JP4510298B2 - 例えば自動車用の三相交流ジェネレータのための整流器装置 - Google Patents

Description

【０００１】
従来技術
本発明は独立請求項記載の三相ブリッジ整流器装置に関する。DE 42 25 359C1により既に、相ごとに２つの半導体ダイオードを備えた三相ブリッジ整流器装置が公知であり、この三相ブリッジ整流器装置では個々のツェナーダイオードの電圧安定特性が利用される。しかしながらこの種の電圧安定性は、整流器装置を例えば４２Ｖの比較的高い自動車搭載電源網電圧のために設計すべき場合には、通過させる電圧のリップル成分を所定のように最小にして確実な電圧制限を達成しようとすると、ツェナーダイオードの降伏電圧の製造許容差が過度に大きくなってしまう。
【０００２】
発明の利点
それに対して有利には、独立請求項記載の特徴を有する本発明による三相ブリッジ整流器装置は、高い搭載電源網電圧に対しても確実な電圧安定性をブリッジ整流器装置自体によって達成される。殊に例えば、Ｂ＋での作動電圧が４２Ｖであり、Ｂ＋での最大リップルが４７Ｖであるときに、Ｂ＋での電圧が５５Ｖの値に達すると直ちに確実な電圧制限が達成される。
【０００３】
従属請求項記載の手段によって、独立請求項記載の整流器の有利な実施形態及び改良が可能である。
【０００４】
例えば、ツェナーダイオードペアを設けることによって、高い制限電圧を狭い許容差範囲でもって達成することができる。
【０００５】
殊に有利には、高い制限電圧が、少なくとも２つのｐｎ接合を３または４層ダイオードの形式のただ１つの半導体素子に組み込むことによって達成される。例えば降伏電圧の不安定性の問題は、ロードダンプ電流が大きかったり、降伏電圧が正の温度経過を有することによる過度の加熱の結果で生じるが、この問題点は阻止される。なぜなら、電圧が降伏の直後に小さな値に降下するからである。この小さな値とは、３層または４層素子が導通状態のままとなるのに必要な値である。
【０００６】
図面の説明
本発明を図面の実施例に基づき以下詳細に説明する。図１はそれ自体は公知の整流器装置、図２は第１の実施例、図３は第２の実施例、図４は電流電圧グラフ及び図５は別の実施例をそれぞれ示す。
【０００７】
実施例の説明
図１は、それ自体公知の三相ブリッジ整流器装置を示す。三相交流ジェネレータの３つの端子ｕ、ｖ及びｗは、それぞれダイオードペア（１、４）、（２、５）ないしは（３、６）と接続されており、端子はそれぞれ直列に接続されたダイオードの中央タップとして構成されている。ダイオード４、５および６のアノードはアースに接続されており、ダイオード１、２及び３のカソードは整流器装置のプラス極Ｂ＋に接続されている。
【０００８】
端子ｕ、ｖ及びｗに三相交流が印加されると、これは直流に変換される。この直流変換は三つの相の正の半波がプラス極に導かれ、負の半波がアース端子に導かれることによって。このためにそれぞれ互いに向き合って配置された整流器ダイオードは阻止方向に極性付けられている。Ｂ＋において１４または２８Ｖの作動電圧を有する自動車搭載電源網のための電圧供給は、このようにして公知の半導体ダイオードを用いて行うことができる。図２は本発明による第１の実施例であり、図１と比較して個々のダイオード１〜６が直列に接続されたダイオードのペア１１、１２、１３、１４、１５及び１６により置換されている。すなわちダイオードペアは直列に接続された２つのｐｎ接合を有するスイッチ素子である。
【０００９】
この装置により、Ｂ＋で４２Ｖの作動電圧を有する自動車搭載電源網のための電圧供給が実現される。整流器装置は、Ｂ＋での４７Ｖの（三相交流ジェネレータのコイル装置によって生じる）リップルを可能にし、そして同時にＢ＋での電圧を最大５５Ｖに制限する。このために例えば、少なくとも１４、１５及び１６のダイオードペアはツェナーダイオードとして構成されており、３つの三相交流相のうちの２つの組み合わせそれぞれに、逆直列に接続された２つのツェナーダイオードペアを備える少なくとも１つの電流経路が配置されている。これによって三相交流のそれぞれの相位置において、個々のツェナーダイオードの降伏電圧が相応に調整されていれば、Ｂ＋での作動電圧は５５Ｖの値を上回らないということが保証される。このことは、必要に応じて該当するツェナーダイオードペアが「降伏し」、すなわち該当する２つの三相交流相が短絡することによって行われる。
【００１０】
