JP5567989B2 - Control device for vehicle alternator - Google Patents
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Description
本発明は、車両用交流発電機の制御装置に係り、特に、パワー半導体装置を有するものに好適な車両用交流発電機の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an AC generator for a vehicle, and more particularly to a control device for an AC generator for a vehicle suitable for a device having a power semiconductor device.
従来、パワー系半導体部品と小信号系半導体を同一基板上に実装する手段として、図17の回路図及び、図18の実装例を用いて説明する。
図17は、従来の自動車用発電機の充電系統を示す制御回路図である。図18は、従来の自動車用発電機の実装例の構造図である。図18(A)は平面図であり、図18(B)は正面図である。
Conventionally, as means for mounting a power semiconductor component and a small signal semiconductor on the same substrate, a circuit diagram of FIG. 17 and a mounting example of FIG. 18 will be described.
FIG. 17 is a control circuit diagram showing a charging system of a conventional automobile generator. FIG. 18 is a structural diagram of a mounting example of a conventional automotive generator. 18A is a plan view, and FIG. 18B is a front view.
図17において、界磁巻線13は、エンジンの回転と同期して回転し回転磁界を発生する。界磁巻線13に並列に接続されたフライホイール・ダイオード142bは、スイッチングノイズを吸収するために接続されている。電機子巻線11は、界磁巻線13のつくる回転磁界の大きさに応じて交流波形をもった電圧を出力する。該交流出力は、三相全波整流器12を構成する整流用パワーツエナーダイオード121,122,123,124,125,126で全波整流される。
In FIG. 17, the field winding 13 rotates in synchronization with the rotation of the engine to generate a rotating magnetic field. A flywheel diode 142b connected in parallel to the field winding 13 is connected to absorb switching noise. The armature winding 11 outputs a voltage having an AC waveform according to the magnitude of the rotating magnetic field generated by the field winding 13. The AC output is full-wave rectified by rectifying power Zener
界磁巻線13に流れる電流は、電圧制御用ICレギュレータ30bで制御する事で、発電機出力電圧を一定電圧に制御する。この電圧制御用ICレギュレータ30bは、電圧制御部1450bと、界磁電流を制御する為に主に発熱するパワートランジスタ141b及びフライホイールダイオード142bで構成される。
制御された出力は、バッテリ16に充電される。また、同時に、三相全波整流器12の出力は、負荷スイッチ17を介して、ランプ等の電気負荷18に供給される。
The current flowing through the field winding 13 is controlled by the voltage
The controlled output is charged to the
車両側の制御部であるECU部60は、車両の状態を検出し、最適な調整電圧指令値をCOM端子から電圧制御用ICレギュレータ30bに伝え、調整電圧値が変更される。電圧制御用ICレギュレータ30bは、パワートランジスタ141bをコントロールして、界磁巻線13への界磁電流通流率を変更する事で、回転磁界の大きさを変更し、その結果、調整電圧値は車両側の制御部であるECU部60が指令した調整電圧値に制御される。
The
以上のような制御動作の中で、界磁電流を制御するパワートランジスタ141bが最も発熱する半導体部品であり、実装上、図18に示す様な構造としている。
In the control operation as described above, the
つまり、図18に示すように、ヒートシンク143にてパワートランジスタ141bが生じる熱をセラミック基板144から接着剤51を介して放熱プレート50に伝え、放熱プレート50が有する放熱フィン53に冷却風が当たる事で熱を放出させる構造である。
That is, as shown in FIG. 18, heat generated by the
電圧制御用ICレギュレータ30bは、あまり発熱しない電圧制御部1450bも同一基板上に実装し、かつ自動車のエンジンルーム内の過酷な熱ストレスに耐えるために、電圧制御用ICレギュレータ30bはセラミック基板144上に半田実装する事で構成しており、線膨張係数差を少なくする事で、温度変化に伴う、熱疲労寿命を向上させている。そのため、パワートランジスタ141bの熱を分散させるヒートシンク143の材料としては、線膨張係数がシリコン(シリコンの線膨張係数は約3.5ppm)やセラミック材(セラミック基板の線膨張係数は約6.5ppm)に近い高価なモリブデン材(モリブデン材の線膨張係数は約4.9ppm)又は高価なタングステン材(タングステン材の線膨張係数は約4.5ppm基板)を使用する必要が有る。
In the voltage
上記構造は、自動車のエンジンルーム内の空気で放熱フィン53から熱を放出させる事を前提とした『空冷』方式であるが、近年、エンジンルーム内部の高密度化により、エンジンルーム内部の温度は高温化し、かつ冷却風が流れづらい構造となっている。その為、空冷では冷却能力が不足する場合が生じた。この対応として、自動車用発電機をエンジン内部に循環している冷却水を利用する事で自動車用発電機自体を冷却する『水冷』方式が考案され実用に至っている。
The above structure is an “air-cooling” method based on the premise that heat is released from the
この水冷方式はエンジンルーム内部が異常に高温化した場合であっても、半導体のジャンクション温度を越えない範囲で、電圧制御用ICレギュレータ30bを安定動作させる事が可能となったが、エンジンルームに直接装着される自動車用発電機として、熱ストレスは過酷であり、熱疲労寿命に関して、従来の『空冷』方式とほぼ同等の性能が必要である。
This water cooling system enables stable operation of the voltage
ここで、従来、パワー系半導体部品と小信号系半導体を実装する方式としては、発熱部品自身の発熱量を下げるとともに、発熱部品と発熱が少ない部品との位置関係を規制して、発生する熱を分散させる事で従来必要であった高価なモリブデン材で作られたヒートシンクを廃止するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Here, conventional methods for mounting power semiconductor components and small signal semiconductors are to reduce the amount of heat generated by the heat generating component itself and regulate the positional relationship between the heat generating component and a component that generates little heat, thereby generating heat. It is known that a heat sink made of an expensive molybdenum material, which has been conventionally required, is eliminated by dispersing the heat sink (see, for example, Patent Document 1).
