JP5488265B2 - 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。

車両用発電機は、出力端子に接続された充電線を介してバッテリや各種の電気負荷に充電電力や動作電力を供給している。この車両用発電機の発電動作時に出力端子やバッテリ端子が外れると、ロードダンプと称される過渡的な高電圧が発生する。このとき発生する電圧は、出力電流等にもよるが場合によっては１００Ｖ以上に達することがある。このようにして発生する高電圧は、電気負荷や車両用発電機内の各種素子の破損の原因になるため、何らかの対策が必要になる。このような対策を行う従来技術としては、例えば車両用発電機のブリッジ回路のローサイド素子をＭＯＳトランジスタで構成し、ロードダンプ発生時に車両用発電機の出力電圧が基準電圧を超えたときにこれらのＭＯＳトランジスタをオンすることにより、高電圧の発生を抑制する保護動作を行う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１参照。）。この車両用発電機では、ブリッジ回路のローサイド素子としての各ＭＯＳトランジスタをオンすることで出力電圧が再び基準電圧以下になると、各ＭＯＳトランジスタは再びオフされ、ブリッジ回路による通常の整流動作が再開されるようになっている。

また、ロードダンプ発生時の高電圧を抑制する他の従来技術として、高電圧検出時に上アーム側（ハイサイド側）および下アーム側（ローサイド側）のそれぞれのパワーＭＯＳＦＥＴの制御モードを逆位相に変更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２参照。）。ロードダンプ発生時の高電圧が解消されると、制御モードが逆位相から通常状態に戻される。

特開平９−２１９９３８号公報（第５−９頁、図１−１４） 特開２００３−２４４８６４号公報（第４−１０頁、図１−１６）

ところで、特許文献１に開示された車両用発電機では、出力電圧が基準電圧以下となって再び通常の整流動作に移行する際に、電流が流れているＭＯＳトランジスタをオフすると、このＭＯＳトランジスタに接続されたステータコイルに流れている電流を瞬断することになるため、このステータコイルに高電圧が発生し、この高電圧が基準電圧を超えた場合には再び保護動作を繰り返すことになり、高電圧の発生を迅速に終わらせることができないという問題があった。

また、特許文献２に開示された車両用発電機では、ロードダンプ発生時に保護動作に入るとき、あるいは保護動作を解除するときに、上アームと下アームの各パワーＭＯＳＦＥＴのオンオフ状態を切り替えているため、これらのパワーＭＯＳＦＥＴが接続されたステータコイルに電流が流れていると切り替え時にサージ電圧が発生するという問題があった。特に、上アームと下アームの各パワーＭＯＳＦＥＴのオン／オフの切り替えタイミングは素子毎に多少のばらつきがあり、同時にオフされる場合にはステータコイルに流れている電流を瞬断することになるため、高いサージ電圧が発生することになる。

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、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせ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、２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成された複数の下アームを有するブリッジ回路を構成し、電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部と、スイッチング素子のオンオフタイミングを制御する制御部と、スイッチング部の出力電圧を監視し、出力電圧が第１のしきい値電圧を超えたときに、下アームを構成するスイッチング素子をオンする指示を制御部に対して行い、第１のしきい値電圧を超えた後に出力電圧が第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧よりも低くなったときに、下アームを構成するスイッチング素子をオフする指示を制御部に対して行うロードダンプ保護判定部とを備え、ロードダンプ保護判定部は、出力電圧が第２のしきい値電圧よりも低くなったことを検出した後、下アームを構成するスイッチング素子をオフするタイミングの適否判定を行っている。

ロードダンプ発生時に下アームのスイッチング素子をオンすることでロードダンプ時の高電圧の発生を防止する保護動作を行う場合であって、高電圧の発生が抑制された後に保護動作を解除する際に、下アームのスイッチング素子をオフするタイミングの適否が判定されるため、サージ電圧が発生するタイミングを避けて通常の整流動作を継続することができ、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせることが可能となる。

