【００１４】
交流発電機１の後端には、外周部に開口部が形成されたカバー２６が取り付けられており、ファン２９が回転すると、カバー２６の開口部から冷却風が流入する。冷却風は、さらに、センターブラケット２０の後側の軸中心部に設けられている開口部よりセンターブラケット内部に流入する。流入した冷却風は、界磁巻線１３を冷却した後に、フロントブラケット２４に設けられた開口部より外部に流出する。
【００１５】
シャフト２３の前端はフロントブラケット２４を貫通して外部に突出しており、その端部にはプーリー２５がナットにより固定されている。プーリー２５は、図１に示すように、エンジン１０４の出力軸とベルト１０２で機械的に連結され、エンジン１０１からの回転駆動力を交流発電機１に伝達し、また、交流発電機１で発生した回転駆動力をエンジン１０１に伝達する。
【００１６】
一方、シャフト２３の後端は、センターブラケット２０を貫通して後方のカバー２６側に突出している。シャフト２３の後端には、導電性の環状部材からなるスリップリング１７が設けられている。シャフト２３とともに回転するスリップリング１７には、ブラシ２８が摺動接触している。ブラシ２８は回転子１９の界磁巻線１３と電気的に接続されており、界磁制御装置３からの電力を界磁巻線１３に供給する働きをしている。
【００１７】
電機子巻線１２が巻装された固定子１８は、円筒形状を成すセンターブラケット２０内周側に圧入等により固定されている。センターブラケット２０の前側端面には、フロントブラケット２４がボルトにより固定されている。
【００１８】
センターブラケット２０の円筒壁面内部には、エンジンの冷却水が流れる水路３７が形成されている。センターブラケット２０の後側には、冷却水の水路３７を塞ぐようにリヤプレート３６がボルト固定されている。センターブラケット２０とリヤプレート３６との間にはゴムパッキンが設けられ、水路の気密性が保たれている。水路３７の冷却水によってセンターブラケット２０およびリヤプレート３６が冷却されることにより、センターブラケット２０の内周面に固定された固定子１８の電機子巻線１２や、リヤプレート３６に接するように設けられた全波整流器２、制御装置アセンブリ３１が冷却される。
【００１９】
図３は、交流発電機１の充電系統を示す回路図である。全波整流器２は、６つのパワーＭＯＳＦＥＴ８，９から成る整流ブリッジ回路であって、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８とローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９との直列回路を３組並列接続したものである。各直列接続されたＭＯＳＦＥＴ８，９の各接続点に、電機子巻線１２の各相に対応して設けられた出力端子が各々接続されている。各ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のドレイン端子はバッテリ６の正極に接続され、各ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のソース端子はバッテリ６の負極に接続される。また、電機子巻線１２の各出力端子はＭＯＳＦＥＴ制御装置４の入力端子に接続されており、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、各出力端子の電圧（相電圧）を検出する。本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート−ソース間に負荷回路１０，１１を設けた点が従来の装置と異なる。負荷回路１０，１１については、後述する。
【００２０】
なお、図３に示す全波整流器２の構成では、各相のハイサイド側およびローサイド側にＭＯＳＦＥＴを一素子ずつ実装したが、図７に示すように複数の素子（図７では２つの素子）を並列に実装しても良い。その場合には、並列実装された複数の素子に対して一つの負荷回路１１を設けるようにすれば良い。もちろん、素子毎に負荷回路１１を設けても構わない。
【００２１】
各ＭＯＳＦＥＴ８，９のオンオフは、制御装置アセンブリ３１に設けられたＭＯＳＦＥＴ制御装置４によって制御される。１４，１５はゲート駆動信号線であり、全波整流装置２に設けられた整流器側信号端子４０と、制御装置アセンブリ３１に設けられた制御側信号端子３０とを接続している。ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、電機子巻線１２に発生する相電圧に基づいてＭＯＳＦＥＴ８，９にゲート駆動信号を供給し、ＭＯＳＦＥＴ８，９をオンオフする。電機子巻線１２より出力される交流電力は直流電力に全波整流され、バッテリ６や負荷装置７に供給される。負荷装置７は、車両に搭載されているランプやエアコン等の車載補機である。
【００２２】
界磁制御装置３は、車両側の指令制御装置５から送られてくる負荷装置７に関する要求電力指令に応じて、界磁巻線１３に供給される界磁電力を制御する。これによって、電機子巻線１２から出力される交流電力量が調整される。
【００２３】
全波整流器２は、ＭＯＳＦＥＴ８，９の発熱により比較的温度が高くなる。そのため、制御装置アセンブリ３１は、発熱の影響を避けるために、全波整流器２とは別筐体とされる。そのため、全波整流器２の整流器側信号端子４０と制御装置アセンブリ３１の制御側信号端子３０とを、ゲート駆動信号線１４，１５により接続する構造がとられている。
【００２４】
図４〜図６は、全波整流器２および制御装置アセンブリ３１の配置状況を示す図である。図２に示したように、全波整流器２および制御装置アセンブリ３１は、センターブラケット２０の後ろ側に固定されたリヤプレート３６に固定されている。リヤプレート３６は水路３７内を流れる冷却水によって冷却されており、全波整流器２および制御装置アセンブリ３１で発生した熱は、リヤプレート３６を介して冷却水へと放熱される。
【００２５】
図４は、制御装置アセンブリ３１をカバー２６側から見た図である。図５は、全波整流器２の一部をカバー２６側から見た図であり、１相分のモジュール構造を示したものである。図６は、リヤプレート３６上に固定された全波整流器２および制御装置アセンブリ３１間における、ゲート駆動信号線１４，１５の接続形態を示す図である。
【００２６】
図４において、１６はブラシ２８が配置されるブラシホルダであり、界磁制御装置３とＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、ブラシホルダ１６と同一筐体内に配置されている。その筐体の外表面には、界磁制御装置３およびＭＯＳＦＥＴ制御装置４の制御側信号端子３０が設けられている。
【００２７】