また、パワー系半導体部品と小信号系半導体を冷却する方式としては、発熱するパワー系半導体部品を冷却するために、エンジンの冷却水を利用した水冷方式が知られている(例えば、特許文献2参照)。その為、従来エンジンルーム内部の高温化した空気で空冷させる為に、放熱フィンの表面積を増加させる為に、放熱フィンの数を増やしたり、放熱フィンを大型化する必要がないものである。 As a method for cooling the power semiconductor component and the small signal semiconductor, a water cooling method using engine cooling water is known to cool the heat generating power semiconductor component (for example, Patent Document 2). reference). For this reason, it is not necessary to increase the number of heat dissipating fins or increase the size of the heat dissipating fins in order to increase the surface area of the heat dissipating fins in order to air-cool with the high-temperature air inside the engine room.
しかし、従来技術の交流発電機の場合、パワー系半導体部品の熱疲労寿命向上の為にモリブデン材の様な高価なヒートシンク材を使用するか、発熱部品と発熱が少ない部品との間に、ある一定以上の距離を置いて配置する必要があり、部品点数の削減及び小型化、低コスト化への障害となる。 However, in the case of the prior art AC generator, an expensive heat sink material such as molybdenum material is used to improve the thermal fatigue life of the power semiconductor component, or it is between a heat generating component and a component that generates little heat. It is necessary to arrange them at a certain distance or more, which becomes an obstacle to reduction in the number of parts, miniaturization, and cost reduction.
また、放熱フィンを廃止して、エンジンの冷却水を発電機のブラケット内部に循環させることにより、直接冷却する場合、セラミック基板は割れやすく、かつ加工の自由度が制限されている為、熱を放熱する為のブラケットに直接接触させる冷却方式は困難であるため、結局、放熱フィンを削除した放熱プレートが必要となる。 Also, when cooling directly by eliminating the fins and circulating engine cooling water inside the generator bracket, the ceramic substrate is easy to break and the degree of freedom of processing is limited. Since a cooling method that directly contacts the bracket for radiating heat is difficult, after all, a heat radiating plate from which heat radiating fins are removed is required.
また、セラミック基板は、構造上、横方向に熱が伝わりずらく、より効率良くセラミック基板に実装されたパワー系半導体部品を冷却する為にはセラミック基板に実装されたパワー系半導体部品の直下を直接冷却する必要が有り、ブラケットに設ける支持柱の形状及び配置の自由度が制限される。 Also, the ceramic substrate is structurally difficult to transmit heat in the lateral direction, and in order to cool the power semiconductor component mounted on the ceramic substrate more efficiently, the ceramic substrate is placed directly under the power semiconductor component mounted on the ceramic substrate. It is necessary to cool directly, and the shape of the support column provided in the bracket and the degree of freedom of arrangement are limited.
また、ブラケットに設ける支持柱の形状及び配置の自由度を得る為には、放熱プレートを必要以上に厚くする事で、横方向の熱伝播を改善する必要が有り、この場合、組み立て構造の制約及び、材料費のコストアップを招くという問題を生じる。 In addition, in order to obtain the flexibility of the shape and arrangement of the support pillars provided on the bracket, it is necessary to improve the lateral heat propagation by making the heat dissipation plate thicker than necessary. And the problem of causing the cost increase of material cost arises.
本発明の目的は、部品点数の削減と小型化を図り、水冷却用ブラケットに接続が可能となる車両用交流発電機の制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a control device for an automotive alternator that can be connected to a water cooling bracket while reducing the number of parts and reducing the size.
(1)上記目的を達成するために、本発明は、界磁巻線が巻装された回転子と、電機子巻線が巻装された固定子と、前記回転子及び前記固定子を保持する熱伝導性部材で構成されたブラケットと、前記ブラケットの内部に設けられ、冷却液を流動させて前記電機子巻線の発熱を外部に伝達する為の冷却液流路とを有する車両用交流発電機に用いられ、前記界磁巻線に流れる電流を調整して前記電機子巻線に誘起される電圧を制御する電圧制御用ICレギュレータ部と、該電圧制御用ICレギュレータ部に熱的に接触する金属基板とから構成され、前記ブラケットに前記金属基板が固定される車両用交流発電機の制御装置であって、前記電圧制御用ICレギュレータ部は、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御するパワー半導体部分と電圧を制御する小信号半導体部分を1つの半導体で形成した1チップ形ICレギュレータであり、前記1チップ形ICレギュレータは、金属の放熱用ヒートシンクに接合されると共に樹脂封止された樹脂封止形パッケージで構成され、前記パッケージで構成された前記1チップ形ICレギュレータは、絶縁層を介して電気配線部を設けた前記金属基板に接合され、前記電圧制御用ICレギュレータ部の発熱を前記金属基板から前記ブラケットに放熱させるものであり、前記電圧制御用ICレギュレータ部、前記金属の放熱用ヒートシンク、及び前記金属基板は、この順で前記冷却液流路が設けられた前記ブラケット上に積層されるようにしたものである。
かかる構成により、部品点数の削減と小型化を図り、水冷却用ブラケットに接続が可能となるものである。
(1) In order to achieve the above object, the present invention holds a rotor around which a field winding is wound, a stator around which an armature winding is wound, and the rotor and the stator. A vehicle AC comprising: a bracket made of a thermally conductive member, and a coolant flow path provided inside the bracket for flowing a coolant and transmitting heat generated by the armature winding to the outside A voltage control IC regulator unit that is used in a generator and controls a voltage induced in the armature winding by adjusting a current flowing in the field winding, and thermally controls the voltage control IC regulator unit. A control device for a vehicle alternator, wherein the voltage control IC regulator unit is a field current flowing in the field winding. Control power semiconductor part and voltage A one-chip IC regulator in which a small signal semiconductor portion is formed of a single semiconductor, and the one-chip IC regulator is formed of a resin-sealed package bonded to a metal heat sink and sealed with a resin The one-chip type IC regulator constituted by the package is bonded to the metal substrate provided with an electric wiring part through an insulating layer, and heat generated in the voltage control IC regulator part is transferred from the metal substrate to the bracket. The voltage control IC regulator section, the metal heat sink for heat dissipation, and the metal substrate are stacked in this order on the bracket provided with the coolant flow path . Is.