特に、上述したロードダンプ保護判定部は、出力電圧が第２のしきい値電圧よりも低くなったことを検出した後、下アームを構成するスイッチング素子をオフしたときにこのオフ動作によるサージ電圧の発生を抑制するタイミングを、このスイッチング素子をオフするタイミングとして判定し、下アームを構成するスイッチング素子をオフする指示を制御部に対して行う。これにより、保護動作解除時のサージ電圧の発生を確実に抑えることができる。

また、上述したロードダンプ保護判定部は、出力電圧が第１のしきい値電圧を超えたことを検出した後、下アームを構成するスイッチング素子をオンするタイミングの適否判定を行うことが望ましい。これにより、保護動作解除時だけでなく、保護動作に移行する際についても、サージ電圧が発生するタイミングを避けて保護動作を行うことが可能となる。

特に、上述したロードダンプ保護判定部は、出力電圧が第１のしきい値電圧を超えたことを検出した後、下アームを構成するスイッチング素子をオンしたときにこのオン動作によるサージ電圧の発生を抑制するタイミングを、このスイッチング素子をオンするタイミングとして判定し、下アームを構成するスイッチング素子をオンする指示を制御部に対して行うことが望ましい。これにより、保護動作移行時のサージ電圧の発生を確実に抑えることができる。

また、上述したサージ電圧の発生を抑制するタイミングは、下アームを構成するスイッチング素子がオンされたときに、このスイッチング素子に接続された相巻線からこのスイッチング素子に電流が流れるタイミング以外のタイミングであることが望ましい。あるいは、上述したサージ電圧の発生を抑制するタイミングは、下アームを構成するスイッチング素子がオンされたときに、このスイッチング素子からこのスイッチング素子に接続された相巻線に電流が流れるタイミングであることが望ましい。これにより、オンオフ状態が切り替わるスイッチング素子に接続された相巻線に流れる電流の瞬断や急変を防止することができ、相巻線に高いサージ電圧が発生することを抑制することができる。

また、上述したスイッチング素子はＭＯＳトランジスタであり、ロードダンプ保護判定部は、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン電圧を検出するＭＯＳ電圧検出部と、この検出したソース・ドレイン電圧に基づいて、このＭＯＳトランジスタをオンしたときにこのＭＯＳトランジスタを介して流れる電流の向きを検出する通電方向検出部と、通電方向検出部による検出結果に基づいてサージ電圧の発生を抑制するタイミングを判定するタイミング判定部とを備えることが望ましい。ＭＯＳトランジスタはオン時においても所定のソース・ドレイン間電圧を有するため、この電圧を検出して電流の向きを検出することが可能となり、サージ電圧の発生を抑制するタイミングを確実に判定することができる。

また、上述したロードダンプ保護判定部による下アームを構成するスイッチング素子をオフするタイミングの適否判定は、電機子巻線を構成する２相以上の相巻線のそれぞれ毎に行うことが望ましい。これにより、相巻線毎に適切なタイミングで保護動作を解除することができ、各相巻線によるサージ電圧の発生を確実に防止することができる。

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。 ロードダンプ発生時に保護動作に移行し、その後、再度通常の整流動作に復帰する遷移状態を示す図である。 車両用発電機の相電圧を示す図である。 ロードダンプ保護判定部の構成を示す図である。 出力電圧としきい値電圧判定部による判定結果との関係を示す図である。 ソース・ドレイン電圧と参照電圧との関係を示す図である。 １つの整流器モジュールのみが保護動作に移行した場合のＭＯＳ電圧検出部の出力の具体例を示す図である。

以下、本発明の車両用回転電機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。２つの整流器モジュール群５、６がスイッチング部に対応する。

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（ブリッジ回路）が構成され、固定子巻線２に誘起される交流電流を直流電流に変換する。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（ブリッジ回路）が構成され、固定子巻線３に誘起される交流電流を直流電流に変換する。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励磁制御回路であって、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、２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１、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、ドレインが充電線１２を介してを電気負荷１０やバッテリ９の正極端子に接続された上アーム（ハイサイド側）のスイッチング素子である。ＭＯＳトランジスタ５１は、ドレインがＸ相巻線に接続され、ソースがバッテリ９の負極端子（アース）に接続された下アーム（ローサイド側）のスイッチング素子である。また、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のそれぞれのソース・ドレイン間にはダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタ５０、５１の寄生ダイオード（ボディダイオード）によって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。なお、上アームおよび下アームの少なくとも一方を、ＭＯＳトランジスタ以外のスイッチング素子を用いて構成するようにしてもよい。