図５に示すように（図２も参照）、全波整流器２は、リヤプレート３６上にボルト固定されたアルミプレート３５と、アルミプレート３５に接着剤によって固定された金属基板１７とを備えている。アルミプレート３５上には、金属基板１７を囲む様に樹脂で構成されたモールドケース３８が設けられている。金属基板１７上には、Ｃｕ（銅）配線パターンが絶縁層を介して配置されている。ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８およびローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９は、そのＣｕ配線パターン上にはんだにより実装されている。なお、図５では、図７に示すようにＭＯＳＦＥＴ８，９がそれぞれ２つ並列接続される場合を例に、それらの配置を示した。
【００２８】
モールドケース３８内には、バッテリ６との接続端子であるＢ端子３３が圧入固定されているＢ端子バスバー３４と、口出し線端子３２とがモールドされている。口出し線端子３２には、電機子巻線１２からの相電圧が出力される口出し線が接続される。
【００２９】
ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のドレイン端子は、金属基板１７上のＣｕパターン上にはんだ付けされている。そのＣｕパターンは、アルミワイヤボンディングにより、Ｂ端子バスバー３４と電気的に接続されている。また、ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のソース端子は、金属基板１７上の別のＣｕパターン上にはんだ付けされている。そのＣｕパターンは、アルミワイヤボンディングにより、アルミプレート３５と電気的に接続されている。
【００３０】
金属基板１７上には、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のゲート−ソース間に設けられる負荷回路１０を構成する抵抗と、ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のゲート−ソース間に設けられる負荷回路１１とを構成する抵抗とが、それぞれ配置されている。アルミプレート３５は、リヤプレート３６、センターブラケット２０、エンジン１０１を介してアースが取られている。
【００３１】
また、直列接続されたハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のソース端子とローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のドレイン端子とは、口出し線端子３２によって、電機子巻線１２から相電圧が出力される口出し線と接続されている。モールドケース３８内には、金属基板１７、ＭＯＳＦＥＴ８，９、アルミワイヤボンディング等を全て覆う様にモールド樹脂３９が充填されている。
【００３２】
図６は、リヤプレート３６上に固定された全波整流器２および制御装置アセンブリ３１の断面図である。制御装置アセンブリ３１の外表面には、制御側信号端子３０が露出するように設けられている。同様に、全波整流器２の上面には、ＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート端子と電気的に接続された整流器側信号端子４０は、露出するように設けられている。制御側信号端子３０と整流器側信号端子４０とは、ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）により構成されたゲート駆動信号線１４，１５により接続されている。
【００３３】
なお、ゲート駆動信号線１４，１５として、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）で構成されたバスバーを使用しても良い。また、ゲート駆動信号線１４，１５と整流器側信号端子４０および制御側信号端子３０との接続方法は、コネクタ接続や、ワイヤボンディング接続や、ねじ止め接続や、溶接等を用いることができる。
【００３４】
次に、充電時のＭＯＳＦＥＴの動作ついて簡単に説明する。界磁巻線１３に界磁電流が供給された状態で回転子１９が回転すると、電機子巻線１２に誘導起電力が発生し、電機子巻線１２の各端子間に三相の誘導電圧が発生する。ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、例えば、ＵＶ相間の電圧が高くなり、その電圧がバッテリ６の電圧よりも高くなる状態においては、高電圧側のＵ相出力端子が接続されている直列回路のハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のゲート端子にゲート電圧を供給し、ソース端子からドレイン端子方向に電流が流れるように制御する。また、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、低電圧側のＶ相出力端子が接続されている直列回路のローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のゲート端子にゲート電圧を供給し、ソース端子からドレイン端子方向に電流が流れるように制御する。その結果、バッテリ６が充電される。
【００３５】
逆に、Ｖ相出力端子が高電圧、Ｕ相出力端子が低電圧となって、ＶＵ相間の電圧がバッテリ６の電圧よりも高くなる状態においては、Ｖ相出力端子が接続されている直列回路のハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８と、Ｕ相出力端子が接続されている直列回路のローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９とをオンすることにより、バッテリ６が充電される。ＶＷ相間、ＷＵ相間においても同様の動作が実行されて、三相全波整流動作が行われる。
【００３６】
このように、整流動作中はハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８およびローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のいずれか一方のみがオン動作される。ところで、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４と全波整流器２のゲート端子とを接続しているゲート駆動信号線１４，１５は、振動等により接触不良となったり、断線したりするおそれがある。
【００３７】
例えば、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のゲート駆動信号線１４が断線した場合、ＭＯＳＦＥＴ８のゲート電圧が不安定な状態（フローティング）となる。ＭＯＳＦＥＴはゲート容量を持っているため、ゲート電圧が印加されたオン状態のときにゲート駆動信号線１４が断線すると、ゲート容量に電荷が蓄えられたままオン状態が継続するおそれがある。そのような状態において、ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９がオンされると、バッテリ６からの短絡電流によりＭＯＳＦＥＴが故障するおそれがあった。
【００３８】