With this configuration, the number of parts can be reduced and the size can be reduced, and connection to the water cooling bracket is possible.
(2)上記(1)において、好ましくは、前記ブラケット端面に設けられた支持柱を備え、前記支持柱は、前記ブラケットの端面からの凸形状で構成され、前記金属基板は、前記支持柱に接触させた状態で固定しており、前記金属基板は、良熱伝導金属材料で構成されているものである。 (2) In the above (1), preferably, a support column provided on the end surface of the bracket is provided, the support column is formed in a convex shape from the end surface of the bracket, and the metal substrate is provided on the support column. The metal substrate is fixed in a contacted state, and the metal substrate is made of a highly heat conductive metal material.
(3)上記(2)において、好ましくは、前記金属基板は、前記支持柱に固定する為の位置決め穴を有するものである。 (3) In the above (2), preferably, the metal substrate has a positioning hole for fixing to the support column.
(4)上記(2)において、好ましくは、前記電圧制御用ICレギュレータ部は、外部の電源と前記界磁巻線とに接続されるICケースに装着され、前記電圧制御用ICレギュレータ部の中継リードは、ニッケルもしくはニッケル−鉄合金製の溶接パッドを介して前記金属基板に接続され、前記締結部材によって前記ICケースと前記金属基板を一体的に前記支持柱へ固定するようにしたものである。 (4) In the above (2), preferably, the voltage control IC regulator unit is attached to an IC case connected to an external power source and the field winding, and is relayed to the voltage control IC regulator unit. The lead is connected to the metal substrate via a welding pad made of nickel or nickel-iron alloy, and the IC case and the metal substrate are integrally fixed to the support column by the fastening member. .
(5)上記(1)において、好ましくは、前記金属基板上には、ノイズ吸収用としての静電容量又はツエナーダイオードが接続され、前記静電容量又は前記ツエナーダイオードは、前記電圧制御用ICレギュレータ部の車両の制御装置との電気信号を授受する端子とGND間に接続されるようにしたものである。 (5) In the above (1), preferably, a capacitance or a Zener diode for noise absorption is connected on the metal substrate, and the capacitance or the Zener diode is the IC regulator for voltage control. It is made to be connected between a terminal for transmitting / receiving an electric signal to / from the vehicle control device and GND.
本発明によれば、部品点数の削減と小型化を図り、水冷却用ブラケットに直接もしくは支持柱を介した接続が可能となる。 According to the present invention, the number of parts can be reduced and the size can be reduced, and connection to a water cooling bracket directly or via a support column is possible.
以下、図1〜図16を用いて、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の構成について説明する。
最初に、図1及び図2を用いて、本実施形態による車両用交流発電機における充電系統の制御回路の構成について説明する。
図1及び図2は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機における充電系統の制御回路図である。
Hereinafter, the configuration of a control device for an automotive alternator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the configuration of the control circuit of the charging system in the vehicle alternator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
1 and 2 are control circuit diagrams of a charging system in an automotive alternator according to an embodiment of the present invention.
図1にて、3相の電機子巻線11は、デルタ結線されている。電機子巻線11は、全波整流用ダイオード12に接続される。全波整流用ダイオード12は、図示のように接続された6個のパワーツエナーダイオード121,122,123,124,125,126で構成される。電機子巻線11に発生する発電電力は、全波整流用ダイオード12により全波整流される。
In FIG. 1, the three-
整流された発電電力は、バッテリ16に蓄電される。バッテリ16の電圧は、負荷スイッチ17を経て、車両側の電気負荷18に供給される。
The rectified generated power is stored in the
電圧制御用ICレギュレータ30は、1チップICレギュレータ14を有する。1チップICレギュレータ14は、図2に示すように、パワーMOSトランジスタ141と、フライフォイールダイオード142と、電圧制御部1450とから構成されている。なお、1チップICレギュレータ14は、誘電体分離型半導体で構成されているため、パワー素子部と制御部を1つの半導体基板上に実装している。電圧制御用ICレギュレータ30は、界磁巻線13に流す電流を制御する。界磁巻線13に流す電流を制御することで、電機子巻線11に発生する発電電力を可変できる。電圧制御用ICレギュレータ30は、車両側の制御装置(ECU部)60からの制御指令に応じて、界磁巻線13に流す電流を制御する。
The voltage
なお、1チップICレギュレータ14としては、誘電体分離型半導体の他に、バイポーラ+C−MOS+D−MOS一体形集積回路を用いることもできる。
As the one-
なお、図1において、符号19は、雑音防止用フィルムコンデンサーである。
In FIG. 1,
次に、図3〜図5を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の構成について説明する。
図3は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の縦断面図である。図4は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機のリア側のカバーを外した状態での構造図である。図5は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の冷却水の流れ方向の説明図である。
Next, the configuration of the vehicle alternator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of a vehicle AC generator according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a structural diagram of the vehicle alternator according to the embodiment of the present invention with the rear cover removed. FIG. 5 is an explanatory diagram of the flow direction of the cooling water of the vehicle alternator according to the embodiment of the present invention.