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、ロードダンプ保護判定部１４０、温度検出部１５０、ドライバ１７０、１７２、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。

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、車両用発電機１の出力端子と充電線１２を介して接続されたバッテリ９の正極端子の電圧に対応するデータを出力する。

動作検出部１２０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。

ロードダンプ保護判定部１４０は、車両用発電機１（整流器モジュール群５、６）の出力電圧（Ｂ端子電圧）を監視し、Ｂ端子電圧がロードダンプ発生を判定する第１のしきい値電圧Ｖ１（例えば２０Ｖ）を超えた後に保護動作を開始する指示（保護開始指示）を行い、その後、Ｂ端子電圧がこの保護動作によって低下して第１のしきい値電圧Ｖ１よりも低い第２のしきい値電圧Ｖ２（例えば１６．５Ｖ）を下回った後に保護動作を停止して通常の整流動作を再開する指示（整流再開指示）を行う。例えば、このロードダンプ保護判定部１４０は、迅速な処理を行う必要から、各種の能動素子や受動素子を組み合わせたアナログ回路によって構成されている。制御部１００は、ロードダンプ保護判定部１４０による保護開始／整流再開指示に応じて保護動作や保護動作解除後の整流動作を実行する。ロードダンプ保護判定部１４０の詳細構成および保護動作の詳細については後述する。

温度検出部１５０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。

通信回路１８０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。

本実施形態の整流器モジュール５Ｘ等はこのような構成を有しており、次に、ロードダンプ発生時の保護動作と、保護動作から通常の発電（整流）状態に復帰する動作の詳細について説明する。

図４は、ロードダンプ発生時に保護動作に移行し、その後、再度通常の整流動作に復帰する遷移状態を示す図である。図４において、「整流」はロードダンプが発生していない通常時において行われる整流動作を示しており、「保護」はロードダンプ発生時に行われる保護動作を示している。また、図５は、車両用発電機１の相電圧を示す図であり、図５（Ａ）には通常時における相電圧が、図５（Ｂ）にはロードダンプ発生時の相電圧がそれぞれ示されている。

バッテリ９の端子電圧をＶbatt、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン時のソース・ドレイン間電圧をαとすると、ロードダンプが発生していない通常時には、例えばＸ相巻線の相電圧ＶｘがＶbatt＋αを超えたときにハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０がオンされ、相電圧Ｖｘが−αよりも低下したときにローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１がオンされる同期整流が行われる（図５（Ａ））。

このような状態において、車両用発電機１の出力端子と充電線１２との接続、あるいは、バッテリ９の正極端子と充電線１２との接続が外れると、車両用発電機１の固定子巻線２、３の各相電圧が一時的に高くなるロードダンプが発生する（図５（Ｂ））。このときの相電圧Ｖ_LDは、バッテリ９の端子電圧Ｖbattに比べて高くなるため（例えば１００Ｖ以上）、車両用発電機１内の整流器モジュール５Ｘ等や発電制御装置７あるいは各種の電気負荷１０を保護するために、「保護準備」の手順を経た後に保護動作に移行する（図４）。

具体的には、相電圧が２０Ｖを超えたときに（定格電圧１２Ｖの鉛蓄電池をバッテリ９として用いる場合を想定している）、「保護準備」の手順に移行する。この保護準備とは、保護動作に入る最適なタイミングを判定する動作であり、保護動作に入る際のサージ電圧の発生を抑えることができるタイミングに合わせて保護開始指示が行われる。