個々のツェナーダイオードをツェナーダイオードペアの代わりに使用すると、例えばツェナーダイオードがＢ＋において少なくとも４７Ｖの最大リップルをさらにＢ＋に導通すべきであり、しかも同時に電圧制限のための所定の限界が比較的４７Ｖの近くにある（例えば上記の５５Ｖ）場合に、上記のことを達成するのは非常に困難である。ツェナーダイオードでの降伏電圧に対する製造許容差は典型的に６Ｖであり、したがって例えば、４７Ｖ〜５３Ｖまでの範囲をカバーする。しかしながら実際の降伏は比較的高い電圧の際に行われる。何故ならば、阻止方向における内部抵抗はこの種の高い降伏電圧を有するツェナーダイオードでは相応に高く、そして付加的な電圧降下を引き起こすからである。この電圧降下はツェナーダイオード降伏が開始する際に行われる必要がある。
【００１１】
その上例えば自動車では、比較的長い時間にわたって、ツェナーダイオードを加熱する大電流がダイオードを流れる。このことによってやはり、阻止方向のツェナーダイオードのそれ自体で既に高い内部抵抗がさらに高まり、さらにはアバランシェダイオードでの降伏電圧も正の温度経過を有し、これによって降伏のために必要とされる電圧をさらに高める。最終的に降伏自体の際に、すなわち「ロードダンプ」の場合においては大電流が流れ、この大電流は既述の正の温度経過の結果としての降伏電圧を高めることがあり、その結果降伏電圧はさらに上昇する。
【００１２】
本発明による装置はこれに対してこの問題を次のようにして回避する。すなわち、全体降伏電圧をツェナーダイオードペア１４、１５ないし１６の直列に接続された２つのツェナーダイオードの降伏電圧の和として実現することにより回避する。ここでこの２つのツェナーダイオードの各降伏電圧は全体降伏電圧の半分の大きさである。個々のダイオードは例えば、平均して２４．５Ｖの降伏電圧を有し、同様に半分にされた許容差は±１．５Ｖである。ダイオードペアの結果として生じる降伏電圧は、この場合、４７Ｖ〜５１Ｖの範囲であり、√２×３Ｖの許容差範囲を有し、これは約４Ｖである。これはそれ自身単独で既に所要の降伏電圧を提供するであろう個々のダイオードに対して許容差範囲が２Ｖだけ減少されている。これに加えロードダンプの際に阻止方向に流れる大電流が、該当するダイオードペアの各ダイオードに発生する損失電力は半分だけとなり、ｐｎ接合の温度は明らかに低くなる。降伏電圧が半分であるので、ダイオードの内部抵抗も減少する。したがって結果として、最大電圧として要求される５５Ｖを簡単に実現することができる。
【００１３】
変形実施形態においては、ダイオードペア１１、１２及び１３が、例えば６０Ｖよりも大きな降伏電圧を有する高阻止性の個々のダイオードと置換されている。電圧制限はさらにツェナーダイオードペア１４、１５及び１６によって保証される。別の実施形態においては、ダイオードペア１１、１２及び１３は同様に、ダイオードペア１４、１５及び１６のように、相応の降伏電圧を有するツェナーダイオードペアとして構成されている。このように形成されている場合には、３つの三相交流相のうちの２つの組み合わせのそれぞれの間に、それぞれ２つの逆直列に接続されたツェナーダイオードペアを有する２つの電流経路が存在し、その結果三相交流の２つの相の間で過電圧が生じた際には２つの降伏経路を開くことができる。このことによってダイオード当たりの電流は減少し、それとともに降伏電圧への温度の作用はさらに減少される。
【００１４】
図３には、本発明による別の実施例が図示されており、図１と比較すると個々のダイオード１〜３は５５Ｖよりも大きい降伏電圧を有する高阻止性のダイオード１７、１８及び１９によって形成されており、単一のダイオード４〜６は半導体整流器素子２０、２１及び２２と置換されている。整流器素子２０、２１及び２２は、それぞれカソード短絡を有する４層ダイオードによって形成されていて、各４層ダイオードのアノードはアース端子に接続されている。４層ダイオードは、公知のようにカソード短絡を有するｐｎｐｎ半導体層によって形成されており、そして３つのｐｎ接合の直列接続である。アース端子と各相端子ｕ、ｖないしｗとの間に逆直列に接続された各４層ダイオードは、整流器装置のプラス極側Ｂ＋でのダイオードタイプと同じ高阻止性のダイオードである。
【００１５】
