专利名称：车辆发电机控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对安装在诸如客车、卡车等机动车辆中的AC发电机的输出电压进行控制的车辆发电机控制设备。
背景技术：
近年来，对由安装在机动车辆中的引擎来驱动以进行旋转的车辆发电机的输出进行有效利用的需求不断增加。为满足该需求，提出了如下方案，其中，提供“晶体管斩波器”型励磁电路以将转子励磁电流作为待提供给电池的再生电流来使用，用于实现对发电机输出的有效利用。
在已公开的日本专利(JP-A)公开No.62-203599中公开了这样的现有方案的一个实例，该实例包括具有由相应晶体管所构成的一对相对臂的桥式电路。当车辆引擎处于非工作状态时，桥式电路的晶体管被切换到截止状态，结果，从电位的角度看，车辆发电机的转子的场绕组处于浮置状态。在寒冷的气候下，例如会发生这样的情况，当车辆行驶后，在被包含融雪剂的雪融化所得的水打湿时，车辆发电机保持不动。在这种情况下，如果在可连接到转子电池端子的晶体管端子之间发生泄漏电流，则转子电位变得与电池电位相等，使得电流在转子和具有地电位的定子芯之间流动。结果，面对称为“气隙”的很窄的空间的转子和定子芯会生锈，从而损害环境电阻和车辆发电机的可靠性。当车辆发电机在高电压(例如42V)下使用时，该现象尤其突出。由于前述困难，尽管在正常情况下，配备了晶体管斩波器型励磁电路的车辆发电机是多功能的，但是它还是没有得到广泛的使用。
因此，本发明的一个目的是提供一种车辆发电机控制设备，其利用晶体管斩波器型励磁电路向车辆发电机提供励磁电流，并且能够改进环境电阻和车辆发电机的可靠性。
发明内容
根据本发明，提供有一种车辆发电机控制设备，其包括晶体管斩波器型励磁电路，用于将励磁电流提供给可由机动车辆的引擎来驱动的车载发电机，该励磁电路包括桥式电路，该桥式电路具有由相应的功率晶体管形成的第一对相对臂以及由相应的二极管形成的第二对相对臂，所述功率晶体管之一连接到车载发电机的地电位，而另一个功率晶体管连接到车载发电机的输出端子，其中，当引擎处于非工作状态时，所述一个晶体管设置于导通状态而另一个功率晶体管设置于截止状态。借助该布置，因为处于桥式电路的接地或地电平侧的功率晶体管被正切换到导通状态，所以可以防止电位浮置。结果，即使在车载发电机被包含融雪剂的雪融化所得的水打湿的情况下发生泄漏电流，该泄漏电流也能在功率晶体管被切换到导通状态时经由功率晶体管流到地。这将确保车载发电机的转子基本不会被腐蚀，且车载发电机具有增大的环境电阻和改进的可靠性。
优选地，晶体管斩波器型励磁电路的功率晶体管包括电压驱动型功率晶体管。不像双极性晶体管，电压驱动型功率晶体管不要求驱动信号电流。因此，可利用针对功率晶体管而提供的驱动电路中含有的减小的暗电流来驱动地侧功率晶体管。
车辆发电机控制设备还可包括用于确定引擎是否处于工作状态的工作状态确定装置；用于将一个功率晶体管设置为导通状态的驱动装置；以及即使当引擎处于非工作状态时也向工作状态确定装置和驱动装置提供电力的备用电源。借助该布置，因为工作状态确定装置和驱动装置两者都可由同一电源(备用电源)来驱动，所以车辆发电机控制设备在结构上相对简单，且当引擎处于非工作状态时确保泄漏电流流向地。
优选地，车辆发电机控制设备还包括设置在驱动装置和所述一个功率晶体管之间的电压步降装置，其用于在电压低于备用电源的输出电压时将所述一个功率晶体管切换到导通状态。通常，引擎非工作时间(其间引擎处于非工作状态)比引擎工作时间(其间引擎处于工作状态)长，因此，地侧功率晶体管的工作时间变得比输出端子侧功率晶体管的工作时间长。然而，通过逐步降低驱动电压，可以减小地侧功率晶体管的工作负载，获得地侧功率晶体管的长使用寿命而不降低可靠性。尽管驱动电压被逐步降低，但只要步降电压设置成高于功率晶体管的工作门限值，泄漏电流仍然可以流向地。