本実施形態では、ロードダンプ発生時に相電圧が２０Ｖを超えると、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１がオンされ、同時に、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０がオフされて保護動作が実施される。その後、ロードダンプ発生に伴う高電圧が解消するまで、これらのＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフ状態が継続される。この保護動作中は、相電圧は、図５（Ｂ）にＶｐで示すように、−αから＋αの範囲を推移するようになる。

ところで、図５においてＡで示される範囲では、保護動作移行前はハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０がオン、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１がオフされていたため、これら２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフを瞬時に入れ替えると、相巻線に大きなサージ電圧が発生するおそれがある。例えば、実際にはＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフ切り替えタイミングは素子毎にばらつきがあり、オンされていたハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０をオフするタイミングのみがわずかに早くなると、相巻線に流れていた電流が瞬断されるため、大きなサージ電圧が発生する。

また、図５においてＢで示される範囲では、相巻線に電流は流れていないが、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１ではソースとドレインの電位差が大きく、このＭＯＳトランジスタ５１をオンした際に、瞬間的に大きな相電流が発生するため、この相電流の変化に対抗する大きなサージ電圧が発生する。

このように、図５においてＡ、Ｂで示される範囲にあるときに保護動作に入ると大きなサージ電圧の発生を伴うおそれがあるため、本実施形態では、図５においてＣで示される範囲に含まれることを確認した後に保護動作に入るようにしている。「保護準備」では、Ｃで示される範囲にあるときに、保護動作に入る最適なタイミングであると判定している。

一方、ロードダンプ時に発生した高電圧が解消して保護動作から通常の整流動作に復帰する場合も、同様に間に「復帰準備」の手順を経ている。具体的には、ロードダンプ発生時に高電圧となった相電圧が再び低下して１６．５Ｖを下回ったときに「復帰準備」の手順に移行する。この復帰準備とは、通常の整流動作に入る最適なタイミングを判定する動作であり、整流動作に入る際のサージ電圧の発生を抑えることができるタイミングに合わせて整流再開指示が行われる。整流再開指示が出されると、制御部１００によってローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１がオフされ、その後、制御部１００による通常の整流動作（同期整流の制御動作）が行われる。

ところで、保護動作中はローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１が常時オンされており、図５（Ｂ）のＶｐで示される相電圧が発生している。この状態で、ローサイド側のＭＯＳトランジスタをオフするということは、ＡとＢで示された範囲においてはそれまでＭＯＳトランジスタ５１を通して流れていた大きな相電流を瞬断することになるため、大きなサージ電圧が発生する。したがって、本実施形態では、上述した「保護準備」の手順と同様に、図５においてＣで示される範囲に含まれることを確認した後に通常の整流動作に入るようにしている。「復帰準備」では、Ｃで示される範囲にあるときに、整流動作に入る最適なタイミングであると判定している。

次に、保護準備動作と復帰準備動作を行うロードダンプ保護判定部１４０の詳細について説明する。図６は、ロードダンプ保護判定部１４０の構成を示す図である。図６に示すように、ロードダンプ保護判定部１４０は、Ｂ電圧検出部１４１、しきい値電圧判定部１４２、ＭＯＳ電圧検出部１４３、通電方向検出部１４４、タイミング判定部１４５、１４６を備えている。

Ｂ電圧検出部１４１は、車両用発電機１（整流器モジュール群５、６）の出力電圧（Ｂ端子電圧）ＶＢを検出する。しきい値電圧判定部１４２は、出力電圧ＶＢが第１のしきい値電圧Ｖ１よりも高くなったか否か、一旦第１のしきい値電圧Ｖ１より高くなった出力電圧ＶＢが第２のしきい値電圧よりも低くなったか否かを判定する。

図７は、出力電圧ＶＢとしきい値電圧判定部１４２による判定結果との関係を示す図である。図７において、横軸は出力電圧ＶＢを、縦軸はしきい値電圧判定部１４２の判定結果をそれぞれ示している。図７に示すように、しきい値電圧判定部１４２は、出力電圧ＶＢが高くなって第１のしきい値電圧Ｖ１としての２０Ｖを超えたときに、出力をローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）に切り替える。また、一旦２０Ｖを超えた出力電圧ＶＢが低くなって第２のしきい値電圧Ｖ２としての１６．５Ｖよりも低くなったときに、出力をハイレベルからローレベルに切り替える。