図3に示すように、シャフトSFには、回転子鉄心13aが固定されている。回転子鉄心13aは、1対の爪形磁極から構成される。各爪部は互いに対向し、かつ、互い違いに配列されるように配置されている。回転子鉄心13aの内部には、界磁巻線13が巻回されている。回転子鉄心13aと界磁巻線13とにより回転子が構成される。回転子は、ベアリングにより、センターブラケット72と、フロントブラケット74とにより回転可能に支持されている。センターブラケット72と、フロントブラケット74とは、アルミダイキャストにより製造される。
As shown in FIG. 3, a
センターブラケット72の内周側には、固定子鉄心11aが固定されている。固定子鉄心11aには、電機子巻線11が巻回されている。固定子鉄心11aの内周側は、僅かな空隙を経て、回転子の外周側に対向している。
A
センターブラケット72の内部には、通路(ポケット)72aが形成されている。通路72aの端部は、リアブラケット71によって密閉されており、冷却水の通路を形成する。図5は、センターブラケット72の内部をリアブラケットで密閉された冷却水が流れる経路を示している。
A passage (pocket) 72 a is formed in the
ICケース52の中には、ブラシが保持されている。また、図9を用いて後述するように、ICケース52には、図1に示した電圧制御用ICレギュレータ30が取付固定されている。この電圧制御用ICレギュレータの基板は、支持柱70を介して、リアブラケット71に接続されている。リアブラケット71はアルミダイキャスト製であり、熱伝導性部材で構成される。支持柱70は、リアブラケット71と一体的にアルミダイキャストにより成形される。支持柱70は、電圧制御用ICレギュレータの基板を支持するとともに、電圧制御用ICレギュレータの発熱を、支持柱70,リアブラケット71を介して、センターブラケット72の内部を流れる冷却水に放熱する。ICケース52の外側は、リアカバー75により覆われている。リアカバー75は、リアブラケット71に取り付けられている。リアカバー75とリアブラケット71の間の空間には、ブラシの他に、図1に示した全波整流用ダイオード12も配置されているため、リアカバー75によりこれらの素子に水滴等が付着しないように防水している。
A brush is held in the
図4に示すように、センターブラケット72にはリアブラケット71が取り付けられている。リアブラケット71には、ICケース52が取り付けられている。また、リアブラケット71には、図1に示した全波整流用ダイオード12も取り付けられている。
As shown in FIG. 4, a
センタブラケット72には、冷却水の入口及び出口となるパイプが設けられている。そして、図5に示すように、入口パイプから冷却水がセンターブラケット72の内側に流入し、出口パイプから流出する。
The
次に、図1〜図5にて説明した本実施形態の車両用交流発電機及び車両用交流発電機の制御装置の動作について説明する。 Next, the operation of the vehicle alternator and the vehicle alternator control device of the present embodiment described with reference to FIGS. 1 to 5 will be described.
図3に示したように、界磁巻線13は、回転子13aに装着され、エンジンの回転と同期して回転し回転磁界を発生する。図2に示したフライホイール・ダイオード142は、界磁巻線13に並列に接続され、スイッチングノイズを吸収するために接続されている。
As shown in FIG. 3, the field winding 13 is mounted on the
図3に示した、回転子と空隙を持って対向する固定鉄心11aに巻装された電機子巻線11は、界磁巻線13のつくる回転磁界の大きさに応じて交流波形をもった電圧を出力する。この交流出力は、三相全波整流器12を構成する整流用パワーツエナーダイオード121,122,123,124,125,126で全波整流される。
The armature winding 11 wound around the fixed
界磁巻線13に流れる電流は、電圧制御用ICレギュレータ30で制御する事で、発電機出力電圧を一定電圧に制御する。電圧制御用ICレギュレータ30は1チップICレギュレータ14を有する。1チップICレギュレータ14は、図2に示したような構成を有し、1チップICレギュレータ14の電圧制御部1450は、電圧制御を行うパワーMOSトランジスタ141をコントロールする。
The current flowing through the field winding 13 is controlled by the voltage
電圧制御用ICレギュレータ30によって電圧制御された出力は、バッテリ16が充電される。また、同時に、三相全波整流器12の出力は、負荷スイッチ17を介して、ランプ等の電気負荷18に供給される。
The
車両側の制御部であるECU部60は車両の状態を検出し、最適な調整電圧指令値を1チップICレギュレータ14に伝え、調整電圧値が変更される。1チップICレギュレータ14は、パワーMOSトランジスタ141をコントロールして、界磁巻線13への界磁電流通流率を変更する事で、回転磁界の大きさを変更し、その結果、調整電圧値は車両側の制御部であるECU部60が指令した調整電圧値に制御される。
The
次に、図6〜図9を用いて、本実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ICレギュレータの実装構造について説明する。
図6は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ICレギュレータの実装構造を示す平面図である。図7は、図6のV−V断面図である。図8及び図9は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ICレギュレータの実装構造を示す斜視図である。
Next, the mounting structure of the voltage control IC regulator used in the vehicle alternator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a plan view showing a mounting structure of the voltage control IC regulator used in the vehicle alternator according to the embodiment of the present invention. 7 is a cross-sectional view taken along the line VV in FIG. 8 and 9 are perspective views showing the mounting structure of the voltage control IC regulator used in the vehicle alternator according to the embodiment of the present invention.
