JP4776682B2 - 車両用交流発電機の出力電圧制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車などの車両に搭載される車両用交流発電機の出力電圧制御装置に関するものである。

この種の車両用交流発電機は、電機子コイルと界磁コイルを有し、車両に搭載されるエンジンなどの原動機により駆動され、電機子コイルに交流出力電圧を発生する。この車両用交流発電機には、整流装置が接続され、この整流装置は、車両用交流発電機の電機子コイルの発生した交流出力電圧を整流した整流出力電圧を発生し、この整流出力電圧により、車両に搭載されるバッテリを充電し、また、車両の各種電気負荷に給電する。

整流装置の整流出力端子には、界磁コイルを励磁する励磁回路が接続される。この励磁回路には、界磁コイルと直列に半導体スイッチ素子が接続される。この半導体スイッチ素子は、界磁コイルに流れる界磁電流をオン、オフ制御する。整流装置の整流出力電圧に基づいて動作する電圧調整回路が、半導体スイッチ素子をオン、オフ制御し、原動機による車両用交流発電機の駆動回転数の上昇に拘わらず、整流出力電圧を所定範囲に調整する。この車両用交流発電機の出力電圧制御装置では、半導体スイッチ素子がオン状態とオフ状態との間でスイッチされるときに、スイッチングサージ電圧が発生する。このスイッチングサージ電圧は整流出力電圧を変動させ、バッテリ、その他の電気負荷に好ましくない影響を与える。

先行技術である日本特許２，５２９，２７３号公報では、このスイッチングサージ電圧は、スイッチングノイズと呼ばれている。この先行技術では、電圧調整回路に、時間に対して一定の勾配を有するスロープ電圧を発生するスロープ発生回路を設け、このスロープ発生回路により半導体スイッチ素子を緩やかにスイッチし、スイッチングノイズを減少させるものが提案されている。

日本特許２，５２９，２７３号公報

しかし、前記先行技術に開示された車両用交流発電機の出力電圧制御装置では、電圧制御回路に特別なスロープ発生回路が必要であり、電圧調整回路が複雑となる。

この発明は、電圧調整回路を複雑にすることなく、スイッチングサージ電圧を低減することのできる改良された車両用交流発電機の出力電圧制御装置を提案するものである。

この発明による車両用交流発電機の出力電圧制御装置は、電機子コイルと界磁コイルを有し、車両に搭載される原動機により駆動され、電機子コイルに交流出力電圧を発生する車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、交流出力電圧を整流して整流出力電圧を発生する整流装置と、整流出力電圧により界磁コイルを励磁する励磁回路と、この励磁回路に設けられ界磁コイルと並列に接続された還流素子と、励磁回路に設けられ前記界磁コイルと直列に接続された半導体スイッチ素子と、整流出力電圧に基づいて半導体スイッチ素子をオン、オフ制御して整流出力電圧を所定範囲に調整する電圧調整回路と、励磁回路に設けられ界磁コイルと半導体スイッチ素子とに直列に接続されたインダクタと、前記界磁コイルと前記半導体スイッチ素子の中の、少なくとも前記半導体スイッチ素子に対して並列な分岐回路に設けられ前記半導体スイッチ素子のオン、オフに伴ないインダクタに発生する過渡電圧を吸収する過渡電圧吸収手段とを備える。

この発明による車両用交流発電機の出力電圧制御装置では、励磁回路に、界磁コイルと半導体スイッチ素子とに直列にインダクタを接続し、半導体スイッチ素子のオン、オフに伴ないインダクタに発生する過渡電圧を吸収する過渡電圧吸収手段を設けたので、電圧調整回路に特別なスロープ発生回路を設けることなく、簡単に、界磁コイルに発生するスイッチングサージ電圧を低減することができる。

以下この発明のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明による車両用交流発電機の出力電圧制御装置の実施の形態１を示す電気回路図である。

実施の形態１の車両用交流発電機の出力電圧制御装置１００は、車両用交流発電機１０と、電圧制御ユニット２０を含んでおり、負荷回路７０に給電する。

車両用交流発電機１０は、整流装置内蔵形の交流発電機であり、電機子コイル１１と、界磁コイル１３と、整流装置１５と、コンデンサ１７を有する。この車両用交流発電機１０は、例えば、回転界磁形の三相交流発電機であり、電機子コイル１１は三相コイル１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを含み、固定子として構成される。三相コイル１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、三相星形接続されるが、三相デルタ形に接続される場合もある。界磁コイル１３は、回転子として構成され、その界磁コイル１３に流れる界磁電流Ｉｆに基づいて、電機子コイル１１に回転磁界を与える。界磁コイル１３は、一対の界磁端子１３ａ、１３ｂの間に接続される。電機子コイル１１は、回転磁界に基づいて、三相交流出力電圧を発生する。