ＭＯＳ電圧検出部１４３は、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Ｖds（図２、図３のＣ−Ｄ端子間電圧）を検出する。通電方向検出部１４４は、ＭＯＳ電圧検出部１４３によって検出されたＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧Ｖdsに基づいて、ＭＯＳトランジスタ５１をオンしたときにソース・ドレイン間に流れる電流の向きを判定する。

ロードダンプ発生時であって保護動作に入る前（ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオンする前）の状態においては、図５においてＡあるいはＢで示す範囲に対応する相電圧Ｖ_LDは、０Ｖ以上となる。したがって、Ｃで示す範囲にあるか否か（ＭＯＳトランジスタ５１をオンしたときに、このＭＯＳトランジスタ５１に並列接続されたダイオードの順方向と反対方向に電流が流れるか否か）を知りたければ、相電圧Ｖ_LD、すなわちＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧Ｖdsが０Ｖよりも低い所定の基準電圧Ｖref を下回ったか否かを調べればよい。ソース・ドレイン間電圧Ｖdsが基準電圧Ｖref よりも低いということは、相電圧Ｖ_LDが図５においてＣに示す範囲にあることを示しており、この場合には、通電方向検出部１４４の出力がハイレベルになる。

実際には、ＭＯＳ電圧検出部１４３において−０．１〜＋０．１Ｖの範囲の電圧を精度よく検出し、通電方向検出部１４４において０Ｖ近傍の参照電圧Ｖref を用いて精度よく電圧比較を行うことは難しい。このため、ＭＯＳ電圧検出部１４３では、検出したソース・ドレイン電圧Ｖdsを所定の利得で増幅して電圧レベルを変換した後の電圧Ｖds’を出力し、通電方向検出部１４４はこの電圧Ｖds’を用いて電圧比較を行っている。

図８は、ソース・ドレイン電圧Ｖds’と参照電圧Ｖref’との関係を示す図である。図８において、縦軸は変換後の電圧Ｖds’を、横軸は変換前のソース・ドレイン電圧Ｖdsをそれぞれ示している。通電方向検出部１４４において電圧比較を行う範囲は−０．１〜＋０．１Ｖの範囲に含まれるソース・ドレイン電圧Ｖdsであるため、この範囲が例えば２０倍に増幅されている。図８に示す例では、−０．１Ｖが０Ｖに、＋０．１Ｖが＋５Ｖにそれぞれ対応し、その間の電圧が線形的に１対１に対応している。また、ソース・ドレイン電圧Ｖdsが−０．１Ｖよりも低くなった場合、あるいは、＋０．１Ｖよりも高くなった場合には、ＭＯＳ電圧検出部１４３の出力電圧が０Ｖあるいは＋５Ｖにクリップ（固定）されるようになっている。なお、図５においてＣで示される範囲に含まれるタイミングを正確に判定するためには、参照電圧Ｖref’は＋５Ｖに近い値に設定する必要がある。

通電方向検出部１４４は、ＭＯＳ電圧検出部１４３の出力電圧Ｖds’と参照電圧Ｖref’ とを比較し、Ｖds’がＶref’ よりも低い場合に出力をハイレベルにし、高い場合に出力をローレベルにする。

一方のタイミング判定部１４５は、しきい値電圧判定部１４２の出力がローレベルからハイレベルに変化した後、通電方向検出部１４４の出力がハイレベルになったとき、すなわち、ロードダンプ発生に伴って出力電圧ＶＢが２０Ｖよりも高くなり、かつ、図５（Ｂ）においてＣで示す範囲にあると判定されたときに、出力をハイレベルにする。このタイミング判定部１４５のハイレベルの出力が「保護開始指示」に対応しており、この保護開始指示が出力されると、制御部１００は、ドライバ１７０を駆動してハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０をオフするとともに、ドライバ１７２を駆動してローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオンすることにより、ロードダンプ発生時の保護動作を開始する。