在形成桥式电路的另一对相对臂的二极管当中，连接到车载发电机的地电位的至少一个二极管优选地包括功率晶体管的体二极管，并且该具有体二极管的功率晶体管在引擎处于非工作状态时设置为导通状态。借助该布置，因为定子的场绕组的相对端经由具有相应体二极管的功率晶体管而连接到地，所以可以将定子更加可靠地固定于地电位。即使当车载发电机的输出端子侧的功率晶体管处发生泄漏电流时，该泄漏电流也决不会流经转子。这样，车载发电机在环境电阻和可靠性方面得以改善。
图1是示出了根据本发明的一个实施例的车辆发电机控制设备的总体配置的电路图；图2是图示了结合车辆引擎的工作状态和非工作状态而进行的车辆发电机控制设备的工作的时序图；图3是示出了根据本发明的一种修改的车辆发电机控制设备的一部分的电路图；以及图4是与图1相似的视图，但是图4示出了根据本发明的另一种修改的车辆发电机控制设备的总体配置。
具体实施例方式
现在参考附图，具体是图1，其中示出了根据本发明的一个实施例的车辆发电机控制设备1。图1中所示的车辆发电机控制设备1被配置成控制车载发电机(为简便起见，下文中称为“车辆发电机”)2，使得跨在车辆发电机2的输出端子和公共系统地电位上而出现的电压与预定的调整电压预设值(例如14V)一致。车辆发电机2包括转子，其具有场绕组21；定子，其具有以三个相位缠绕其上以便共同形成三相定子绕组的三个分开的定子绕组22a、22b和22c；以及全波整流器23，其将来自三相定子绕组中分开的定子绕组22a、22b和22c的三相AC输出电压整流为DC电压。车辆发电机2的输出电压是由车辆发电机控制设备1通过对待提供给场绕组21的场电流的通/断切换的适当控制来控制的。车辆发电机2的输出端子连接到电池4，使得来自车辆发电机2的输出电流被提供给电池4，用以对电池4进行再充电。
下面将参考图1对车辆发电机控制设备1的配置和工作进行更为详细地描述。车辆发电机控制设备1包括功率晶体管，即MOS FET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)10和11；二极管13、14、214和215；电源电路100；PNP晶体管101；电阻器102、103和217；NPN晶体管104；驱动器110和111；电压控制电路或控制器112；电压比较器113；备用电源电路200；反相电路211；FET 212；OR电路或者门213；以及启动检测电路216。
功率MOS FET 10和11一起形成H-桥电路的一对相对臂，而二极管13和14一起形成H-桥电路的另一对相对臂。当功率MOS FET 10和11切换到导通状态时，励磁电流被提供给场绕组21。可替选地，当功率MOSFET 10和11切换到截止状态时，产生回流电流，其通过二极管13和14流到电池4以再生电池4。
提供一个驱动器110来对连接到车辆发电机2的输出端子侧的功率MOS FET 10(功率MOS FET 10有时会被称为“输出端子侧功率MOSFET 10”)进行驱动。更为具体地，驱动器110向功率MOS FET 10的栅极输入高电平驱动信号，以将功率MOS FET 10设置为导通状态。提供另一个驱动器111来对连接到车辆发电机2的输入端子侧(地电位侧)的功率MOS FET 11(功率MOS FET 11有时会被称为“地侧功率MOS FET11”)进行驱动。驱动器111向功率MOS FET 11的栅极输入高电平驱动信号，以将功率MOS FET 11设置为导通状态。电压比较器113具有被施以来自车辆发电机2的输出电压的负输入端子，以及被施以调整电压Vref的正输入端子。电压比较器113将车辆发电机2的输出电压和调整电压Vref进行比较，并当车辆发电机2的输出电压低于调整电压Vref时产生高电平输出信号，而当车辆发电机2的输出电压高于调整电压Vref时产生低电平输出信号。电压控制器112根据电压比较器113的输出信号产生PWM(脉宽调制)控制信号，并将PWM控制信号提供给驱动器110、111。H-桥电路、驱动器110和111、电压控制器112以及电压比较器113一起形成晶体管斩波器型励磁电路，其向车辆发电机2的场绕组21提供励磁电流。