そのため、本実施の形態では、上述したように負荷回路１０，１１をゲート−ソース間に設けることにより、断線時にゲート容量に貯まったままの電荷を、負荷回路１０，１１を介して逃がすようにした。その結果、ゲートの電位がソースの電位と同電位となるため、ゲート電圧のフローティングに起因するＭＯＳＦＥＴのオン状態を防止することができ、確実にＭＯＳＦＥＴをオフして、寄生ダイオードによる整流に切り替えることが可能となる。
【００３９】
なお、負荷回路１０，１１を抵抗で構成する場合には、その抵抗値Ｒは以下のように設定するのが好ましい。抵抗値Ｒを設定する際の考え方としては、（１）抵抗値Ｒの大きさはゲート信号オンオフ時の時定数τ＝Ｒ×Ｃｇに影響するので、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４からのオンオフ指令に対して、ＭＯＳＦＥＴ８，９のオンオフが追従できるような時定数となるように、抵抗値Ｒの上限値を設定する。かつ、（２）ゲート電圧を印加すると負荷回路（抵抗）１０，１１に電流が流れるので、そのときの損失ができるだけ小さくなるように抵抗値Ｒの下限値を設定する。
【００４０】
時定数τに関しては、相電圧の正負に応じてＭＯＳＦＥＴ８，９をオンオフするので、少なくとも相電圧の周期の１／２以下にする必要がある。また、車両用交流発電機１は、一般的に最大２００００ｒｐｍの回転に耐えられることが要求されるので、ここでは、時定数τが２００００ｒｐｍ（要求最大回転数）時の相電圧の１／２周期よりも小さくなるように、抵抗値Ｒを設定する。
【００４１】
一方、損失の許容最大値に関しては、少なくとも、整流素子をダイオードからＭＯＳＦＥＴに変更したことによる損失低下分よりも小さくする必要がある。整流素子に流れる電流をＩとし、ダイオードおよびＭＯＳＦＥＴの電圧降下をそれぞれΔＶd、ΔＶmとすると、整流素子をＭＯＳＦＥＴに置き換えたことによる整流素子１個分の損失低下分ΔＷは、「ΔＷ＝Ｉ×（ΔＶd−ΔＶm）」となる。この損失低下分ΔＷを最大許容損失とみなし、「ＲＩ２＜ΔＷ」のように抵抗値Ｒを設定する必要がある。ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をＶgとすれば、負荷回路１０，１１の抵抗値Ｒは「Ｒ＞Ｖg２／ΔＷ」を満たすように設定される。
【００４２】
また、ＩＣ等における漏れ電流を目安として、抵抗を流れる電流が目安の漏れ電流よりも小さくなるように抵抗値Ｒを設定しても良い。この場合のゲート電圧Ｖgとしては、例えば、車両用交流発電機に使用される種々のＭＯＳＦＥＴの内で、最もゲート電圧の小さなものを基準として抵抗値Ｒを設定することで、損失の許容最大値を設定する。
【００４３】
例えば、回転数２００００ｒｐｍ時の相電圧周波数が２０００Ｈｚである２極の交流発電機について考えてみる。この場合、１／２周期は０．２５ｍｓとなるので、時定数τは「τ＜０．２５ｍｓ」のように設定する。車両用交流発電機の整流装置に用いられ、１８０Ａ程度の電流が流れる大電流用のＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート容量Ｇｇは５０００ｐＦ〜２００００ｐＦ程度となっている。ここでは時定数τ＝Ｒ×Ｃｇにおける抵抗値Ｒの上限値を考えているので、ゲート容量Ｃｇとして５０００ｐＦを用いる。この場合、抵抗値Ｒは「Ｒ＜０．２５ｍｓ／５０００ｐＦ」のように設定され、上限値ＲmaxはＲmax＝５０ｋΩとなる。
【００４４】
一方、抵抗値Ｒの下限値Ｒminを、整流素子をダイオードからＭＯＳＦＥＴに変更したときの損失低下分ΔＷから求める場合について考える。車両用交流発電機の出力電流が１２０Ａの時に、図７のようにＭＯＳＦＥＴ８，９をそれぞれ２つ並列接続した場合、１素子当たりに流れる電流実効値は約４０Ａである。また、ＭＯＳＦＥＴ８，９としてオン抵抗が３ｍΩの素子を想定すると、４０Ａの電流が流れたときの電圧降下は０．１２Ｖとなる。そこで、整流素子に流れる電流Ｉを４０Ａ、ダイオードの電圧降下ΔＶdを１．０Ｖ、ＭＯＳＦＥＴの電圧降下ΔＶmを０．１２Ｖとすると、損失低下分ΔＷは３５．２Ｗとなる。この損失低下分ΔＷを最大許容損失Ｗmaxとし、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をＶgとすれば、「Ｒ＞Ｖg２／Ｗmax＝Ｖg２／３５．２」となる。すなわち、損失低下分ΔＷから抵抗値Ｒの下限値Ｒminを決める場合には、上限値Ｒmaxに上述した５０ｋΩを用いると、抵抗値Ｒは、Ｖg２／Ｗmax（Ω）＜Ｒ＜５０ｋΩのように設定されが、かなり小さな抵抗値まで許容できることになる。
【００４５】
また、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧Ｖgとして、例えば５Ｖを採用し、漏れ電流の目安を１０ｍＡとした場合、負荷回路１０，１１を流れる電流が１０ｍＡよりも小さくなるためには、抵抗値Ｒは「Ｒ＞５００Ω」のように設定する必要がある。すなわち、抵抗値Ｒの下限値Ｒminは５００Ωとなる。上限値Ｒmaxを上述した５０ｋΩとした場合、抵抗値Ｒは５００Ω＜Ｒ＜５０ｋΩのように設定される。
【００４６】
なお、上述した計算例では、ゲート容量Ｃｇに５０００ｐＦを用いて上限値Ｒmax＝５０ｋΩを算出したが、５０００ｐＦ〜２００００ｐＦの範囲内のゲート容量Ｃｇを有するどのようなＭＯＳＦＥＴにも対応できるように構成する場合には、Ｃｇ＝２００００ｐＦとして算出した抵抗値Ｒ＝２５ｋΩを、上限値Ｒmaxとして採用すれば良い。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態においては、全波整流器２に整流素子として設けられたＭＯＳＦＥＴ８，９に対して、そのゲート−ソース間にゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路１０，１１を接続するようにした。そのため、ゲート駆動信号線が断線した場合においても、ゲート端子がソース端子と同電位になり、ＭＯＳＦＥＴ８，９をオフすることが可能となる。その結果、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８とローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９の同時オンによるショート電流破壊を防止することができる。また、ＭＯＳＦＥＴ８，９をオフした場合でもＭＯＳＦＥＴ内にある寄生ダイオードにより全波整流を行うことが出来るため、車両用交流発電機の発電を継続することが可能となり、車両においても通常走行を継続することが可能となる。
【００４８】
負荷回路１０，１１を抵抗で構成し、その抵抗値とＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート容量との積で定義される時定数が、車両用交流発電機が要求最大回転数で回転時の相電圧周期の１／２周期よりも小さく、かつ、駆動信号印加時の抵抗の損失が所定最大許容損失よりも小さくなるように、抵抗値を設定することにより、抵抗による損失を小さく抑えつつ、ＭＯＳＦＥＴ８，９のオンオフをスイッチング指令に追従させることができる。