図３の装置の動作を説明するために図４は、４層ダイオードの電流電圧グラフ（Ｉ−Ｕグラフ）ａ及び整流器素子２０、２１ないし２２の電流電圧グラフｂを示す。順方向において、４層ダイオードはまず電圧Ｕ１（例えば５０Ｖ）で導通接続され、したがって整流器素子では高阻止性のダイオードが４層ダイオードに並列に接続されて、順方向に極性付けられていれば（４層ダイオードのカソードが負電圧）、整流器素子による導通が保証される。これはただ１つのｐｎ接合を有する通常の２層ダイオード（カーブｂ、導通電圧Ｕ２）の場合と同じである。これに対して阻止方向に極性付けられていれば、４層ダイオードないし整流器素子を流れる電流が折り返し電圧（Kippspannung）Ｕ３（例えば−５０Ｖ）から非常に大きくなり、４層ダイオードは降伏し、そして電圧は導通接続された状態が持続している場合には阻止方向において非常に小さい値Ｕ４（例えば−１〜−２Ｖまで）に降下する。
【００１６】
電圧特性のこの折り返しの際の電流の値は、いわゆる折り返し電流（Kippstrom）である。折り返し電圧Ｕ３及び折り返し電流の値は、４層ダイオードの相応の設計仕様によって選択することができる。したがって５５Ｖに電圧制限するという要求は、本発明による整流器において使用される整流器祖素子を用いて容易に満たすことができる。図２の装置と比べると、１２個の代わりにただ９個の半導体ダイオードチップが必要とされ、したがって低電圧搭載電源網用の図１の公知の設計の場合での６つよりもわずか３つ多いだけである。図２の解決策では、ダイオードの整流方向における損失電力は図１の公知の設計と比べて、ダイオードの数が２倍になっていることにより２倍にされているので、損失電力はダイオードチップの数が少なくなっていることに基づき比較的小さくなっている。それに加え有利には整流器機能では、整流器素子の降伏の際に電圧が大きく降下し、したがって付加的に損失電力は僅かなものとなり、そしてこれによって降伏電圧をより正確に規定することができる。
【００１７】
変形実施形態においては、整流器素子２０、２１及び２２は高阻止性のダイオード１７、１８及び１９と置換することができる。またこの変形装置では、３つの三相交流相のうちの２つの組み合わせそれぞれに対して、２つの逆直列に接続された整流器素子によって与えられた少なくとも１つの降伏電流経路が保証されている。図３の別の変形実施形態において整流器素子２０、２１及び２２は、高阻止性のダイオードを有する４層ダイオード（「サイリスタダイオード」）の並列接続の代わりに、３層ダイオード（「トランジスタダイオード」）によって形成される。各整流器素子はすなわち３層ダイオードによって形成される。３層ダイオードは公知の通り、カソード短絡を有するｐｎｐ半導体層によって形成され、２つのｐｎ接合の直列接続である。３層ダイオードは公知の通り、既に図４におけるｂで表されるＩ−Ｕ特性曲線を有し、並列接続された高阻止性のダイオードによる付加的な配線は必要ない。３層ダイオードではＵ４は典型的に−１５Ｖである。したがってこの変形実施形態においては、高電圧搭載電源網のために全部で僅か６つの半導体チップだけが必要とされる。
【００１８】
図５は、ダイオードペア１１、１２、１３、１４、１５または１６の機械的構造の側面図を示す。ダイオードペアのそれぞれの個々のダイオードは、押し込みソケット３３ないし３４を有する押し込みダイオード３１ないし３２として構成されている。半導体チップは図示されたダイオードケーシングの内部に配置されていて（図示されていない）、外部からヘッド線３５ないし３６及び押し込みソケット３３ないし３４を介してコンタクト可能である。両押し込みソケットは導電性にアルミニウム冷却板３０を介して接続されており、そのアルミニウム冷却板では押し込みソケットがその形状に適合した２つの開口部に押し込まれている。
【００１９】
個々のダイオードの直列接続を実現するために、半導体チップは押し込みダイオード３１及び３２に表面のレイアウトを変えて配置されていて、冷却板を介して一方のダイオードのカソードを他の一方のダイオードのアノードに電気的に接続する。ヘッド線は図２によれば、搭載電源網の三相交流端子ないし極（アース端子ないしＢ＋）に電気的に接続されている（図５には図示されていない）。図２による整流器全体は、ここでは図５の６つの同じ冷却板装置から統合されており、６つの冷却板は例えばプラスチックからなる接続板に固定され、そして接続部は冷却板装置の間でプラスチックに鋳込まれている。
【００２０】