他方のタイミング判定部１４６は、しきい値電圧判定部１４２の出力がハイレベルからローレベルに変化した後、通電方向検出部１４４の出力がハイレベルになったとき、すなわち、ロードダンプ発生に伴って一旦２０Ｖを超えた出力電圧ＶＢが再び１６．５Ｖよりも低くなり、かつ、図５においてＣで示す範囲にあると判定されたときに、出力をハイレベルにする。このタイミング判定部１４６のハイレベルの出力が「整流再開指示」に対応しており、この整流再開指示が出力されると、制御部１００は、ドライバ１７２を駆動してローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオフする。以後、制御部１００は、同期整流の制御動作を再開する。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、ロードダンプ発生時にローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオンすることでロードダンプ時の高電圧の発生を防止する保護動作を行う場合であって、高電圧の発生が抑制された後に保護動作を解除する際に、このＭＯＳトランジスタ５１をオフするタイミングの適否が判定されるため、サージ電圧が発生するタイミングを避けて通常の整流動作を継続することができ、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせることが可能となる。特に、ＭＯＳトランジスタ５１をオフしたときにこのオフ動作によるサージ電圧の発生を抑制するタイミングが判定されるため、保護動作解除時のサージ電圧の発生を確実に抑えることができる。

また、保護動作解除時だけでなく、保護動作に移行する際についても、サージ電圧が発生するタイミングを避けて保護動作を行うことが可能となる。

また、サージ電圧の発生を抑制するタイミングとして、ＭＯＳトランジスタ５１がオンされたときに、このＭＯＳトランジスタ５１に接続された相巻線からこのＭＯＳトランジスタ５１に電流が流れるタイミング（図５においてＡおよびＢで示した範囲）以外のタイミングを設定している。これにより、オンオフ状態が切り替わるＭＯＳトランジスタ５１に接続された相巻線に流れる電流の瞬断や急変を防止することができ、相巻線に高いサージ電圧が発生することを抑制することができる。

また、ＭＯＳトランジスタ５１はオン時においても所定のソース・ドレイン間電圧を有するため、この電圧を検出して電流の向きを検出することが可能となり、サージ電圧の発生を抑制するタイミングを確実に判定することができる。

また、保護動作およびその解除動作においてＭＯＳトランジスタ５１をオフ（あるいはオン）するタイミングの適否判定を各相巻線毎に行うことにより、相巻線毎に適切なタイミングで保護動作を解除したり保護動作に移行したりすることができ、各相巻線によるサージ電圧の発生を確実に防止することができる。

ところで、本実施形態では、保護動作への移行タイミングが各整流器モジュール毎に判定されるため、ロードダンプ発生の原因となる不良箇所（例えば、車両用発電機１の出力端子外れか、バッテリ９の正極端子外れか）やそのときの相電流の大きさ等によっては、１相の相巻線に対応する１つの整流器モジュールのみが保護動作に移行する場合もある。例えば、一方の固定子巻線２について考えた場合に、整流器モジュール５Ｘのみが保護動作に移行し、他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚについては保護動作に移行しない場合がある。このような場合の保護動作中は、整流器モジュール５Ｘのローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のみがオンされ、他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚのローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１はオフ状態を継続することになる。このため、オフ状態にある整流器モジュール５Ｙ、５Ｚの下アーム（ローサイド側）については、ＭＯＳトランジスタ５１と並列に接続されたダイオードを介してのみ電流が流れることになり、オン状態にある整流器モジュール５ＸのＭＯＳトランジスタ５１については、ソースからドレインに向かう向き（ＭＯＳトランジスタ５１からＸ相巻線に向けて電流が流れ込む向き）には電流が流れなくなる現象が確認されている。このような場合には、オンされているＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧Ｖdsが０Ｖ以下になる。