【００４９】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５０】
１：車両用交流発電機、２：全波整流器、３：界磁制御装置、４：MOSFET制御装置、５：指令制御装置、６：バッテリ、７：負荷装置、８，９：ＭＯＳＦＥＴ、１０，１１：負荷回路、１２：電機子巻線、１３：界磁巻線、１４，１５：ゲート駆動信号線、１８：固定子、１９：回転子、２０：センターブラケット、２３：シャフト、２４：フロントブラケット、３０：制御側信号端子、３１：制御装置アセンブリ、３６：リヤプレート、３８：モールドケース、３９：モールド樹脂、４０：整流器側信号端子、１１０：整流装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＯＳＦＥＴを整流素子に用いた車両用交流発電機、および車両用交流発電機の整流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電電動装置においては、交流発電機の電機子巻線によって発生する交流電力を全波整流装置により整流している。このような全波整流装置としては、従来、ダイオードを用いたものが知られている。近年、全波整流装置における損失を低減するために、ダイオードに代えてＭＯＳＦＥＴを用いた全波整流装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
ところで、ＭＯＳＦＥＴを用いた全波整流装置では、ＭＯＳＦＥＴで構成された全波整流回路における発熱量が大きいため、マイコン等の耐熱温度の低い電子部品を含むＭＯＳＦＥＴ制御回路を全波整流回路とは別の筐体に設け、全波整流回路とＭＯＳＦＥＴ制御回路とを熱的に分離する必要がある。別筐体に分離されたＭＯＳＦＥＴ制御回路から全波整流回路へとゲート駆動信号を送信するために、ＭＯＳＦＥＴ制御回路を収めた筐体と全波整流回路を収めた筐体との間にゲート駆動信号線が接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ制御回路および全波整流回路は、車両用交流発電機をエンジンに固定するための筐体に直接取付けられる。そのため、ＭＯＳＦＥＴ制御回路および全波整流回路には、エンジンの振動と車両用交流発電機自身の振動の両方が加わり、その振動の影響によってゲート駆動信号線が断線するおそれがある。ゲート駆動信号線が断線すると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電位が不安定な状態（フローティング）となり、ＭＯＳＦＥＴがオン状態のままとなる場合がある。そのように、直列接続されたＭＯＳＦＥＴの一方がオン状態のままとなると、他方のＭＯＳＦＥＴがオンされた時に、直列接続されたＭＯＳＦＥＴがショート状態になってしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、車両用交流発電機の交流電力を直流電力に整流する整流装置であって、複数のＭＯＳＦＥＴを整流素子として備えた整流器と、ゲート駆動信号線を介して複数のＭＯＳＦＥＴのゲートに駆動信号を印加し、該複数のＭＯＳＦＥＴの導通および遮断を指令する制御回路と、各ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間に接続され、ゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の車両用交流発電機の整流装置において、負荷回路を抵抗で構成し、抵抗の抵抗値とＭＯＳＦＥＴのゲート容量との積で定義される時定数が、車両用交流発電機が要求最大回転数で回転時の相電圧周期の１／２周期よりも小さく、かつ、駆動信号印加時の前記抵抗の損失が所定最大許容損失よりも小さくなるように、抵抗の抵抗値が設定されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、ダイオードを整流素子とした場合の整流損とＭＯＳＦＥＴを整流素子とした場合の整流損との差分を、所定最大許容損失としたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、抵抗の抵抗値Ｒは、５００Ω＜Ｒ＜５０ｋΩを満たすように設定されていることを特徴とする。
請求項５の発明に係る車両用交流発電機は、請求項１に記載の整流装置と、電気子巻線が施された固定子と、界磁巻線が施された回転子と、固定子および回転子が保持される車両固定用のブラケットと、ブラケットに固定され、整流器およびゲート駆動信号入力用端子が設けられた第１の筐体と、ブラケットに固定され、制御回路およびゲート駆動信号出力用端子が設けられた第２の筐体と、を備え、ゲート駆動信号入力用端子とゲート駆動信号出力用端子とが、ゲート駆動信号線により接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、車両用交流発電機、および車両用交流発電機の整流装置の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】車両用交流発電機が搭載された車両駆動システムの概略構成を示す図である。
【図２】車両用交流発電機１の全体構成を示す断面図である。
【図３】車両用交流発電機の充電系統を示す回路図である。
【図４】制御装置アセンブリ３１をカバー２６側から見た図である。
【図５】全波整流装置２の一部をカバー２６側から見た図である。
【図６】ゲート駆動信号線１４，１５の接続形態を示す図である。
【図７】ＭＯＳＦＥＴを２つ並列接続した場合の、車両用交流発電機の充電系統を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態の車両用交流発電機が搭載された車両駆動システムの概略構成を示す図である。車両駆動システムは、内燃機関であるエンジン１０１を動力源とするものである。エンジン１０１の回転駆動力は変速機１０４、デファイレンシャルギア１０５、前輪車軸１０７ａを介して前輪１０６ａに伝達される。図１において、１０６ｂは後輪を示し、１０７ｂは後輪車軸を示す。
【００１０】
車両用交流発電機１（以下では、交流発電機１と記載する）はエンジン１０１に取り付けられており、エンジンプーリー１０１ａと交流発電機１のプーリー２５とがベルト１０２にて機械的に連結されている。これによって、エンジン１０１の回転駆動力が交流発電機１に伝達される。また、交流発電機１は、エンジン１０１に回転駆動力を与える電動機としての機能も有しており、その場合には、交流発電機１の回転駆動力がエンジン１０１に伝達される。
【００１１】
１１０は整流装置であり、図示していないが、後述するように全波整流器２、界磁制御装置３、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４が設けられている（図３参照）。なお、図１では交流発電機１と整流装置１１０とを分離して示したが、後述するように、交流発電機１と整流装置１１０は一体に設けられている。