整流装置１５は、車両用交流発電機１０のケースに内蔵され、電機子コイル１１に発生した三相交流出力電圧を整流して、整流出力電圧Ｖｏを出力する。この整流装置１５は、三相コイル１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに対応して、三相全波整流装置として構成され、正側の３個のダイオード１５ｐと、負側の３個のダイオード１５ｎと、一対の整流出力端子１５ａ、１５ｂを有する。整流出力端子１５ａは正側出力端子であり、整流出力端子１５ｂは負側出力端子であり、これらの整流出力端子１５ａ、１５ｂの間に、整流出力電圧Ｖｏが出力される。負側の整流出力端子１５ｂは、車両の共通電位点Ｅに接続される。コンデンサ１７は、整流出力端子１５ａと共通電位点Ｅとの間に接続され、ダイオード１５ｐ、１５ｎの転流に伴なうサージ電圧を吸収する。

電圧制御ユニット２０は、界磁コイル１３に対する励磁回路３０と、電圧調整回路６０を含む。励磁回路３０は、整流出力端子１５ａと共通電位点Ｅとの間に接続される。この励磁回路３０には、界磁コイル１３と、還流素子３１と、半導体スイッチ素子３３と、インダクタ３５と、過渡電圧吸収手段４０が配置される。界磁コイル１３の界磁端子１３ａは、インダクタ３５を介して整流出力端子１５ａに接続され、界磁端子１３ｂは、半導体スイッチ素子３３を介して共通電位点Ｅに接続される。

還流素子３１は、励磁回路３０に設けられ、界磁コイル１３と並列に接続される。この還流素子３１はダイオードであり、半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされたときに、界磁コイル１３に発生する過渡電圧に基づいて還流電流Ｉｓを流し、その過渡電圧を減衰させる。この還流素子３１は、アノード３１ａとカソード３１ｃを有する。この還流素子３１のアノード３１ａは、界磁端子１３ｂに直接接続され、またカソード３１ｃは、界磁端子１３ａに直接接続される。還流素子３１には、ＰＮ接合形ダイオードまたはショットキーダイオードが使用される。

半導体スイッチ素子３３は、励磁回路３０に設けられ、界磁コイル１３と直列に接続される。この半導体スイッチ素子３３は、界磁端子１３ｂと共通電位点Ｅとの間に接続される。この半導体スイッチ素子３３は、界磁コイル１３から共通電位点Ｅへ流れる励磁電流Ｉｅをオン、オフし、界磁電流Ｉｆを調整して、車両用交流発電機１０の駆動回転数の上昇に拘わらず、整流出力電圧Ｖｏを所定範囲に調整する。

半導体スイッチ素子３３には、例えば電力用パワーＭＯＳＦＥＴが使用される。この電力用パワーＭＯＳＦＥＴは、ソースＳ、ドレインＤ、およびゲートＧを有する。ソースＳとドレインＤは一対の主端子であり、ゲートＧは制御端子である。ドレインＤは界磁端子１３ｂに、ソースＳは共通電位点Ｅにそれぞれ直接接続される。電力用パワーＭＯＳＦＥＴに代わって、ダーリントン接続されたバイポーラパワートランジスタなどの他のパワー半導体スイッチ素子を半導体スイッチ素子３３として使用することもできる。

インダクタ３５は、励磁回路３０に設けられ、界磁コイル１３と半導体スイッチ素子３３に対して直列に接続される。このインダクタ３５は、具体的には、界磁端子１３ａと整流出力端子１５ａとの間に接続される。このインダクタ３５は、半導体スイッチ素子３３がオン状態とオフ状態の間でスイッチされたときに、界磁コイル１３に発生するスイッチングサージ電圧の大きさを低減するもので、このインダクタ３５には、例えば、１０（ｎＨ）〜１０００（ｎＨ）のインダクタンスを有するインダクタが使用されるが、具体的には、１００（ｎＨ）のインダクタンスを有するものが使用される。

過渡電圧吸収手段４０は、励磁回路３０に設けられ、界磁コイル１３と半導体スイッチ素子３３とに対して並列な分岐回路４１に接続される。この分岐回路４１は、界磁端子１３ａと半導体スイッチ素子３３のソースＳとの間に形成される。具体的には、過渡電圧吸収手段４０の一端は界磁端子１３ａに直接接続され、その他端は半導体スイッチ素子３３のソースＳに直接接続される。この過渡電圧吸収手段４０は、半導体スイッチ素子３３がオン状態とオフ状態との間でスイッチされたときに、インダクタ３５に発生する過渡電圧ｖｔ１、ｖｔ２を吸収する。