図９は、１つの整流器モジュールのみが保護動作に移行した場合のＭＯＳ電圧検出部１４３の出力の具体例を示す図である。図９に示すように、ｔ₀ においてＢ端子電圧が２０Ｖを超えて１つの整流器モジュールのみが保護動作に移行すると、ＭＯＳ電圧検出部１４３の出力電圧Ｖds’が常に２．５Ｖ（Ｖdsでは０Ｖ）以上を維持することになる。このような場合を想定して、通電方向検出部１４４で用いる参照電圧Ｖref’を２．５Ｖよりも高い参照電圧Ｖref''に置き換えるようにしてもよい。これにより、１つの整流器モジュールのみが保護動作に移行することによって、２０Ｖを超えたＢ端子電圧が１６．５Ｖ以下になった場合であっても通常の整流動作に復帰することが可能となる。

また、上述した１つの整流器モジュールのみによる保護動作が行われる現象は、保護動作を解除して通常の整流動作に復帰する場合も起こりうる。すなわち、通常の整流動作に復帰するタイミングも各整流器モジュール毎に判定されるため、３つの整流器モジュールの内の２つについて先に保護動作が解除されると、残り１つの整流器モジュールのみについて保護動作が維持されることになる。このようにして保護動作を維持している整流器モジュールのＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧Ｖdsも０Ｖより低くならない場合があることが確かめられている。

ところで、このような場合であっても、既にＢ端子電圧が１６．５Ｖよりも低くなっているため、図５において示したＣの範囲にあることが明らかな場合にはこのタイミングで通常の整流動作に復帰してもよいことになる。例えば、全ての整流器モジュールによる保護動作中は、通電方向検出部１４４の出力がハイレベルとローレベルを交互に繰り返し、しかも、ローレベルからハイレベルに変化するタイミングが図５においてＣで示された範囲の左端近傍に対応する。保護動作を解除する前後の回転数は、数回転については実質的に一定と考えることができる。したがって、タイミング判定部１４６によって、通電方向検出部１４４の出力がハイレベルに変化する周期Ｔを検出、保持しておいて、Ｂ端子電圧が１６．５Ｖよりも低くなる直前に通電方向検出部１４４の出力がローレベルからハイレベルに変化したタイミング（Ｖds’がＶref’よりも低くなった時点）から周期Ｔあるいはその整数倍（２Ｔ等）経過した時点を判定して、タイミング判定部１４６の出力をハイレベルに変化させる（整流再開指示を出力する）ようにしてもよい。

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、各整流器モジュール５Ｘ等を用いて整流動作（発電動作）を行う場合について説明したが、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフタイミングを変更することにより、バッテリ９から印加される直流電流を交流電流に変換して固定子巻線２、３に供給することにより、車両用発電機１に電動動作を行わせるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、２つの整流器モジュール群５、６のそれぞれに３つの整流器モジュールを含ませるようにしたが、整流器モジュールの数は３以外であってもよい。

また、上述した実施形態では、ＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧Ｖdsを検出してその検出値に基づいて保護動作に移行するタイミングあるいは保護動作を解除して通常の整流動作に移行するタイミングを決定したが、ＭＯＳトランジスタ５１を通して流れる電流の向きや値を直接検出して同様のタイミング判定を行うようにしてもよい。例えば、ＭＯＳトランジスタ５１のソース側あるいはドレイン側に電流検出用素子（抵抗等）を挿入し、この素子の両端電圧に基づいて同様の判定を行うようにしてもよい。この場合には、ＭＯＳトランジスタ５１あるいはこれと並列接続されたダイオードを通して相巻線に電流が流れ込むタイミング（図５においてＤで示した範囲）を確実に検出して保護動作への移行あるいは保護動作の解除を行うことができる。これにより、相巻線に流れる電流の瞬断や急変を防止することができ、相巻線に高いサージ電圧が発生することを抑制することができる。

また、上述した実施形態では、各整流器モジュール毎に図６に示したロードダンプ保護判定部１４０を設けたが、その中で、Ｂ電圧検出部１４１およびしきい値電圧判定部１４２については、各整流器モジュール毎に設けるのではなく、全体で１つあるいは整流器モジュール群５、６毎に１つずつ設けるようにしてもよい。また、各相巻線に対応させた整流器モジュールを備えて各整流器モジュール毎に同期整流の制御を行う場合の他、共通の制御装置を用いて同期整流の制御を行う構成についても本発明を適用することができる。但し、この場合であっても、図６に示したＭＯＳ電圧検出部１４３、通電方向検出部１４４、タイミング判定部１４５、１４６は、下アーム（ローサイド側）のＭＯＳトランジスタ毎に設ける必要がある。