【００１２】
図２は、交流発電機１の全体構成を示す断面図である。なお、図２の説明においては、図の左右方向に対応する方向を「軸方向」、図の左に対応する位置関係を「前」、図の右に対応する位置関係を「後」として説明する。交流発電機１は、センターブラケット２０と、フロントブラケット２４と、リヤプレート３６と、センターブラケット２０内に設けられている固定子１８および回転子１９と、リヤプレート３６に設けられている全波整流器２および制御装置アセンブリ３１とを備えている。
【００１３】
界磁巻線１３が巻装された回転子１９は、シャフト２３に固定されている。そのシャフト２３は、フロントブラケット２４とセンターブラケット２０とに各々設置されたベアリング２１，２２により、回転自在に支持されている。回転子１９の後端には、界磁巻線１３を冷却するためのファン２９が設けられている。回転子１９と一体にファン２９が回転すると、冷却風が発生して界磁巻線１３が冷却される。
【００１４】
交流発電機１の後端には、外周部に開口部が形成されたカバー２６が取り付けられており、ファン２９が回転すると、カバー２６の開口部から冷却風が流入する。冷却風は、さらに、センターブラケット２０の後側の軸中心部に設けられている開口部よりセンターブラケット内部に流入する。流入した冷却風は、界磁巻線１３を冷却した後に、フロントブラケット２４に設けられた開口部より外部に流出する。
【００１５】
シャフト２３の前端はフロントブラケット２４を貫通して外部に突出しており、その端部にはプーリー２５がナットにより固定されている。プーリー２５は、図１に示すように、エンジン１０４の出力軸とベルト１０２で機械的に連結され、エンジン１０１からの回転駆動力を交流発電機１に伝達し、また、交流発電機１で発生した回転駆動力をエンジン１０１に伝達する。
【００１６】
一方、シャフト２３の後端は、センターブラケット２０を貫通して後方のカバー２６側に突出している。シャフト２３の後端には、導電性の環状部材からなるスリップリング１７が設けられている。シャフト２３とともに回転するスリップリング１７には、ブラシ２８が摺動接触している。ブラシ２８は回転子１９の界磁巻線１３と電気的に接続されており、界磁制御装置３からの電力を界磁巻線１３に供給する働きをしている。
【００１７】
電機子巻線１２が巻装された固定子１８は、円筒形状を成すセンターブラケット２０内周側に圧入等により固定されている。センターブラケット２０の前側端面には、フロントブラケット２４がボルトにより固定されている。
【００１８】
センターブラケット２０の円筒壁面内部には、エンジンの冷却水が流れる水路３７が形成されている。センターブラケット２０の後側には、冷却水の水路３７を塞ぐようにリヤプレート３６がボルト固定されている。センターブラケット２０とリヤプレート３６との間にはゴムパッキンが設けられ、水路の気密性が保たれている。水路３７の冷却水によってセンターブラケット２０およびリヤプレート３６が冷却されることにより、センターブラケット２０の内周面に固定された固定子１８の電機子巻線１２や、リヤプレート３６に接するように設けられた全波整流器２、制御装置アセンブリ３１が冷却される。
【００１９】
図３は、交流発電機１の充電系統を示す回路図である。全波整流器２は、６つのパワーＭＯＳＦＥＴ８，９から成る整流ブリッジ回路であって、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８とローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９との直列回路を３組並列接続したものである。各直列接続されたＭＯＳＦＥＴ８，９の各接続点に、電機子巻線１２の各相に対応して設けられた出力端子が各々接続されている。各ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のドレイン端子はバッテリ６の正極に接続され、各ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のソース端子はバッテリ６の負極に接続される。また、電機子巻線１２の各出力端子はＭＯＳＦＥＴ制御装置４の入力端子に接続されており、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、各出力端子の電圧（相電圧）を検出する。本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート−ソース間に負荷回路１０，１１を設けた点が従来の装置と異なる。負荷回路１０，１１については、後述する。
【００２０】
なお、図３に示す全波整流器２の構成では、各相のハイサイド側およびローサイド側にＭＯＳＦＥＴを一素子ずつ実装したが、図７に示すように複数の素子（図７では２つの素子）を並列に実装しても良い。その場合には、並列実装された複数の素子に対して一つの負荷回路１１を設けるようにすれば良い。もちろん、素子毎に負荷回路１１を設けても構わない。
【００２１】
各ＭＯＳＦＥＴ８，９のオンオフは、制御装置アセンブリ３１に設けられたＭＯＳＦＥＴ制御装置４によって制御される。１４，１５はゲート駆動信号線であり、全波整流装置２に設けられた整流器側信号端子４０と、制御装置アセンブリ３１に設けられた制御側信号端子３０とを接続している。ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、電機子巻線１２に発生する相電圧に基づいてＭＯＳＦＥＴ８，９にゲート駆動信号を供給し、ＭＯＳＦＥＴ８，９をオンオフする。電機子巻線１２より出力される交流電力は直流電力に全波整流され、バッテリ６や負荷装置７に供給される。負荷装置７は、車両に搭載されているランプやエアコン等の車載補機である。
【００２２】
界磁制御装置３は、車両側の指令制御装置５から送られてくる負荷装置７に関する要求電力指令に応じて、界磁巻線１３に供給される界磁電力を制御する。これによって、電機子巻線１２から出力される交流電力量が調整される。
【００２３】
全波整流器２は、ＭＯＳＦＥＴ８，９の発熱により比較的温度が高くなる。そのため、制御装置アセンブリ３１は、発熱の影響を避けるために、全波整流器２とは別筐体とされる。そのため、全波整流器２の整流器側信号端子４０と制御装置アセンブリ３１の制御側信号端子３０とを、ゲート駆動信号線１４，１５により接続する構造がとられている。
【００２４】
図４〜図６は、全波整流器２および制御装置アセンブリ３１の配置状況を示す図である。図２に示したように、全波整流器２および制御装置アセンブリ３１は、センターブラケット２０の後ろ側に固定されたリヤプレート３６に固定されている。リヤプレート３６は水路３７内を流れる冷却水によって冷却されており、全波整流器２および制御装置アセンブリ３１で発生した熱は、リヤプレート３６を介して冷却水へと放熱される。
【００２５】