即使当引擎处于非工作状态(即车辆发电机2处于非工作状态)时，备用电源电路200也向电路的一部分提供工作电源。在所图示的实施例中，该电路部分包括反相电路211、OR门213以及启动检测电路216。
启动检测电路216构成工作状态确定装置，其确定引擎是处于工作状态还是处于非工作状态。更为具体地，启动检测电路216首先基于分开的定子绕组22a、22b以及22c中的任何一个的相电压(峰值电压)的频率对车辆发电机2所产生的电动势(EMF)的存在进行检测，然后，基于对EMF的检测结果来确定引擎是否处于工作状态。例如，当超过预定参考电平的相电压的频率不大于对应于200rpm(即，由相电压频率确定的发电机2的旋转速度)的值时，启动检测电路216确定引擎处于非工作状态。当相电压的频率不小于对应于400rpm(即，由相电压频率确定的发电机2的旋转速度)的值时，启动检测电路216确定引擎处于工作状态。这样，通过提供具有滞后的准则，可以以提高的稳定性来实现确定操作。
OR门213的一个输入端子连接到启动检测电路216的输出端子，OR门213的另一个输入端子连接到键式开关3和下拉电阻105之间的接合部。当高电平信号被提供给输入端子中的至少一个时，OR门213发出高电平输出信号。
(当引擎处于工作状态时)当键式开关3接通以启动引擎时，借助剩余磁通量来激励场绕组21，由此车辆发电机2开始发电。在这种情况下，启动检测电路216确定引擎处于工作状态并输出高电平信号。这样，当通过从备用电源200所提供的电力来工作时，OR门213向NPN晶体管104的基极发出高电平输出信号，于是NPN晶体管104导通，从而降低了连接到NPN晶体管104的集电极的两个电阻器102和103之间的接合部处的电动势。这导致PNP晶体管导通，使得电源电路100开始向驱动器110和111、电压控制器112以及电压比较器113提供工作电压。在这之后，包括H-桥电路和电压控制器112的晶体管斩波器型励磁电路的工作被使能，以便以下面的方式来执行控制，即，使车辆发电机2的输出电压达到与预定的调整电压一致，并且流经场绕组21的回流电流作为再生电流被提供给电池4。
(当引擎处于非工作状态时)可替选地，当键式开关3断开时，引擎停止运转。这导致车辆发电机2停止发电，于是，启动检测电路216向OR门213的一个输入发出低电平输出信号。在这种情况下，因为启动检测电路216、OR门213以及反相电路211仍然能够通过由备用电源200所提供的电力进行工作，所以，提供给OR门213的一个输入的启动检测电路216的低电平输出信号将OR门213的输出设置为高电平(即，高逻辑电平电位)。此时，作为驱动装置的反相电路213发出高电平输出信号，然后，该高电平输出信号通过二极管214和215(其作为电压步降装置)而提供给门侧功率MOS FET11的栅极，从而将功率MOS FET 11切换到导通状态。随着功率MOS FET11切换至导通状态，车辆发电机2的场绕组21被接地。来自反相电路211的高电平输出信号还被提供给FET 212的栅极，使得当FET 212导通时，经由漏极电阻106而连接到FET 212的功率MOS FET 10的栅极电荷被放电，因此，功率MOS FET 10被强制设置为截止状态。
如上所述，当车辆引擎处于非工作状态时，地侧功率MOS FET 11被正切换到导通状态，其中，地侧功率MOS FET 11与输出端子侧功率MOS FET 10一起形成H-桥电路的一对相对臂。这样，防止场绕组21的电位浮置，结果，即使当车辆发电机2被包含融雪剂的雪融化所得的水所打湿时，在车辆发电机2中发生泄漏电流，该泄漏电流仍然可以通过导通的功率MOS FET 11而流向地。因此，可以防止车辆发电机2的转子和定子的腐蚀，增加车辆发电机2的环境电阻，并提高车辆发电机2的可靠性。
此外，因为包含在晶体管斩波器型励磁电路中的功率MOS FET 10和11是电压驱动型的，所以，这种布置不需要如在双极性晶体管中所需要的用于驱动信号的电流，且使得可以利用驱动电路(反相电路211)中含有的减小的暗电流来驱动地侧功率MOS FET 11。