また、上述した実施形態では、上アームと下アームの両方にＭＯＳトランジスタを用いたが、下アームのみをＭＯＳトランジスタとし、上アームをダイオードで構成するようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、ロードダンプ発生時に下アーム（ローサイド側）のＭＯＳトランジスタ５１をオンすることでロードダンプ時の高電圧の発生を防止する保護動作を行う場合であって、高電圧の発生が抑制された後に保護動作を解除する際に、ＭＯＳトランジスタ５１をオフするタイミングの適否が判定されるため、サージ電圧が発生するタイミングを避けて通常の整流動作を継続することができ、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせることが可能となる。

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 電気負荷
１２ 充電線
５０、５１ ＭＯＳトランジスタ
５４ 制御回路
１００ 制御部
１４０ ロードダンプ保護判定部
１４１ Ｂ電圧検出部
１４２ しきい値電圧判定部
１４３ ＭＯＳ電圧検出部
１４４ 通電方向検出部
１４５、１４６ タイミング判定部
１７０、１７２ ドライバ

Claims (7)

1. ２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、
   ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成された複数の下アームを有するブリッジ回路を構成し、前記電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部と、
   前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、
   前記スイッチング部の出力電圧を監視し、前記出力電圧が第１のしきい値電圧を超えたときに、前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオンする指示を前記制御部に対して行い、前記第１のしきい値電圧を超えた後に前記出力電圧が前記第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧よりも低くなったときに、前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオフする指示を前記制御部に対して行うロードダンプ保護判定部と、
   を備え、前記ロードダンプ保護判定部は、前記出力電圧が前記第２のしきい値電圧よりも低くなったことを検出した後、前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオフしたときにこのオフ動作によるサージ電圧の発生を抑制するタイミングを、このスイッチング素子をオフするタイミングとして判定し、前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオフする指示を前記制御部に対して行うことを特徴とする車両用発電機。
2. 請求項１において、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記出力電圧が第１のしきい値電圧を超えたことを検出した後、前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオンするタイミングの適否判定を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、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記出力電圧が前記第１のしきい値電圧を超えたことを検出した後、前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオンしたときにこのオン動作によるサージ電圧の発生を抑制するタイミングを、このスイッチング素子をオンするタイミングとして判定し、前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオンする指示を前記制御部に対して行うことを特徴とする車両用発電機。
4. 請求項１または３において、
   前記サージ電圧の発生を抑制するタイミングは、前記下アームを構成する前記スイッチング素子がオンされたときに、このスイッチング素子に接続された相巻線からこのスイッチング素子に電流が流れるタイミング以外のタイミングであることを特徴とする車両用発電機。
5. 請求項４において、
   前記サージ電圧の発生を抑制するタイミングは、前記下アームを構成する前記スイッチング素子がオンされたときに、このスイッチング素子からこのスイッチング素子に接続された相巻線に電流が流れるタイミングであることを特徴とする車両用発電機。
6. 請求項４または５において、
   前記スイッチング素子はＭＯＳトランジスタであり、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン電圧を検出するＭＯＳ電圧検出部と、この検出したソース・ドレイン電圧に基づいて、このＭＯＳトランジスタをオンしたときにこのＭＯＳトランジスタを介して流れる電流の向きを検出する通電方向検出部と、前記通電方向検出部による検出結果に基づいて前記サージ電圧の発生を抑制するタイミングを判定するタイミング判定部とを備えることを特徴とする車両用発電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記ロードダンプ保護判定部による前記下アームを構成する前記スイッチング素子をオフするタイミングの適否判定は、前記電機子巻線を構成する２相以上の相巻線のそれぞれ毎に行うことを特徴とする車両用発電機。

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