図４は、制御装置アセンブリ３１をカバー２６側から見た図である。図５は、全波整流器２の一部をカバー２６側から見た図であり、１相分のモジュール構造を示したものである。図６は、リヤプレート３６上に固定された全波整流器２および制御装置アセンブリ３１間における、ゲート駆動信号線１４，１５の接続形態を示す図である。
【００２６】
図４において、１６はブラシ２８が配置されるブラシホルダであり、界磁制御装置３とＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、ブラシホルダ１６と同一筐体内に配置されている。その筐体の外表面には、界磁制御装置３およびＭＯＳＦＥＴ制御装置４の制御側信号端子３０が設けられている。
【００２７】
図５に示すように（図２も参照）、全波整流器２は、リヤプレート３６上にボルト固定されたアルミプレート３５と、アルミプレート３５に接着剤によって固定された金属基板１７とを備えている。アルミプレート３５上には、金属基板１７を囲む様に樹脂で構成されたモールドケース３８が設けられている。金属基板１７上には、Ｃｕ（銅）配線パターンが絶縁層を介して配置されている。ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８およびローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９は、そのＣｕ配線パターン上にはんだにより実装されている。なお、図５では、図７に示すようにＭＯＳＦＥＴ８，９がそれぞれ２つ並列接続される場合を例に、それらの配置を示した。
【００２８】
モールドケース３８内には、バッテリ６との接続端子であるＢ端子３３が圧入固定されているＢ端子バスバー３４と、口出し線端子３２とがモールドされている。口出し線端子３２には、電機子巻線１２からの相電圧が出力される口出し線が接続される。
【００２９】
ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のドレイン端子は、金属基板１７上のＣｕパターン上にはんだ付けされている。そのＣｕパターンは、アルミワイヤボンディングにより、Ｂ端子バスバー３４と電気的に接続されている。また、ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のソース端子は、金属基板１７上の別のＣｕパターン上にはんだ付けされている。そのＣｕパターンは、アルミワイヤボンディングにより、アルミプレート３５と電気的に接続されている。
【００３０】
金属基板１７上には、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のゲート−ソース間に設けられる負荷回路１０を構成する抵抗と、ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のゲート−ソース間に設けられる負荷回路１１とを構成する抵抗とが、それぞれ配置されている。アルミプレート３５は、リヤプレート３６、センターブラケット２０、エンジン１０１を介してアースが取られている。
【００３１】
また、直列接続されたハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のソース端子とローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のドレイン端子とは、口出し線端子３２によって、電機子巻線１２から相電圧が出力される口出し線と接続されている。モールドケース３８内には、金属基板１７、ＭＯＳＦＥＴ８，９、アルミワイヤボンディング等を全て覆う様にモールド樹脂３９が充填されている。
【００３２】
図６は、リヤプレート３６上に固定された全波整流器２および制御装置アセンブリ３１の断面図である。制御装置アセンブリ３１の外表面には、制御側信号端子３０が露出するように設けられている。同様に、全波整流器２の上面には、ＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート端子と電気的に接続された整流器側信号端子４０は、露出するように設けられている。制御側信号端子３０と整流器側信号端子４０とは、ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）により構成されたゲート駆動信号線１４，１５により接続されている。
【００３３】
なお、ゲート駆動信号線１４，１５として、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）で構成されたバスバーを使用しても良い。また、ゲート駆動信号線１４，１５と整流器側信号端子４０および制御側信号端子３０との接続方法は、コネクタ接続や、ワイヤボンディング接続や、ねじ止め接続や、溶接等を用いることができる。
【００３４】
次に、充電時のＭＯＳＦＥＴの動作ついて簡単に説明する。界磁巻線１３に界磁電流が供給された状態で回転子１９が回転すると、電機子巻線１２に誘導起電力が発生し、電機子巻線１２の各端子間に三相の誘導電圧が発生する。ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、例えば、ＵＶ相間の電圧が高くなり、その電圧がバッテリ６の電圧よりも高くなる状態においては、高電圧側のＵ相出力端子が接続されている直列回路のハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のゲート端子にゲート電圧を供給し、ソース端子からドレイン端子方向に電流が流れるように制御する。また、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４は、低電圧側のＶ相出力端子が接続されている直列回路のローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のゲート端子にゲート電圧を供給し、ソース端子からドレイン端子方向に電流が流れるように制御する。その結果、バッテリ６が充電される。
【００３５】
逆に、Ｖ相出力端子が高電圧、Ｕ相出力端子が低電圧となって、ＶＵ相間の電圧がバッテリ６の電圧よりも高くなる状態においては、Ｖ相出力端子が接続されている直列回路のハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８と、Ｕ相出力端子が接続されている直列回路のローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９とをオンすることにより、バッテリ６が充電される。ＶＷ相間、ＷＵ相間においても同様の動作が実行されて、三相全波整流動作が行われる。
【００３６】
このように、整流動作中はハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８およびローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９のいずれか一方のみがオン動作される。ところで、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４と全波整流器２のゲート端子とを接続しているゲート駆動信号線１４，１５は、振動等により接触不良となったり、断線したりするおそれがある。