另外，因为启动检测电路216、OR门213以及反相电路211可以由同一备用电源200来操作，所以，车辆发电机控制设备1在结构上相对简单，且当引擎处于非工作状态时能够使泄漏电流流向地。
此外，依靠设置在反相电路211和功率MOS FET 11之间作为电压步降装置的二极管214、215，用于功率MOS FET 11的驱动电压被设置成低于从备用电源200向反相电路211所提供的工作电压。通常，引擎非工作时间(其间引擎处于非工作状态)长于引擎工作时间(其间引擎处于工作状态)，因此，地侧功率MOS FET 11的工作时间变得比输出端子侧功率MOS FET 10的工作时间长。然而，通过逐步降低驱动电压，可以减小地侧功率MOS FET 11的工作负载，获得地侧功率MOS FET 11的长使用寿命而不损害其可靠性。尽管驱动电压被逐步降低，但是只要步降电压设置成高于功率MOS FET 11的工作门限值，泄露电流仍然可以流向地。
假定从备用电源200提供的工作电压为5V，且二极管214和215中的每个的正向压降为0.7V(＝VF)，则3.6V(＝5-1.4V)的驱动电压施加到功率MOS FET 11的栅极上。倘若功率MOS FET 11具有1.2V的门限电压Vth，则3.6V驱动电压仍然很高，足以确保泄漏电流流向地。
图2是图示了结合引擎的工作和非工作状态而进行的车辆发电机控制设备的工作的时序图。在图2中，术语“键式开关”表示键式开关3的通/断状态；“引擎速度”，表示引擎的旋转速度；“启动检测输出”，表示来自启动检测电路216的输出信号；“电源”，表示由电源电路100产生的工作电压；“备用电源”，表示由备用电源产生的工作电压；“Tr10源极电压”，表示功率MOS FET 10的源极电压；以及“Tr11栅极电压”，表示功率MOSFET 11的栅极电压。如图2所示，当引擎处于非工作状态时，功率MOSFET 11设置为导通状态，且栅极被施以3.6V(5V-1.4VF)的电压。
图3是示出了根据本发明的一种修改的车辆发电机控制设备的一部分的电路图。图3中示出的车辆发电机控制设备中经修改的部分与图1的车辆发电机控制设备1中对应的部分的不同之处在于，串联连接的两个二极管214和215被单个OR门210替换，且驱动器111的输出信号被提供给OR门210的一个输入。
如图3所示，驱动器111由缓冲电路114和下拉电阻115形成。在引擎启动时，电源电路100被激活以便开始提供工作电压。当提供给场绕组21的励磁电流将被中断时，电压控制电路112将低电平输出信号提供给缓冲电路114。结果，OR门210的输出信号处于低电平，因此，功率MOS FET 11被设置为截止状态。相反地，当励磁电流将被提供给场绕组21时，电压控制电路112将高电平输出信号提供给缓冲电路114。结果，OR门210的输出信号处于高电平，因此，功率MOS FET 11被设置为导通状态。此外，当引擎处于非工作状态时，由于来自电源电路100的工作电流的供应中断，缓冲电路114被设置为截止状态。缓冲电路114的输出端子处的电位由下拉电路115下拉或降低到低电平。结果，OR电路210依赖于反相电路211的输出信号而进行工作，其中，反相电路211通过从备用电源200所提供的工作电压来工作。
图4示出了根据本发明的车辆发电机控制设备1的另一种修改形式。经修改的车辆发电机控制设备1A与图1的车辆发电机控制设备的不同之处在于，包含在H-桥电路中的二极管13和14被一对功率MOS FET 13a和14a替换，并且对应于功率MOS FET 13a和14a，添加了一对驱动器110a和111a、电阻106a、反相电路112a、FET 212a以及串联连接的一对二极管214a和215a。关于二极管13和14，采用了功率MOS FET 13a和14a的相应的体二极管。功率MOS FET 13a和14a以及功率MOS FET10和11在互斥的基础上被切换到导通和截止，且功率MOS FET 13a和14a的这种排斥性的通/断切换通过由反相电路112a和驱动器110a及111a进行驱动而实现。