図6に示した1チップICレギュレータ14は、パワー素子部と小信号系である制御部を誘電体分離型半導体で1つの半導体基板上に実装したものである。1チップICレギュレータ14は、図7に示すように、安価な材質である銅を使用したヒートシンク146に高温半田160で固着されている。なお、高温半田の代わりに、銀ペースト等の電気伝導性接着剤を用いることもできる。
The one-
図7に示すように、1チップICレギュレータ14及びヒートシンク146は、樹脂封止パッケージ147により封止されている。なお、ヒートシンク146は、樹脂封止パッケージ147の底面において、突出して露出した構造としている。
As shown in FIG. 7, the one-
樹脂封止パッケージ147は、デュアルインライン方式(反対の2方向にリードフレーム154が配列された面実装構造)の半導体装置である。すなわち、樹脂封止パッケージ147の対向する両面から、複数のリードフレーム(リード端子)154がモールディングして突設されている。リードフレーム154は、樹脂封止パッケージ147の内部でボンデイングワイヤ152によって、1チップICレギュレータ14に接続されている。リードフレーム154は銅材により形成されており、はんだ付け性を考慮して、リードフレーム154表面にメッキ処理が施されており、メッキ処理の材質はSnメッキもしくは、Snメッキ合金(Bi等を含む)又は、はんだメッキが用いられている。リードフレーム154はその全部または一部に対して、1チップICレギュレータ14の端子COM、F,B,P(図1)に対応している。
The resin-encapsulated
ヒートシンク146及びリードフレーム154は、低温半田162によって、アルミ材を基材とした、金属基板148の表面に固着されている。また、図6に示すように、金属基板148には、あらかじめ、位置決めと固定を兼ねた、固定用穴148A,148Bが2箇所、プレス加工により設けられている。
The
なお、ヒートシンク146及びリードフレーム154の金属基板148への接合を低温はんだ162によって行うことにより、その接合工程における熱によって、より融点の高い高温半田160が悪影響を受けることはないものである。
Note that the
金属基板148は、基材のアルミ板(板厚は1mmから5mm)170の表面に絶縁層172として、エポキシ系樹脂もしくはポリイミド系樹脂を貼着し、絶縁層172の表面に回路を形成する為の銅箔174が貼着されている。1チップICレギュレータ14から発生した熱は、ヒートシンク146を経て、金属基板148に伝導される。ここで、金属基板148は、前述のように、アルミ板170,絶縁層172,銅箔174が積層された構成となっているが、絶縁層172は薄いため、ヒートシンク146からの熱は、銅箔174及び絶縁層172を経て、アルミ板170に伝導される。
In order to form a circuit on the surface of the insulating
樹脂封止パッケージ147の各リードフレーム154は、銅箔174のパターンにおける所定位置に低温半田162によって接合される。
Each
なお、本実施形態では、基材としてアルミ材を使用しているが、銅材でも鉄材でも本構造に適用可能である。 In this embodiment, an aluminum material is used as a base material, but a copper material or an iron material can be applied to the structure.
以上の様に、電圧制御用ICレギュレータ30は、樹脂で封止された1チップICレギュレータ14を金属基板に接合した構成である。
As described above, the voltage
図6に示すように、金属基板148の表面には、複数の溶接パッド149が低温半田162によって固着されている。そして、図8に示すように、各溶接パッド149は複数のフォーミングされたニッケル線54に溶接によって接続される。各ニッケル線54は、ICケース52と電気的に接続される。なお、ICケース52には、図1に示した雑音防止用フィルムコンデンサー19が保持され、ブラシBSを保持するブラシホルダBHが一体的に形成されている。また、ICケース52には、外部と電気的に接続するためのコネクタCTも設けられている。
As shown in FIG. 6, a plurality of
また、図9に示すように、各ニッケル線54にてICケース52と電圧制御用ICレギュレータ30が組合され、リアブラケット71に一体に設けられた支持柱70に締結部材73によって固定される。締結部材73は、例えばボルトであり、支持柱70の内部には雌ネジが形成されている。リアブラケット71とセンターブラケット72の間に冷却水が循環することで、電圧制御用ICレギュレータ30が発する熱を支持柱70経由で冷却水へ発散させる。
Further, as shown in FIG. 9, the
また、図6に示すように、金属基板148の表面には、図11にて説明するESDノイズ除去用コンデンサー20若しくは、図12にて説明するツエナーダイオード22が実装されている。
Further, as shown in FIG. 6, the ESD
水冷方式の交流発電機は、エンジンルーム内部の高密度化により高温化したエンジンルーム内部にて、冷却風による冷却が限界値を超えた状況であっても、冷却水による冷却で交流発電機自体を冷却する。しかし、冷却水の温度は通常90℃前後であるが、ラジエータ内部の圧力が上昇した場合、110〜120℃になる可能性があり、半導体の動作保証最高温度であるジャンクション温度150℃以下に対して余裕度がある状況ではない、そのため、実装構造の改良で熱抵抗Rthを下げる必要がある。 A water-cooled AC generator is an AC generator itself that is cooled by cooling water even when the cooling air has exceeded the limit value inside the engine room, which has been heated up due to high density inside the engine room. Cool down. However, the temperature of the cooling water is usually around 90 ° C, but if the pressure inside the radiator rises, it may become 110-120 ° C. Therefore, the thermal resistance Rth needs to be lowered by improving the mounting structure.
次に、図10を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置における熱抵抗測定結果について説明する。
図10は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置における熱抵抗測定結果について説明図である。
Next, the thermal resistance measurement result in the vehicle alternator control apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is an explanatory diagram of the thermal resistance measurement result in the control device for the vehicle alternator according to the embodiment of the present invention.