過渡電圧吸収手段４０は、例えばコンデンサ４３である。このコンデンサ４３には、０．１（μＦ）〜１００（μＦ）のキャパシタンスを有するコンデンサが使用されるが、具体的には、０．５（μＦ）〜５（μF）のキャパシタンスを有するものが使用される。

電圧調整回路６０は、電圧検出回路６１と、比較回路６３を含む。電圧検出回路６１は、整流出力端子１５ａに接続され、整流出力電圧Ｖｏをフィルタし、整流出力電圧Ｖｏに比例した検出電圧Ｖｄを発生する。比較回路６３は、マイナス入力６３ａと、プラス入力６３ｂと、出力６３ｃを有する。マイナス入力６３ａには、電圧検出回路６１から検出電圧Ｖｄが供給される。プラス入力６３ｂには、基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。出力６３ｃは、半導体スイッチ素子３３のゲートＧに接続され、半導体スイッチ素子３３に制御電圧Ｖｃを供給する。

電圧調整回路６０の比較回路６３は、検出電圧Ｖｄと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいときには、制御電圧Ｖｃをハイレベルとし、このハイレベルの制御電圧Ｖｃにより、半導体スイッチ素子３３をオン状態とする。検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒｅｆ以上になれば、制御電圧Ｖｃはロウレベルとされ、半導体スイッチ素子３３は、オフ状態とされる。電圧調整回路６０は、制御電圧Ｖｃにより、半導体スイッチ素子３３をオン、オフ制御し、車両用交流発電機１０の駆動回転数の上昇に拘わらず、整流出力電圧Ｖｏを所定範囲に調整する。この整流出力電圧Ｖｏは、負荷回路７０のバッテリ７１が、例えば１２（Ｖ）系のバッテリである場合には、所定値１３．５（Ｖ）を中心とした範囲に調整される。

負荷回路７０は、車両に搭載されるバッテリ７１と、その他の車両の電気負荷７３を含む。電気負荷７３は、車両に搭載される原動機がエンジンであれば、そのエンジンの点火装置、エンジンの吸入装置、排気装置、エンジンの始動装置などの各種電気負荷を含み、また車両内の空気調整装置、車両の各種ランプを含む。電気負荷７３は、さらに車両の電気装置を電子制御するマイクロコンピュータを含む。このマイクロコンピュータは、点火装置、吸入装置、排気装置などを制御する。負荷回路７０は、整流出力端子１５ａと共通電位点Ｅとの間に接続され、バッテリ７１は整流出力電圧Ｖｏにより充電され、電気負荷７３は、整流出力電圧Ｖｏまたはバッテリ７１から給電を受ける。

さて、電圧制御ユニット２０の動作について、さらに詳細に説明する。電圧調整回路６０の電圧検出回路６１からの検出電圧Ｖｄが、基準電圧Ｖｒｅｆより小さいときには、比較回路６３の制御電圧Ｖｃがハイレベルとなるので、半導体スイッチ素子３３はオン状態となる。半導体スイッチ素子３３がオン状態であれば、整流出力端子１５ａからインダクタ３５、界磁コイル１３、半導体スイッチ素子３３のドレインＤ、ソースＳを通じて励磁電流Ｉｅが流れる。この半導体スイッチ素子３３のオン状態では、界磁電流Ｉｆは、半導体スイッチ素子３３を流れる励磁電流Ｉｅと等しく、Ｉｆ＝Ｉｅであり、また、インダクタ３５を流れる励磁電流Ｉｅｉも、半導体スイッチ素子３３を流れる励磁電流Ｉｅと等しく、Ｉｅｉ＝Ｉｅである。この状態では、車両用交流発電機１０の電機子コイル１１に発生する三相交流電圧は、車両用交流発電機１０の駆動回転数の上昇に伴なって増大するので、整流出力電圧Ｖｏもそれに伴ない大きさが増大する。

検出電圧Ｖｄが増大して、基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなると、制御電圧Ｖｃがロウレベルになるので、半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされる。この半導体スイッチ素子３３がオフ状態になれば、半導体スイッチ素子３３を流れる励磁電流Ｉｅは、Ｉｅ＝０となる。半導体スイッチ素子３３のオフ状態では、界磁電流Ｉｆは還流電流Ｉｓに等しく、Ｉｆ＝Ｉｓであり、この界磁電流Ｉｆは還流電流Ｉｓの減衰に伴ない減少するので、車両用交流発電機１０では、回転磁界の大きさが減少し、電機子コイル１１の交流出力電圧が低下し、整流出力電圧Ｖｏも低下する。