図５の冷却板装置は、図３の整流器素子２０、２１及び２２を実現するためにも使用することが可能であり、このことは押し込みダイオード３１に４層ダイオードを備えた半導体チップを、そして押し込みダイオード３２に高阻止性のダイオードを備えた半導体チップを配置することによって行われる。ダイオードのアノードは例えば、冷却板を介して４層ダイオードのカソードに電気的に接続されていて、反対側に配置された電極はヘッド線を介して互いにコンタクトされなければならず、また該当する三相交流相に接続されなければならない（図５には図示されていない）。
【００２１】
図５に対して択一的に、ダイオードペア１１〜１６の機械的構造は冷却板３０がなくとも実施することができ、これは２つの半導体ダイオードチップの直列接続が押し込みダイオードの１つのダイオードケーシング内に配置されることによっておこなわれる。このことによって、それぞれが１つの押し込みダイオードの形態で実現されるダイオードペアを、既に公知の整流器冷却板装置に使用することも可能である。このことは内部に１つの半導体チップを有する押し込みダイオードを新たな押し込みダイオードと単に置換されることによって行われる。その際、新たな押し込みダイオードを通る電流経路は、押し込みソケットからはんだ領域を介して第１のダイオードチップへと延在し、そこから別のはんだ領域を介して第２の半導体チップへ延在し、さらにそこから別のはんだ領域を介してヘッド線へと延在している。この別のはんだ領域は第１の半導体チップをその上に配置された第２の半導体チップに接続する。この構造は、ただ１つのダイオードチップを有する公知の装置の場合と同じように、通常のはんだ炉ではんだ接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 それ自体は公知の整流器装置である。
【図２】 第１の実施例である。
【図３】 第２の実施例である。
【図４】 電流電圧グラフである。
【図５】 別の実施例である。

Claims (3)

1. それぞれ２つの整流器素子が直列に配置されている３つの整流器経路を備えた三相ブリッジ整流器装置であって、
   該整流器素子の間の各整流器経路は三相交流端子（ｕ、ｖ、ｗ）の３つの線路のうちの１つに接続され、
   該整流器素子の、三相交流端子とは反対側にある３つのカソード端子はプラス極（Ｂ＋）に、該整流素子の、三相交流端子とは反対側にある３つのアノード端子はマイナス極に一緒に接続されている三相ブリッジ整流器装置において、
   少なくとも３つの整流器素子が、直列に接続された少なくとも２つのｐｎ接合を有する二極性の半導体整流器（１１、１２、１３、１４、１５、１６；１１、１２、１３、２０、２１、２２）によって形成されており、
   プラス極またはマイナス極に接続された半導体整流器は、直列に接続され、かつツェナーダイオードとして構成された半導体ダイオード（１１、１２、１３、１４、１５、１６）によって形成され、
   マイナス極に接続された前記半導体整流器はそれぞれ、高阻止性のダイオードを備えた４層ダイオードの逆並列接続によって形成されることを特徴とする、三相ブリッジ整流器装置。
2. それぞれ２つの整流器素子が直列に配置されている３つの整流器経路を備えた三相ブリッジ整流器装置であって、
   該整流器素子の間の各整流器経路は三相交流端子（ｕ、ｖ、ｗ）の３つの線路のうちの１つに接続され、
   該整流器素子の、三相交流端子とは反対側にある３つのカソード端子はプラス極（Ｂ＋）に、該整流素子の、三相交流端子とは反対側にある３つのアノード端子はマイナス極に一緒に接続されている三相ブリッジ整流器装置において、
   少なくとも３つの整流器素子が、直列に接続された少なくとも２つのｐｎ接合を有する二極性の半導体整流器（１１、１２、１３、１４、１５、１６；１１、１２、１３、２０、２１、２２）によって形成されており、
   プラス極またはマイナス極に接続された半導体整流器は、直列に接続され、かつツェナーダイオードとして構成された半導体ダイオード（１１、１２、１３、１４、１５、１６）によって形成され、
   マイナス極に接続された半導体整流器はそれぞれ３層ダイオードによって形成されることを特徴とする、三相ブリッジ整流器装置。
3. 直列に接続された半導体ダイオード（１１、１２、１３、１４、１５、１６）はそれぞれ２つの半導体チップからなり、該半導体チップは互いにはんだ付けされ、共通のダイオードケーシングに配属されている、請求項１または２記載の整流器装置。

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