对应于地侧功率MOS FET 11而添加的FET 212a和二极管214a及215a，与对应于功率MOS FET 11而添加的FET 212和二极管214及215在操作上是相同的。更为具体地说，当从反相电路211发出高电平输出信号，同时引擎处于非工作状态时，在该输出信号被提供给功率MOS FET 13a的栅极用以使功率MOS FET 13a导通之前，该输出信号的电压电平被串联连接的二极管214a和215a降低或逐步降低。当FET212a导通而引擎处于非工作状态时，因为功率MOS FET 14a经由电阻106而连接到FET 14a的漏极，所以，功率MOS FET 14a被强制截止。
这样，通过用功率MOS FET 13a和14a来替换二极管13和14，场绕组21的相对端经由功率MOS FET 11和13a而接地。借助该布置，车辆发电机的转子被可靠地固定于地电位，因此在两个输出端子侧功率MOS FET 10和14a中的任意一个上可能发生的泄漏电流决不会流经车辆发电机的转子。因此，车载发电机在环境电阻和可靠性方面进一步得到了改善。尽管在图4所示的设置中，两个电源MOS FET 13a和14a被用来代替图1中的二极管13和14，但是，地侧二极管13被功率MOS FET所替换仍然落在本发明的范围内。
权利要求
1.一种车辆发电机控制设备，包括晶体管斩波器型励磁电路，所述晶体管斩波器型励磁电路用于向可由所述机动车辆的引擎驱动的车载发电机提供励磁电流，所述励磁电路包括桥式电路，所述桥式电路具有由相应功率晶体管(10，11)形成的第一对相对臂以及由相应二极管(13，14)形成的第二对相对臂，所述功率晶体管中的一个(11)连接到所述车载发电机的地电位，而另一个功率晶体管(10)连接到所述车载发电机的输出端子，其特征在于，当所述引擎处于非工作状态时，所述一个晶体管(11)被设置于导通状态而所述另一功率晶体管(10)被设置于截止状态。
2.如权利要求1中所述的车辆发电机控制设备，其中，所述晶体管斩波器型励磁电路的功率晶体管(10，11)包括电压驱动型功率晶体管。
3.如权利要求1中所述的车辆发电机控制设备，还包括工作状态确定装置(216)，用于确定所述引擎是否处于工作状态；驱动装置(211)，用于将所述一个功率晶体管(11)设置于导通状态；以及备用电源(200)，即使当所述引擎处于所述非工作状态时，所述备用电源(200)也向所述工作状态确定装置(216)和所述驱动装置(211)提供电力。
4.如权利要求3中所述的车辆发电机控制设备，还包括电压步降装置(214，215)，其设置于所述驱动装置(211)和所述一个功率晶体管(11)之间，用于在电压低于所述备用电源(200)的输出电压时将所述一个功率晶体管切换到所述导通状态。
5.如权利要求1中所述的车辆发电机控制设备，其中，所述二极管(13，14)中的一个(13)连接到所述车载发电机(2)的所述地电位，至少所述一个二极管(13)包括功率晶体管(13a)的体二极管，并且当所述引擎处于所述非工作状态时，具有所述体二极管的所述功率晶体管(13a)被设置成导通状态。
全文摘要
一种车辆发电机控制装置，包括晶体管斩波器型励磁电路，用于向可由机动车辆的引擎进行驱动的车载发电机提供励磁电流。励磁电路包括桥式电路，该桥式电路具有由相应功率晶体管(10，11)形成的第一对相对臂以及由相应二极管(13，14)形成的第二对相对臂。功率晶体管中的一个(11)连接到车载发电机的地电位，而另一个功率晶体管(10)连接到车载发电机的输出端子。当引擎处于非工作状态时，所述一个晶体管(11)被设置于导通状态而所述另一个功率晶体管(10)被设置于截止状态。
文档编号H02P9/14GK101072009SQ20071009812
公开日2007年11月14日 申请日期2007年4月13日 优先权日2006年4月17日
发明者浅田忠利 申请人:株式会社电装