半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされたとき、界磁コイル１３の界磁電流Ｉｆは急にゼロにはならず、界磁端子１３ｂの電位が上昇し、還流素子３１が導通して、界磁コイル１３の界磁端子１３ｂから還流素子３１のアノード３１ａ、カソード３１ｃから界磁端子１３ａを通じて界磁コイル１３に還流する還流電流Ｉｓが、界磁電流Ｉｆとなって界磁コイル１３に流れる。この還流電流Ｉｓは、界磁コイル１３の抵抗と、還流素子３１の順方向電圧により、時間の経過とともに、次第に減衰する。

半導体スイッチ素子３３がオン状態であるとき、界磁電流Ｉｆは励磁電流Ｉｅと等しく、この励磁電流Ｉｅは、交流発電機１０の整流出力端子１５ａから界磁コイル１３と半導体スイッチ素子３３を通じて流れているが、半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされると、交流発電機１０から界磁コイル１３への励磁電流Ｉｅが遮断され、界磁コイル１３の界磁電流Ｉｆは還流電流Ｉｓとなる。したがって、交流発電機１０の整流出力端子１５ａから流れる出力電流が、励磁電流Ｉｅ分だけ突然に減少することになる。ところが、半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされた瞬間における交流発電機１０の駆動回転数、界磁電流Ｉｆ、電気負荷７３、バッテリ７１の状態は直ぐには変化せずに一定であるので、交流発電機１０の出力電流の変化は、発電電圧の変化となり、整流出力端子１５ａの整流出力電圧Ｖｏにサージ電圧となって現われる。

整流出力電圧Ｖｏが低下し、電圧調整回路６０の電圧検出回路６１からの検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒｅｆより小さくなれば、比較回路６３からの制御電圧Ｖｃがハイレベルとなり、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされ、半導体スイッチ素子３３が再びオン状態となる。半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされたときに、界磁コイル１３の界磁電流Ｉｆは急には変化せず、界磁コイル１３の界磁端子１３ａ、１３ｂの間の電圧と、界磁コイル１３のインダクタンス、抵抗により決まる時定数で徐々に増加する。

半導体スイッチ素子３３がオフ状態のとき、界磁コイル１３に流れる還流電流Ｉｓは、時間の経過とともに次第に減少するが、通常、この還流電流Ｉｓがゼロになる前に、整流出力電圧Ｖｏが低下し、半導体スイッチ素子３３が再びオン状態へスイッチされる。このとき、界磁コイル１３の界磁電流Ｉｆは、還流電流Ｉｓから急には増加しないが、半導体スイッチ素子３３がオン状態となることにより、整流出力端子１５ａから界磁コイル１３と半導体スイッチ素子３３を通り、共通電位点Ｅに至る回路が形成され、励磁電流Ｉｅが流れるので、交流発電機１０の出力電流は、励磁電流Ｉｅ分だけ突然増加することになる。ところが、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされた瞬間における交流発電機１０の駆動回転数、界磁電流Ｉｆ、電気負荷７３、バッテリ７１の状態は直ぐには変化せず一定であるため、交流発電機１０の出力電流の増加は、発電電圧の変化となり、整流出力端子１５ａの整流出力電圧Ｖｏにサージ電圧となって現われる。

実施の形態１は、励磁回路３０にインダクタ３５と過渡電圧吸収手段４０を配置したことを特徴とする。これらのインダクタ３５と過渡電圧吸収手段４０は、半導体スイッチ素子３３が、オン状態とオフ状態との間でスイッチされることに伴なう交流発電機１０の出力電流の変化率を小さくし、整流出力端子１５ａの整流出力電圧Ｖｏに現われるサージ電圧を低減する働きをする。

半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされたときに、半導体スイッチ素子３３を流れる励磁電流Ｉｅは遮断されてＩｅ＝０となるが、インダクタ３５に流れる励磁電流Ｉｅｉは、インダクタ３５のインダクタンスのために、急激にはゼロにならない。このインダクタ３５は、整流出力端子１５ａからインダクタ３５への励磁電流Ｉｅｉが急激にゼロになるのを防止し、その変化率を小さくするように作用する。したがって、交流発電機１０の出力電流の変化率が小さくなり、整流出力端子１５ａの整流出力電圧Ｖｏに現われるサージ電圧を低減することができる。