図10では、電圧制御用ICレギュレータ30が発する熱を支持柱70経由で冷却水に発散させた場合の熱抵抗測定結果を、従来構造と比較して示している。測定条件として、従来構造では、図18に示した、セラミック基板144に放熱フィン53を除去した放熱プレートを使用し、各々に消費電力6.5W消費させた場合の熱抵抗の飽和点を測定している。
In FIG. 10, the thermal resistance measurement result in the case where the heat generated by the voltage
ここで、熱抵抗Rthとは発熱体である、パワーMOSトランジスタ141にある一定の電力を消費させた場合の消費電力と温度の関数であり、通常、下記の式(1)で表される。
ジャンクション温度Tj=Ta(℃)+Rth(℃/W)×P(W) …(1)
ここで、Ta:周囲温度、Rth:熱抵抗、P:消費電力である。
Here, the thermal resistance Rth is a function of power consumption and temperature when a certain amount of power is consumed in the
Junction temperature Tj = Ta (° C.) + Rth (° C./W)×P (W) (1)
Here, Ta: ambient temperature, Rth: thermal resistance, P: power consumption.
通常、半導体の動作許容温度は150℃以下での使用する必要がある。それに対して、図10に示す測定結果では、従来構造の熱抵抗が4.6℃/Wに対して、本実施形態の場合2.5℃/Wとなり、熱抵抗を約45%も低下させる事ができた。 Usually, it is necessary to use the semiconductor at an allowable operating temperature of 150 ° C. or lower. On the other hand, in the measurement results shown in FIG. 10, the thermal resistance of the conventional structure is 2.5 ° C./W in the case of this embodiment with respect to 4.6 ° C./W, and the thermal resistance is reduced by about 45%. I was able to.
これは、電圧制御用ICレギュレータ30が5W消費したと仮定した場合に、従来構造に対して、2.1×5=10.5℃も半導体のジャンクション温度の最大温度を低く抑えられる事を意味し、本実施形態の構造とする事で、半導体の発熱をより効率良く発散する事が可能となる。
This means that, assuming that the voltage
この理由として、本実施形態では、熱伝導性の良い銅材が安価である為、ヒートシンク146としてより広い面積に使用する事が可能となり、且つ、ヒートシンク146の熱を熱伝導性の優れた、金属基板148に放熱させる為、結果的に従来品に対して熱抵抗を約半減する事が可能となった。
For this reason, in this embodiment, since the copper material having good thermal conductivity is inexpensive, it can be used in a larger area as the
本実施形態では、温度変化に対する信頼性を確保する為に、各部品の線膨張係数は以下となる。つまり、1チップICレギュレータ14の材料としてのシリコンの線膨張係数は約3.5ppmに対し、ヒートシンク146の材料である銅材の線膨張係数は17ppmで有るため、この線膨張係数差を押さえ込む為に、線膨張係数が約11ppm前後の樹脂で封止する、樹脂封止パッケージ147を採用している。
In this embodiment, in order to ensure the reliability with respect to the temperature change, the linear expansion coefficient of each component is as follows. That is, the linear expansion coefficient of silicon as the material of the one-
この樹脂封止パッケージ147はデュアルインライン方式のパッケージであり、電気的接続用端子の材質は銅材であるため、金属基板148のベース基材であるアルミ材の線膨張係数23ppmと線膨張差が少ない事により、本実施形態の構造であれば、ヒートシンク146の材料として銅材を使用しながら、温度変化の激しい環境であるエンジンルーム内での実装に耐える構造とする事ができる。
This resin-encapsulated
次に、図11及び図12を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置の変形例について説明する。
図11及び図12は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の変形例を示す回路図である。なお、図1と同一符号は同一部分を示している。
Next, a modified example of the control device for the vehicle alternator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12.
FIGS. 11 and 12 are circuit diagrams showing modifications of the control device for the vehicle alternator according to the embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
本実施形態では金属基板148を使用する事で、1チップICレギュレータ14に実装する事が容易ではない、EMI対策用の静電容量又はサ−ジ吸収用ツエナーダイオード等を金属基板に実装する事が可能となる。
In this embodiment, by using the
図11は、車両側の制御部であるECU部60との信号を授受するCom端子とGND間に静電気等によるESDノイズ除去用コンデンサー20を実装した例である。
FIG. 11 is an example in which a
図12は、同様に、Com端子部を外部からの正サージもしくはマイナスサージから端子を保護する為に、ツエナーダイオード22を実装した例である。
FIG. 12 similarly shows an example in which a
この様に、本来、1チップICレギュレータの特徴である、1つの半導体でパワー系及び小信号系半導体を一体にして、部品点数の削減及び小型化に対応する製品に対して、どうしても、より環境の厳しい車両で使用したい場合等、多様な顧客ニーズに対応できる利点を有する。 In this way, for the products that reduce the number of parts and reduce the size by integrating the power system and the small signal semiconductor with one semiconductor, which is a characteristic of the one-chip IC regulator, it is inevitably more environmental. It has the advantage that it can meet various customer needs such as when you want to use it in a severe vehicle.
次に、図13及び図14を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置の実装構造の変形例について説明する。
図13及び図14は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の実装構造の変形例を示す斜視図である。なお、図8や図9と同一符号は同一部分を示している。
Next, a modified example of the mounting structure of the control device for a vehicle alternator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
FIGS. 13 and 14 are perspective views showing modifications of the mounting structure of the control device for a vehicle alternator according to the embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIGS. 8 and 9 indicate the same parts.
