(57)【要約】【課題】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回転電機を提供すること。【解決手段】ロードダンプ保護判定部１４０は、出力電圧を監視し、出力電圧が第１のしきい値電圧Ｖ１を超えたときに、下アームを構成するＭＯＳトランジスタ５１をオンする指示を制御部１００に対して行い、第１のしきい値電圧Ｖ１を超えた後に出力電圧が第１のしきい値電圧Ｖ１よりも低い第２のしきい値電圧Ｖ２よりも低くなったときに、ＭＯＳトランジスタ５１のドレイン電圧が所定電圧を下回るタイミングと上回るタイミングの中間のタイミングをサージ電圧の発生の抑制に適したタイミングとし、このタイミングの到来を待って、ＭＯＳトランジスタ５１をオフする指示を制御部１００に対して行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２相以上の相巻線を有する電機子巻線（２、３）と、
ダイオードが並列接続されたスイッチング素子（５１）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（５、６）と、
前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部（１００）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の電機子巻線側電圧が所定電圧を下回るタイミングと上回るタイミングの中間のタイミングをサージ電圧の発生の抑制に適したタイミングとし、このタイミングの到来を待って、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（１４０、１４６、１４８、１４９）と、
を備えることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記ロードダンプ保護判定部は、前記スイッチング素子の電機子巻線側電圧が０Ｖ以上に設定された前記所定電圧を下回ったタイミングから上回ったタイミングまでの所要期間の１／２が、前記電機子巻線側電圧が下回った後に経過したタイミングで、前記スイッチング素子がオフになるように前記制御部に対して指示を行うことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項３】
請求項１または２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トランジスタのドレイン電圧が前記所定電圧を下回ったタイミングから上回るタイミングまでの所要時間の１／２の時間から所定時間を引いたタイミングで、前記ＭＯＳトランジスタがオフになるように前記制御部に対して指示を行うことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項４】
請求項３において、
前記所定時間は、前記ロードダンプ保護判定部が前記制御部に前記ＭＯＳトランジスタをオフする指示を行ってから前記ＭＯＳトランジスタがオフするまでの遅れ時間に相当する値であることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記ロードダンプ保護判定部（１４９）は、前記電機子巻線側電圧が０Ｖ以下である場合であっても、前記サージ電圧の発生の抑制に適したタイミングとして設定することを特徴とする車両用回転電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記ロードダンプ保護判定部（１４８）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、サージ電圧の発生の抑制に適したタイミングで、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回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の整流器モジュールのそれぞれにロードダンプ保護判定部を有し、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のＭＯＳトランジスタをオンし、その後出力電圧が第２のしきい値電圧よりも低くなったときに、サージ電圧の発生抑制に適したタイミングでＭＯＳトランジスタをオフする車両用発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、この車両用発電機は、出力電圧が第２のしきい値電圧よりも低くなったときに、サージ電圧の発生抑制に適したタイミングを検出できなかった場合には、所定時間後にＭＯＳトランジスタをオフする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２９３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示された車両用発電機では、電機子巻線の三相出力の一相のみが下アームのＭＯＳトランジスタをオンしている場合には、相間の起電圧が出力電圧ＶB 以下になると、このＭＯＳトランジスタのソースに印加される交流電圧が最低値になっても相電流が流れることはない。このため、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン間に接続されている寄生ダイオードは逆バイアスの電圧になり、ドレイン電圧が０Ｖ以下になることがなかった。この結果、相間の起電圧が出力電圧ＶB に近い電圧であっても、サージ電圧の発生抑制に適したタイミングを検出できなくなり、所定時間後にＭＯＳトランジスタをオフするタイミングによってはサージ電圧が発生してしまうという問題があった。なお、ドレイン電圧検出のしきい値を０Ｖよりも高い値に設定した場合であっても、回路誤差でこの設定したしきい値が実際には０Ｖ以下にずれることが考えられる。このような場合にも、上述した相間の起電力が出力電圧以下になると、サージ電圧の発生抑制に適したタイミングが検出できなくなる。
【０００５】
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回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、電機子巻線、スイッチング部、制御部、ロードダンプ保護判定部を備える。電機子巻線は、２相以上の相巻線を有する。スイッチング部は、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。制御部は、スイッチング素子のオンオフを制御する。ロードダンプ保護判定部は、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の電機子巻線側電圧が所定電圧を下回るタイミングと上回るタイミングの中間のタイミングをサージ電圧の発生の抑制に適したタイミングとし、このタイミングの到来を待って、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。
【０００７】
これにより、相間の起電圧が出力電圧よりも小さくなった場合や、スイッチング素子の電機子巻線側電圧が０Ｖ以下になったことを検出する検出手段の精度が悪化して電機子巻線に電流を引き込むタイミングになっても０Ｖ以下になったことが検出できない場合であっても、サージ電圧の発生の抑制に適したタイミングを検出することが可能になる。したがって、ロードダンプ保護動作を解除する際に大きなサージ電圧が発生することを防止して、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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。
【図２】界磁制御部の詳細構成を示す図である。