【００３７】
例えば、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８のゲート駆動信号線１４が断線した場合、ＭＯＳＦＥＴ８のゲート電圧が不安定な状態（フローティング）となる。ＭＯＳＦＥＴはゲート容量を持っているため、ゲート電圧が印加されたオン状態のときにゲート駆動信号線１４が断線すると、ゲート容量に電荷が蓄えられたままオン状態が継続するおそれがある。そのような状態において、ローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９がオンされると、バッテリ６からの短絡電流によりＭＯＳＦＥＴが故障するおそれがあった。
【００３８】
そのため、本実施の形態では、上述したように負荷回路１０，１１をゲート−ソース間に設けることにより、断線時にゲート容量に貯まったままの電荷を、負荷回路１０，１１を介して逃がすようにした。その結果、ゲートの電位がソースの電位と同電位となるため、ゲート電圧のフローティングに起因するＭＯＳＦＥＴのオン状態を防止することができ、確実にＭＯＳＦＥＴをオフして、寄生ダイオードによる整流に切り替えることが可能となる。
【００３９】
なお、負荷回路１０，１１を抵抗で構成する場合には、その抵抗値Ｒは以下のように設定するのが好ましい。抵抗値Ｒを設定する際の考え方としては、（１）抵抗値Ｒの大きさはゲート信号オンオフ時の時定数τ＝Ｒ×Ｃｇに影響するので、ＭＯＳＦＥＴ制御装置４からのオンオフ指令に対して、ＭＯＳＦＥＴ８，９のオンオフが追従できるような時定数となるように、抵抗値Ｒの上限値を設定する。かつ、（２）ゲート電圧を印加すると負荷回路（抵抗）１０，１１に電流が流れるので、そのときの損失ができるだけ小さくなるように抵抗値Ｒの下限値を設定する。
【００４０】
時定数τに関しては、相電圧の正負に応じてＭＯＳＦＥＴ８，９をオンオフするので、少なくとも相電圧の周期の１／２以下にする必要がある。また、車両用交流発電機１は、一般的に最大２００００ｒｐｍの回転に耐えられることが要求されるので、ここでは、時定数τが２００００ｒｐｍ（要求最大回転数）時の相電圧の１／２周期よりも小さくなるように、抵抗値Ｒを設定する。
【００４１】
一方、損失の許容最大値に関しては、少なくとも、整流素子をダイオードからＭＯＳＦＥＴに変更したことによる損失低下分よりも小さくする必要がある。整流素子に流れる電流をＩとし、ダイオードおよびＭＯＳＦＥＴの電圧降下をそれぞれΔＶd、ΔＶmとすると、整流素子をＭＯＳＦＥＴに置き換えたことによる整流素子１個分の損失低下分ΔＷは、「ΔＷ＝Ｉ×（ΔＶd−ΔＶm）」となる。この損失低下分ΔＷを最大許容損失とみなし、「ＲＩ２＜ΔＷ」のように抵抗値Ｒを設定する必要がある。ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をＶgとすれば、負荷回路１０，１１の抵抗値Ｒは「Ｒ＞Ｖg２／ΔＷ」を満たすように設定される。
【００４２】
また、ＩＣ等における漏れ電流を目安として、抵抗を流れる電流が目安の漏れ電流よりも小さくなるように抵抗値Ｒを設定しても良い。この場合のゲート電圧Ｖgとしては、例えば、車両用交流発電機に使用される種々のＭＯＳＦＥＴの内で、最もゲート電圧の小さなものを基準として抵抗値Ｒを設定することで、損失の許容最大値を設定する。
【００４３】
例えば、回転数２００００ｒｐｍ時の相電圧周波数が２０００Ｈｚである２極の交流発電機について考えてみる。この場合、１／２周期は０．２５ｍｓとなるので、時定数τは「τ＜０．２５ｍｓ」のように設定する。車両用交流発電機の整流装置に用いられ、１８０Ａ程度の電流が流れる大電流用のＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート容量Ｇｇは５０００ｐＦ〜２００００ｐＦ程度となっている。ここでは時定数τ＝Ｒ×Ｃｇにおける抵抗値Ｒの上限値を考えているので、ゲート容量Ｃｇとして５０００ｐＦを用いる。この場合、抵抗値Ｒは「Ｒ＜０．２５ｍｓ／５０００ｐＦ」のように設定され、上限値ＲmaxはＲmax＝５０ｋΩとなる。
【００４４】
一方、抵抗値Ｒの下限値Ｒminを、整流素子をダイオードからＭＯＳＦＥＴに変更したときの損失低下分ΔＷから求める場合について考える。車両用交流発電機の出力電流が１２０Ａの時に、図７のようにＭＯＳＦＥＴ８，９をそれぞれ２つ並列接続した場合、１素子当たりに流れる電流実効値は約４０Ａである。また、ＭＯＳＦＥＴ８，９としてオン抵抗が３ｍΩの素子を想定すると、４０Ａの電流が流れたときの電圧降下は０．１２Ｖとなる。そこで、整流素子に流れる電流Ｉを４０Ａ、ダイオードの電圧降下ΔＶdを１．０Ｖ、ＭＯＳＦＥＴの電圧降下ΔＶmを０．１２Ｖとすると、損失低下分ΔＷは３５．２Ｗとなる。この損失低下分ΔＷを最大許容損失Ｗmaxとし、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をＶgとすれば、「Ｒ＞Ｖg２／Ｗmax＝Ｖg２／３５．２」となる。すなわち、損失低下分ΔＷから抵抗値Ｒの下限値Ｒminを決める場合には、上限値Ｒmaxに上述した５０ｋΩを用いると、抵抗値Ｒは、Ｖg２／Ｗmax（Ω）＜Ｒ＜５０ｋΩのように設定されが、かなり小さな抵抗値まで許容できることになる。
【００４５】
また、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧Ｖgとして、例えば５Ｖを採用し、漏れ電流の目安を１０ｍＡとした場合、負荷回路１０，１１を流れる電流が１０ｍＡよりも小さくなるためには、抵抗値Ｒは「Ｒ＞５００Ω」のように設定する必要がある。すなわち、抵抗値Ｒの下限値Ｒminは５００Ωとなる。上限値Ｒmaxを上述した５０ｋΩとした場合、抵抗値Ｒは５００Ω＜Ｒ＜５０ｋΩのように設定される。
【００４６】
なお、上述した計算例では、ゲート容量Ｃｇに５０００ｐＦを用いて上限値Ｒmax＝５０ｋΩを算出したが、５０００ｐＦ〜２００００ｐＦの範囲内のゲート容量Ｃｇを有するどのようなＭＯＳＦＥＴにも対応できるように構成する場合には、Ｃｇ＝２００００ｐＦとして算出した抵抗値Ｒ＝２５ｋΩを、上限値Ｒmaxとして採用すれば良い。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態においては、全波整流器２に整流素子として設けられたＭＯＳＦＥＴ８，９に対して、そのゲート−ソース間にゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路１０，１１を接続するようにした。そのため、ゲート駆動信号線が断線した場合においても、ゲート端子がソース端子と同電位になり、ＭＯＳＦＥＴ８，９をオフすることが可能となる。その結果、ハイサイド側ＭＯＳＦＥＴ８とローサイド側ＭＯＳＦＥＴ９の同時オンによるショート電流破壊を防止することができる。また、ＭＯＳＦＥＴ８，９をオフした場合でもＭＯＳＦＥＴ内にある寄生ダイオードにより全波整流を行うことが出来るため、車両用交流発電機の発電を継続することが可能となり、車両においても通常走行を継続することが可能となる。