半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされたとき、インダクタ３５には、界磁端子１３ａを正とする極性の過渡電圧ｖｔ１が発生するが、過渡電圧吸収手段４０を構成するコンデンサ４３は、過渡電圧ｖt1により充電され、インダクタ３５に流れる励磁電流Ｉｅｉを徐々に減少させる。その結果、過渡電圧ｖｔ１の大きさも低減される。この過渡電圧ｖｔ１は、過渡電圧吸収手段４０により吸収され、オフ状態になった半導体スイッチ素子３３に過渡電圧ｖｔ１が集中することはなく、半導体スイッチ素子３３が、この過渡電圧ｖｔ１に曝されることはない。したがって、半導体スイッチ素子３３は、耐圧を高くする必要はなく、耐圧の低い半導体スイッチ素子３３を使用することができる。

インダクタ３５は、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされるときにも、インダクタ３５から界磁コイル１３へ流れる励磁電流Ｉｅｉの急激な変化を防止し、整流出力端子１５ａに現われるサージ電圧を低減する。半導体スイッチ素子３３のオフ状態では、還流電流Ｉｓが界磁コイル１３と還流素子３１に還流し、その還流電流Ｉｓは、界磁電流Ｉｆとなって、時間の経過とともに次第に減少する。また、インダクタ３５の励磁電流Ｉｅｉは、半導体スイッチ素子３３がオフ状態にスイッチされたことに基づき、ゼロとなるか、またはゼロに向かって次第に減少する。半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされると、半導体スイッチ素子３３に励磁電流Ｉｅが流れ、界磁電流Ｉｆが増加するとともに、インダクタ３５の励磁電流Ｉｅｉは、その界磁電流Ｉｆに向かって増加するが、インダクタ３５に流れる励磁電流Ｉｅｉは、急激には増加せず、このインダクタ３５が、交流発電機１０の出力電流の変化率を小さくするため、整流出力端子１５ａに現われるサージ電圧を低減することができる。

半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされたとき、インダクタ３５には、過渡電圧ｖｔ１と逆極性の過渡電圧ｖｔ２が発生するが、過渡電圧吸収手段４０を構成するコンデンサ４３は、界磁コイル１３と、オン状態となった半導体スイッチ素子３３を通じて放電し、インダクタ３５に流れ込む励磁電流Ｉｅｉを徐々に増加させる。その結果、過渡電圧ｖｒ２の大きさも低減される。過渡電圧ｖｔ２も、過渡電圧吸収手段４０により吸収され、半導体スイッチ素子３３に影響することはない。コンデンサ４３の放電電流の一部は、還流素子３１のカソード３１ｃからアノード３１ａへ、還流素子３１の逆回復電流として流れ、還流素子３１をオフ状態にする。

実施の形態１において、還流素子３１として、ショットキーダイオードを使用すれば、ＰＮ接合形ダイオードに比べて、逆回復電流を小さくすることができ、コンデンサ４３のキャパシタンス値をより小さくすることが可能となる。具体的には、還流素子３１は、半導体スイッチ素子３３のオフ状態において、還流電流Ｉｓを流すものであり、この還流素子３１は、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされたときに、スイッチングサージ電圧により逆極性電圧を受けてオフ状態に回復するが、ショットキーダイオードを使用すると、オフ状態に復帰するための逆回復電流が小さいので、還流素子３１に流れ込むコンデンサ４３の放電電流を、より小さくすることができ、その分だけ、コンデンサ４３のキャパシタンス値を小さくすることができる。このコンデンサ４３のキャパシタンス値が小さくなれば、コンデンサ４３のサイズを小さくすることができ、励磁回路３０を構成する回路部品の小型化を図ることができる。

以上のように、実施の形態１では、励磁回路３０にインダクタ３５と過渡電圧吸収手段４０を設けることにより、半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされたとき、および半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされたときに、励磁電流Ｉｅｉの変化率を小さくすることができ、電圧調整回路６０に特別なスロープ発生回路を設けることなく、簡単に、整流出力電圧Ｖｏに現われるサージ電圧を抑制することができる。スロープ発生回路は、半導体スイッチ素子３３を、緩やかにオン、オフすることにより、スイッチングサージ電圧を低減するので、半導体スイッチ素子３３における発熱が増大するが、インダクタ３５と過渡電圧吸収手段４０を用いた実施の形態１では、半導体スイッチ素子３３が緩やかにオン、オフすることもないので、半導体スイッチ素子３３の発熱が増大することもない。

また、過渡電圧吸収手段４０を構成するコンデンサ４３は、過渡電圧ｖｔ１、ｖｔ２の大きさを低減することができる。また、コンデンサ４３は、界磁コイル１３と半導体スイッチ素子３３とに並列な分岐回路４１に設けられるので、インダクタ３５に発生する過渡電圧ｖｔ１が半導体スイッチ素子３３に集中することもなく、半導体スイッチ素子３３の耐圧を高くする必要もなくなり、より耐圧の低い半導体スイッチ素子３３を用いることが可能となる。