本実施形態では、従来のICケース52を流用する事が可能な実装構造である。その理由を以下に説明する。
In this embodiment, the
まず、図13及び図14により、従来品のICケース52との組み立て方法について説明する。従来の構造での水冷方式交流発電機の場合、図18の構造の放熱フィン53を削除した構造となる。つまり、図14に示す様な、ICレギュレータ30bとICケース52と放熱プレート50とを組合せ、リアブラケット71に設けられた支持柱70に固定させ、この支持柱70から放熱させる構成である。
First, an assembling method with the
ICケース52との電気的接続は、図13に示す様に、溶接接合用の溶接パッドをセラミック基板上の両サイドに配置し、溶接パッドはセラミック基板と半田接合で固定され、この溶接パッドとフォーミングしたニッケル線54を溶接し、次にこのニッケル線54の、もう一端をICケース52上の各端子部にセットしICケース52の各端子とニッケル線54を各々溶接接合する事で構成される。この溶接パッドの材質はセラミック基板144の線膨張係数(約6.5ppm)に近づける為に、鉄−ニッケルの合金である42アロイ材を使用していた(42アロイの線膨張係数は約5ppm)。
As shown in FIG. 13, the electrical connection with the
なお、従来品の組立て構造の場合、放熱プレート50とICレギュレータ30bとICケース52は熱伝導性接着剤(図示せず)で固定され、ICレギュレータ30bから発する熱を放熱プレート50から支持柱70経由でセンターブラケット72の内部に循環する冷却水へ伝える構成である為、熱伝導性接着剤を塗布する作業及び加熱硬化する工程が必要であった。
In the conventional assembly structure, the
次に、本実施形態の場合について説明する。本実施形態の場合、セラミック基板144の代わりに、金属基板148を使用し、且つ金属基板148の絶縁層上に形成されるパターンは銅箔であるため、図4の溶接パッド149の材質はニッケル材(線膨張係数が約13ppm)もしくは、ニッケルと鉄の合金であるキプロニッケル材(線膨張係数が約13ppm)を使用する事で銅箔との線膨張係数差を減らし熱サイクル性を向上させる事で、従来構造の様なセラミック基板144を使用する必要がない。
Next, the case of this embodiment will be described. In the present embodiment, the
また、図8に示す様に、金属基板148が放熱プレート50の機能を有する為、熱導電性接着剤が不要なばかりか熱抵抗を低減する事ができき、さらに金属基板148にプレス加工で位置決め用の穴を2箇所設ける事により、ICケース52との位置決めが容易となる。位置決め作業が容易となる為、フォーミングされたニッケル線54を各溶接パッド149に溶接した後、各ニッケル線54のもう一端をICケース52上の各端子部溶接する場合の位置精度を向上させる事ができる為、作業性が良好となる。
Further, as shown in FIG. 8, since the
なお、図9に示す様にICケース52と金属基板148に取り付け穴を設けた電圧制御用ICレギュレータ30を各締結部材73で支持柱70に固定する事により、1チップICレギュレータ14の発熱を金属基板148経由で支持柱70からリアブラケット71を経て冷却水に効率よく放熱する事ができる。
As shown in FIG. 9, the voltage
次に、図15及び図16を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置のパッケージの変形例について説明する。
図15及び図16は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置のパッケージの変形例を示す斜視図である。なお、図6と同一符号は同一部分を示している。
Next, a modification of the package of the control device for a vehicle alternator according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 15 and 16.
FIG.15 and FIG.16 is a perspective view which shows the modification of the package of the control apparatus of the alternating current generator for vehicles by one Embodiment of this invention. The same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same parts.
本実施形態では、樹脂封止パッケージ147としてデュアルインライン方式のパッケージを使用した例を説明したが、図13に示したデュアルインライン方式だけでなく、シングルインライン方式の樹脂封止形パッケージでも同様の効果を得る事ができる。
In the present embodiment, an example in which a dual inline type package is used as the resin sealed
図15は、シングルインライン方式の8ピン仕様の電圧制御用ICレギュレータ30Aの場合の実装例であり、図16はシングルインライン方式の5ピン仕様の電圧制御用ICレギュレータ30Bの場合の実装例で、金属基板148の電気的配線のレイアウトを変更するだけで適用が可能である。
FIG. 15 is an example of mounting in the case of a single-in-line type 8-pin voltage
以上説明したように、本実施形態では簡単な構成でありながら、パワー系と小信号系半導体を1チップの半導体構成とし、汎用性の高い、樹脂封止形パワーパッケ−ジに実装して金属基板に半田接合する事で、各部材間の熱膨張差を緩和し、水冷却用ブラケットに支持柱を介して固定する構造とする事で、1チップICレギュレータの発熱を効率よく冷却できる為、車両用交流発電機として車両のエンジンルーム内の温度変化に強い信頼性の高い製品を少ない部品点数で、安価に構成する事が可能となる。また、金属基板はプレス加工によって、自由に外観の形状を決定する事が可能であり、位置決め形状も簡単で安価に製作が可能である。その為、車両用交流発電機として車両のエンジンルーム内の温度変化に強い信頼性の高い製品を安価に構成する事が可能となる。 As described above, in this embodiment, the power system and the small signal semiconductor have a single-chip semiconductor configuration, and are mounted on a highly versatile resin-sealed power package. By soldering to the board, the thermal expansion difference between each member can be relaxed, and the structure that is fixed to the water cooling bracket via the support pillar can efficiently cool the heat generated by the 1-chip IC regulator. As an AC generator for a vehicle, a highly reliable product that is resistant to temperature changes in the engine room of the vehicle can be configured with a small number of parts and at a low cost. In addition, the shape of the external appearance of the metal substrate can be freely determined by pressing, and the positioning shape is simple and can be manufactured at low cost. As a result, a highly reliable product that is resistant to temperature changes in the engine room of the vehicle can be constructed at low cost as an AC generator for a vehicle.
また、金属基板実装とする事で、1チップICの内部に実装することが適切ではないと考えられる電子部品である、EMI対策用の静電容量又はインダクタ又はサ−ジ吸収用ツエナーダイオード等を金属基板に実装する事が可能となる。 In addition, by mounting on a metal substrate, an electrostatic component for EMI countermeasures or an inductor or surge absorbing Zener diode, which is an electronic component that is considered inappropriate to be mounted inside a one-chip IC, etc. It can be mounted on a metal substrate.