【００４８】
負荷回路１０，１１を抵抗で構成し、その抵抗値とＭＯＳＦＥＴ８，９のゲート容量との積で定義される時定数が、車両用交流発電機が要求最大回転数で回転時の相電圧周期の１／２周期よりも小さく、かつ、駆動信号印加時の抵抗の損失が所定最大許容損失よりも小さくなるように、抵抗値を設定することにより、抵抗による損失を小さく抑えつつ、ＭＯＳＦＥＴ８，９のオンオフをスイッチング指令に追従させることができる。
【００４９】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５０】
１：車両用交流発電機、２：全波整流器、３：界磁制御装置、４：MOSFET制御装置、５：指令制御装置、６：バッテリ、７：負荷装置、８，９：ＭＯＳＦＥＴ、１０，１１：負荷回路、１２：電機子巻線、１３：界磁巻線、１４，１５：ゲート駆動信号線、１８：固定子、１９：回転子、２０：センターブラケット、２３：シャフト、２４：フロントブラケット、３０：制御側信号端子、３１：制御装置アセンブリ、３６：リヤプレート、３８：モールドケース、３９：モールド樹脂、４０：整流器側信号端子、１１０：整流装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用交流発電機の交流電力を直流電力に整流する整流装置であって、
複数のＭＯＳＦＥＴを整流素子として備えた整流器と、
ゲート駆動信号線を介して前記複数のＭＯＳＦＥＴのゲートに駆動信号を印加し、該複数のＭＯＳＦＥＴの導通および遮断を指令する制御回路と、
前記各ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間に接続され、ゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路と、を備えたことを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用交流発電機の整流装置において、
前記負荷回路を抵抗で構成し、
前記抵抗の抵抗値と前記ＭＯＳＦＥＴのゲート容量との積で定義される時定数が、前記車両用交流発電機が要求最大回転数で回転時の相電圧周期の１／２周期よりも小さく、かつ、前記駆動信号印加時の前記抵抗の損失が所定最大許容損失よりも小さくなるように、前記抵抗の抵抗値が設定されていることを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項３】
請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、
ダイオードを整流素子とした場合の整流損とＭＯＳＦＥＴを整流素子とした場合の整流損との差分を、前記所定最大許容損失としたことを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項４】
請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、
前記抵抗の抵抗値Ｒは、５００Ω＜Ｒ＜５０ｋΩを満たすように設定されていることを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項５】
請求項１に記載の整流装置と、
電気子巻線が施された固定子と、
界磁巻線が施された回転子と、
前記固定子および前記回転子が保持される車両固定用のブラケットと、
前記ブラケットに固定され、前記整流器およびゲート駆動信号入力用端子が設けられた第１の筐体と、
前記ブラケットに固定され、前記制御回路およびゲート駆動信号出力用端子が設けられた第２の筐体と、を備え、
前記ゲート駆動信号入力用端子と前記ゲート駆動信号出力用端子とが、前記ゲート駆動信号線により接続されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項１】
車両用交流発電機の交流電力を直流電力に整流する整流装置であって、
複数のＭＯＳＦＥＴを整流素子として備えた整流器と、
ゲート駆動信号線を介して前記複数のＭＯＳＦＥＴのゲートに駆動信号を印加し、該複数のＭＯＳＦＥＴの導通および遮断を指令する制御回路と、
前記各ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間に接続され、ゲート駆動信号線断線時のゲート容量の電荷を逃がすための負荷回路と、を備えたことを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用交流発電機の整流装置において、
前記負荷回路を抵抗で構成し、
前記抵抗の抵抗値と前記ＭＯＳＦＥＴのゲート容量との積で定義される時定数が、前記車両用交流発電機が要求最大回転数で回転時の相電圧周期の１／２周期よりも小さく、かつ、前記駆動信号印加時の前記抵抗の損失が所定最大許容損失よりも小さくなるように、前記抵抗の抵抗値が設定されていることを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項３】
請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、
ダイオードを整流素子とした場合の整流損とＭＯＳＦＥＴを整流素子とした場合の整流損との差分を、前記所定最大許容損失としたことを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項４】
請求項２に記載の車両用交流発電機の整流装置において、
前記抵抗の抵抗値Ｒは、５００Ω＜Ｒ＜５０ｋΩを満たすように設定されていることを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項５】
請求項１に記載の整流装置と、
電気子巻線が施された固定子と、
界磁巻線が施された回転子と、
前記固定子および前記回転子が保持される車両固定用のブラケットと、
前記ブラケットに固定され、前記整流器およびゲート駆動信号入力用端子が設けられた第１の筐体と、
前記ブラケットに固定され、前記制御回路およびゲート駆動信号出力用端子が設けられた第２の筐体と、を備え、
前記ゲート駆動信号入力用端子と前記ゲート駆動信号出力用端子とが、前記ゲート駆動信号線により接続されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−６１９２８（Ｐ２０１１−６１９２８Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７０５６（Ｐ２００９−２０７０５６）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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