インダクタ３５に、インダクタンスが１００（ｎＨ）より大きなインダクタを使用すれば、スイッチングサージ電圧の大きさを、より低減することができる。この場合には、インダクタ３５に発生する過渡電圧ｖｔ１、ｖｔ２も大きくなるので、０．５（μＦ）〜５（μＦ）よりも、もっと大きなキャパシタンスを有するコンデンサ４３を使用し、耐圧の低い半導体スイッチ素子３３を使用できるようにすることが望ましい。

実施の形態２．
図２は、この発明による車両用交流発電機の出力電圧制御装置の実施の形態２を示す電気回路図である。

この実施の形態２による車両用交流発電機の出力電圧制御装置１００Ａでは、電圧制御ユニット２０が、実施の形態１における励磁回路３０を変形した励磁回路３０Aと、電圧調整回路６０により、構成される。この実施の形態２では、励磁回路３０Ａは、実施の形態１における還流素子３１、半導体スイッチ素子３３、インダクタ３５とともに、コンデンサ５０と、第１のダイオード５２、第１の抵抗５３、第２のダイオー５５、および第２の抵抗５６を有する。コンデンサ５０は、実施の形態２における過渡電圧吸収手段４０を構成する。その他は、実施の形態１と同じに構成される。

この実施の形態２の励磁回路３０Ａでは、コンデンサ５０は、半導体スイッチ素子３３に対して並列な分岐回路５１に配置される。この分岐回路５１は、半導体スイッチ素子３３のドレインＤとソースＳの間に形成される。具体的には、半導体スイッチ素子３３のドレインＤが、第１のダイオード５２と第１の抵抗５３を介してコンデンサ５０の一端に接続され、このコンデンサ５０の他端は、半導体スイッチ素子３３のソースＳに直接接続され、共通電位点Ｅに接続される。このコンデンサ５０には、実施の形態１におけるコンデンサ４３と同様に、０．１（μＦ）〜１００（μＦ）のキャパシタンスを有するコンデンサが使用され、具体的には、０．５（μＦ）から５（μＦ）のキャパシタンスを有するコンデンサが使用される。

第１のダイオード５２は、例えばＰＮ接合形ダイオードで構成され、アノード５２ａとカソード５２ｃを有する。この第１のダイオード５２は、分岐回路５１において、半導体スイッチ素子３３のドレインＤとコンデンサ５０との間に、コンデンサ５０と直列に接続される。具体的には、第１のダイオード５２は、そのアノード５２ａが半導体スイッチ素子３３のドレインＤに直接接続され、そのカソード５２ｃが第１の抵抗５３を介してコンデンサ５０に接続される。この第１の抵抗５３も、分岐回路５１において、コンデンサ５０と直列に接続される。第１の抵抗５３は、抵抗値の小さな抵抗であり、例えばその抵抗値は、０．１（Ω）〜１０（Ω）、具体的には、１（Ω）とされる。

第２のダイオード５５は、コンデンサ５０と界磁端子１３ａとの間に接続される。この第２のダイオード５５は、例えばＰＮ接合形ダイオードで構成され、アノード５５ａとカソード５５ｃを有する。第２のダイオード５５は、そのアノード５５ａがコンデンサ５０に、またそのカソード５５cが界磁端子１３ａにそれぞれ直接接続されるような極性で、コンデンサ５０と界磁端子１３ａとの間に接続される。

第２の抵抗５６は、直列に接続された第１のダイオード５２と第１の抵抗５３に対して並列な分岐回路５７に配置される。この第２の抵抗５６は、第１の抵抗５３に比べて、大きな抵抗値を有する抵抗であり、その抵抗値は、１（ｋΩ）〜１００（ｋΩ）、具体的には、１０（ｋΩ）とされる。

実施の形態２においても、インダクタ３５と、コンデンサ５０により構成された過渡電圧吸収手段４０は、整流出力端子１５ａから界磁コイル１３へ流れる励磁電流Ｉｅｉの変化率を小さくし、交流発電機１０の出力電流の変化に基づいて整流出力電圧Ｖｏに現われるサージ電圧を抑制する働きをする。インダクタ３５が、整流出力端子１５ａに発生するサージ電圧を低減する作用は、実施の形態１と同じである。過渡電圧吸収素子４０は、実施の形態１と同様に、インダクタ３５に発生する過渡電圧ｖｔ１、ｖｔ２の大きさを低減し、また界磁コイル１３に発生する過渡電圧をも吸収する。