また、現行ICケースを流用可能である為、新規にICケースを制作する為の型代が不要となるばかりか、現行品と同じ取り付けが可能である為、量産効果を得やすく車両用交流発電機として安全性、信頼性を向上させつつ、安価に構成する事が可能となる。 In addition, because the current IC case can be diverted, there is no need for a mold fee for creating a new IC case, and because it can be installed in the same way as the current product, it is easy to obtain mass production effects and AC power generation for vehicles The machine can be configured at low cost while improving safety and reliability.
11…電機子巻線
12…整流器
13…界磁巻線
14…1チップICレギュレータ
16…メインバッテリ
30…電圧制御用ICレギュレータ
50…放熱プレート
52…ICケース
53…放熱フィン
54…ニッケル線
70…支持柱
71…リアブラケット
72…センターブラケット
73…締結部材
74…フロントブラケット
141…パワーMOSトランジスタ
146…ヒートシンク
147…樹脂封止パッケージ
148…金属基板
149…溶接パッド
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記界磁巻線に流れる電流を調整して前記電機子巻線に誘起される電圧を制御する電圧制御用ICレギュレータ部と、該電圧制御用ICレギュレータ部に熱的に接触する金属基板とから構成され、前記ブラケットに前記金属基板が固定される車両用交流発電機の制御装置であって、
前記電圧制御用ICレギュレータ部は、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御するパワー半導体部分と電圧を制御する小信号半導体部分を1つの半導体で形成した1チップ形ICレギュレータであり、
前記1チップ形ICレギュレータは、金属の放熱用ヒートシンクに接合されると共に樹脂封止された樹脂封止形パッケージで構成され、
前記パッケージで構成された前記1チップ形ICレギュレータは、絶縁層を介して電気配線部を設けた前記金属基板に接合され、前記電圧制御用ICレギュレータ部の発熱を前記金属基板から前記ブラケットに放熱させるものであり、
前記電圧制御用ICレギュレータ部、前記金属の放熱用ヒートシンク、及び前記金属基板は、この順で前記冷却液流路が設けられた前記ブラケット上に積層されることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。 A rotor having a field winding wound thereon, a stator having an armature winding wound thereon, a bracket composed of the rotor and a heat conductive member holding the stator, and the bracket Used in an AC generator for a vehicle having a coolant flow path provided inside and having a coolant flow path for flowing the coolant and transmitting heat generated by the armature winding to the outside;
A voltage control IC regulator unit that controls a voltage induced in the armature winding by adjusting a current flowing in the field winding, and a metal substrate that is in thermal contact with the voltage control IC regulator unit A control device for an AC generator for a vehicle configured and having the metal substrate fixed to the bracket,
The voltage control IC regulator unit is a one-chip IC regulator in which a power semiconductor part for controlling a field current flowing in the field winding and a small signal semiconductor part for controlling a voltage are formed of one semiconductor,
The one-chip IC regulator is composed of a resin-sealed package bonded to a metal heat sink and sealed with resin,
The one-chip IC regulator constituted by the package is bonded to the metal substrate provided with an electric wiring part through an insulating layer, and heat generated in the voltage control IC regulator part is radiated from the metal substrate to the bracket. It is what
The vehicle AC generator, wherein the voltage control IC regulator section, the metal heat dissipation heat sink, and the metal substrate are stacked in this order on the bracket provided with the coolant flow path. Control device.
前記ブラケット端面に設けられた支持柱を備え、
前記支持柱は、前記ブラケットの端面からの凸形状で構成され、
前記金属基板は、前記支持柱に接触させた状態で固定しており、
前記金属基板は、良熱伝導金属材料で構成されていることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。 The control apparatus for an AC generator for a vehicle according to claim 1,
Comprising a support post provided on the end face of the bracket;
The support column is configured with a convex shape from an end surface of the bracket,
The metal substrate is fixed in contact with the support pillar,
The control apparatus for an AC generator for a vehicle, wherein the metal substrate is made of a heat-conductive metal material.
前記金属基板は、前記支持柱に固定する為の位置決め穴を有することを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。 The control device for an AC generator for a vehicle according to claim 2,
The control apparatus for an AC generator for vehicles, wherein the metal substrate has a positioning hole for fixing to the support pillar.
前記電圧制御用ICレギュレータ部は、外部の電源と前記界磁巻線とに接続されるICケースに装着され、
前記電圧制御用ICレギュレータ部の中継リードは、ニッケルもしくはニッケル−鉄合金製の溶接パッドを介して前記金属基板に接続され、
前記締結部材によって前記ICケースと前記金属基板を一体的に前記支持柱へ固定することを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。 The control device for an AC generator for a vehicle according to claim 2,
The voltage control IC regulator unit is attached to an IC case connected to an external power source and the field winding,
The relay lead of the voltage control IC regulator part is connected to the metal substrate via a nickel or nickel-iron alloy welding pad,
A control apparatus for an AC generator for vehicles, wherein the IC case and the metal substrate are integrally fixed to the support column by the fastening member.
前記金属基板上には、ノイズ吸収用としての静電容量又はツエナーダイオードが接続され、
前記静電容量又は前記ツエナーダイオードは、前記電圧制御用ICレギュレータ部の車両の制御装置との電気信号を授受する端子とGND間に接続されることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。 The control apparatus for an AC generator for a vehicle according to claim 1,
On the metal substrate, a capacitance for absorbing noise or a Zener diode is connected,
The control device for an AC generator for vehicles, wherein the capacitance or the Zener diode is connected between a terminal for transmitting and receiving an electric signal with the vehicle control device of the voltage control IC regulator section and GND. .
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