半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされるときに、インダクタ３５には、過渡電圧ｖｔ１が発生するが、コンデンサ５０は、この過渡電圧ｖｔ１により、界磁コイル１３、第１のダイオード５２、第１の抵抗５３を通じて充電される。このコンデンサ５０は、過渡電圧ｖｔ１を吸収するとともに、インダクタ３５に流れる励磁電流Ｉｅｉを徐々に低下させ、過渡電圧ｖｔ１の大きさを低減する。過渡電圧ｖｔ１が、半導体スイッチ素子３３をバイパスして、コンデンサ５０を充電するので、過渡電圧ｖｔ１が、オフ状態になった半導体スイッチ素子３３に集中することはなく、その結果、半導体スイッチ素子３３の耐圧を高くする必要はなく、耐圧の低い半導体スイッチ素子３３を使用することができる。また、インダクタ３５が、インダクタ３５に流れる励磁電流Ｉｅｉを徐々に変化させるので、交流発電機１０の出力電流の変化による整流出力電圧Ｖｏの変化を小さくできる。

また、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされるときには、インダクタ３５には、過渡電圧ｖｔ２が発生するが、この過渡電圧ｖｔ２もコンデンサ５０により吸収される。過渡電圧ｖｔ２の発生に伴ない、コンデンサ５０は、第２のダイオード５５、界磁コイル１３、半導体スイッチ素子３３を通じて放電を開始する。このコンデンサ５０の放電電流は、インダクタ３５に流れ込む励磁電流Ｉｅｉを徐々に増大させ、その結果、交流発電機１０の出力電流の変化率が小さくなり、整流出力電圧Ｖｏに現われるサージ電圧を抑制することができる。

実施の形態２において、第１のダイオード５２は、アノード５２ａが半導体スイッチ素子３３のドレインＤに接続される極性で分岐回路５１にコンデンサ５０と直列に接続されるので、半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされ、コンデンサ５０がインダクタ３５に発生する過渡電圧ｖｔ１により充電されるときに、このコンデンサ５０の充電電流に対して、順方向の小さなインピーダンスを与え、コンデンサ５０の充電を許容する。また、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされて、コンデンサ５０が第２のダイオード５５、界磁コイル１３、半導体スイッチ素子３３を通じて放電するときに、第１のダイオード５２は、その逆方向の大きなインピーダンスにより、コンデンサ５０の放電電流が、第１の抵抗５３から半導体スイッチ素子３３に流れるのをブロックし、コンデンサ５０が急激に放電するのを防止する。このコンデンサ５０の放電電流が第１のダイオード５２でブロックされる結果、コンデンサ５０のキャパシタンス値を小さくすることができ、コンデンサ５０のサイズを小さくすることができる。

第１の抵抗５３は、コンデンサ５０に対する充電電流を低減する。具体的には、半導体スイッチ素子３３がオン状態からオフ状態にスイッチされ、過渡電圧ｖｔ１により、コンデンサ５０が界磁コイル１３、第１のダイオード５２、第１の抵抗５３を通じて充電されるときに、第１の抵抗５３は、その充電電流を低減する。この第１の抵抗５３によりコンデンサ５０の充電電流が低減される結果、コンデンサ５０のキャパシタンス値を小さくすることができ、コンデンサ５０のサイズを小さくすることができる。

第２のダイオード５５は、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされ、インダクタ３５に、過渡電圧ｖｔ２が発生したときに、コンデンサ５０から界磁コイル１３、半導体スイッチ素子３３へ流れるコンデンサ５０の放電電流に対して、順方向の低いインピーダンスを与え、このコンデンサ５０の放電を許容する。このコンデンサ５０の放電により、インダクタ３５に流れ込む励磁電流Ｉｅｉが徐々に増大するので、交流発電機１０の出力電流の変化率が小さくなり、整流出力電圧Ｖｏに現われるサージ電圧を抑制することができる。

実施の形態２においても、コンデンサ５０の放電電流の一部は、還流素子３１のカソード３１ｃからアノード３１ａへの逆回復電流となる。還流素子３１として、ショットキーダイオードを使用すれば、ＰＮ接合形ダイオードに比べて、逆回復電流を小さくすることができ、コンデンサ５０のキャパシタンス値をより小さくすることが可能となる。具体的には、還流素子３１は、半導体スイッチ素子３３のオフ状態において、還流電流Ｉｓを流すものであり、この還流素子３１は、半導体スイッチ素子３３がオフ状態からオン状態にスイッチされたときに、スイッチングサージ電圧により逆極性電圧を受けてオフ状態に回復するが、ショットキーダイオードを使用すると、オフ状態に復帰するための逆回復電流が小さいので、還流素子３１に流れ込むコンデンサ５０の放電電流を、より小さくすることができ、その分だけ、コンデンサ５０のキャパシタンス値を小さくすることができる。このコンデンサ５０のキャパシタンス値が小さくなれば、コンデンサ５０のサイズを小さくすることができ、励磁回路３０を構成する回路部品の小型化を図ることができる。

実施の形態２において、第２の抵抗５６は、半導体スイッチ素子３３がオン状態にあるときに、コンデンサ５０に残った電荷を半導体スイッチ素子３３へ放電させる。この第２の抵抗５６により、コンデンサ５０に残った電荷が放電される結果、次に半導体スイッチ素子３３がオフ状態にスイッチされ、インダクタ３５に過渡電圧ｖｔ１が発生したときに、コンデンサ５０のキャパシタンス値が小さくても、より多くの電荷を充電することができる。

この発明による車両用交流発電機の出力電圧制御装置は、自動車などに搭載される交流発電機に利用することができる。

この発明による車両用交流発電機の出力電圧制御装置の実施の形態１を示す電気回路図である。 この発明による車両用交流発電機の出力電圧制御装置の実施の形態２を示す電気回路図である。

符号の説明

１０：車両用交流発電機、１１：電機子コイル、１３：界磁コイル、１５：整流装置、
３０．３０Ａ、３０Ｂ：励磁回路、３１：還流素子、３３：半導体スイッチ素子、
３５：インダクタ、４０：過渡電圧吸収手段、４１：分岐回路、４３：コンデンサ、
５０：コンデンサ、５１：分岐回路、５２：第１のダイオード、５３：第１の抵抗、
５５：第２のダイオード、５６：第２の抵抗、５７：分岐回路、６０：電圧調整回路。

Claims (9)

1. 電機子コイルと界磁コイルを有し、車両に搭載される原動機により駆動され、前記電機子コイルに交流出力電圧を発生する車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、
   前記交流出力電圧を整流して整流出力電圧を発生する整流装置、
   前記整流出力電圧により前記界磁コイルを励磁する励磁回路、
   この励磁回路に設けられ、前記界磁コイルと並列に接続された還流素子、
   前記励磁回路に設けられ、前記界磁コイルと直列に接続された半導体スイッチ素子、
   前記整流出力電圧に基づいて、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ制御して前記整流出力電圧を所定範囲に調整する電圧調整回路、
   前記励磁回路に設けられ、前記界磁コイルと前記半導体スイッチ素子とに直列に接続されたインダクタ、および
   前記界磁コイルと前記半導体スイッチ素子の中の、少なくとも前記半導体スイッチ素子に対して並列な分岐回路に設けられ、前記半導体スイッチ素子のオン、オフに伴ない前記インダクタに発生する過渡電圧を吸収する過渡電圧吸収手段
   を備えた車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
2. 請求項１記載の車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、前記過渡電圧吸収手段がコンデンサであることを特徴とする車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
3. 請求項２記載の車両用交流発電機の出力制御装置であって、前記還流素子が、ショットキーダイオードとされたことを特徴とする車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
4. 請求項２記載の車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、前記コンデンサは、前記界磁コイルと前記半導体スイッチ素子とに対して並列な分岐回路に接続され、前記半導体スイッチ素子がオン状態からオフ状態にスイッチされたときに、前記インダクタに発生する過渡電圧により充電されることを特徴とする車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
5. 請求項２記載の車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、前記コンデンサは、前記半導体スイッチ素子に対して並列な分岐回路に接続され、前記半導体スイッチ素子がオン状態からオフ状態にスイッチされたときに、前記インダクタに発生する過渡電圧により充電されることを特徴とする車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
6. 請求項５記載の車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、さらに、前記分岐回路に前記コンデンサと直列に接続された第１のダイオードを備え、この第１のダイオードは、前記半導体スイッチ素子がオン状態からオフ状態にスイッチされたときに、前記コンデンサが前記過渡電圧により充電されるのを許容する極性で接続されたことを特徴とする車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
7. 請求項６記載の車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、さらに、前記分岐回路に、前記コンデンサと前記第１のダイオードに直列に接続された第１の抵抗素子を備えた車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
8. 請求項７記載の車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、さらに、前記第１のダイオードと第１の抵抗に並列な分岐回路に接続された第２の抵抗素子を備えた車両用交流発電機の出力電圧制御装置。
9. 請求項５記載の車両用交流発電機の出力電圧制御装置であって、さらに、前記励磁回路に配置された第２のダイオードを備え、この第２のダイオードは、前記半導体スイッチ素子がオフ状態からオン状態にスイッチされたときに、前記コンデンサが前記界磁コイルと前記半導体スイッチ素子を通じて放電するのを許容する極性で接続されたことを特徴とする車両用交流発電機の出力電圧制御装置。

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