【図３】整流器モジュールの構成を示す図である。
【図４】制御回路の詳細構成を示す図である。
【図５】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６】車両用発電機の相電圧を示す図である。
【図７】ロードダンプ保護判定部の構成を示す図である。
【図８】出力電圧ＶB 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。
【図９】ソース・ドレイン間電圧Ｖds’と参照電圧Ｖref’との関係を示す図である。
【図１０】中間タイミング検出の概要を示す図である。
【図１１】中間タイミングを用いた整流再開動作の説明図である。
【図１２】中間タイミング検出の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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（電機子巻線）２、３、界磁巻線４、２つの整流器モジュール群５、６、界磁制御部７、ツェナーダイオード２０、ダイオード２２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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。界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。
【００１２】
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。
【００１３】
他方の整流器モジュール群６は、他方の固定子巻線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。
【００１４】
界磁制御部７は、Ｆ端子を介して接続された界磁巻線４に流す界磁電流を整流器モジュール群５、６の出力電圧に応じて制御しており、界磁電流を調整することにより車両用発電機１の出力電圧（各整流器モジュールの出力電圧）ＶB が調整電圧Ｖreg になるように制御する。例えば、界磁制御部７は、出力電圧ＶB  が調整電圧Ｖreg よりも高くなったときに界磁巻線４への界磁電流の供給を停止し、出力電圧ＶB が調整電圧Ｖreg よりも低くなったときに界磁巻線４に界磁電流の供給を行うことにより、出力電圧ＶB が調整電圧Ｖreg になるように制御する。また、界磁制御部７は、Ｐ端子に印加される固定子巻線のいずれかの相電圧（例えばＸ相）に基づいて回転子の回転数を検出し、回転停止を検出したときに界磁巻線４へ供給する界磁電流を低減する。具体的には、初期励磁状態に対応した値（例えば２Ａ前後の値）に設定される。さらに、界磁制御部７は、通信端子Ｌ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。
【００１５】
ツェナーダイオード２０は、２つの整流器モジュール群５、６の出力に並列接続されている。具体的には、車両用発電機１の出力端子側がカソード、アース側がアノードとなるようにツェナーダイオード２０が配置されている。また、このツェナーダイオード２０には、車両用発電機１の出力側にバッテリ９が逆接続されたときに流れる電流を阻止する電流制限素子としてのダイオード２２が直列に接続されている。電流を阻止する向きとは、ダイオード２２のアノード側が車両用発電機１の出力端子側となるような向きである。なお、図１では、ダイオード２２が車両用発電機１の出力端子側に配置されているが、ツェナーダイオード２０を車両用発電機１の出力端子側に配置してもよい。また、上述したツェナーダイオード２０は、スイッチング素子の耐圧や界磁制御部７の耐圧よりも低いツェナー電圧を有している。
【００１６】
図２に示すように、界磁制御部７は、ＭＯＳトランジスタ７１、還流ダイオード７２、抵抗７３、７４、電圧比較回路７５、界磁電流制御回路７６、回転検出回路７７、通信回路７８、電源回路７９、コンデンサ８０を有している。通信回路７８は、ＥＣＵ８との間でシリアル通信を行う。これにより、ＥＣＵ８から送られてくる調整電圧Ｖreg 等のデータを受信することができる。
【００１７】
抵抗７３、７４は、分圧回路を構成し、車両用発電機１の発電電圧（出力電圧）を分圧した電圧を電圧比較回路７５に入力する。電圧比較回路７５は、抵抗７３、７４で分圧された発電電圧と、通信回路７８によって受信した調整電圧Ｖreg に対応する基準電圧とを比較する。例えば、比較結果として、基準電圧の方が発電電圧よりも高い場合にはハイレベルの信号が出力され、反対に発電電圧の方が基準電圧よりも高い場合にはローレベルの信号が出力される。
【００１８】
界磁電流制御回路７６は、電圧比較回路７５の出力（電圧比較結果）に基づいて決定した駆動デューティを有するＰＷＭ信号でＭＯＳトランジスタ７１をオンオフ制御する。なお、出力電流の急激な変動を抑えるために、界磁電流を徐々に変化させる徐励制御等を界磁電流制御回路７６によって行うようにしてもよい。
【００１９】
回転検出回路７７は、Ｐ端子を介して一方の固定子巻線２のＸ相巻線が接続されており、Ｘ相巻線の端部に現れる相電圧ＶP に基づいて、具体的には、相電圧と回転検出用の基準電圧の大小関係が周期的に変化することを検出して回転検出を行っている。整流器モジュール５Ｘや固定子巻線２などに短絡故障が発生していない正常時には、発電時にＰ端子には所定の振幅を有する相電圧ＶP が現れるため、この相電圧ＶP に基づく回転検出が可能となる。
【００２０】
界磁電流制御回路７６は、回転検出回路７７による回転検出結果が入力されており、回転検出中は発電動作に必要な界磁電流を界磁巻線４に供給するために必要なＰＷＭ信号を出力するが、所定時間（あるいは周期）以上回転停止（回転検出不能）状態が継続すると、界磁電流を初期励磁状態に対応した値にするために必要なＰＷＭ信号を出力する。
【００２１】
電源回路７９は、界磁制御部７に含まれる各回路に動作電圧を供給する。コンデンサ８０は、整流器モジュール群５、６の出力端子から侵入するノイズを除去するためのものであり、例えば１μＦ程度の容量を有している。
【００２２】
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。整流器モジュール５Ｘと他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは同じ構成を有している。以下では、整流器モジュール５Ｘについて詳細を説明する。図３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。
【００２３】
図４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。
【００２４】
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、界磁制御部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。
【００２５】
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。
【００２６】
バッテリ電圧検出部１１０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。
【００２７】
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３、図４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。
【００２８】
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３、図４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。
【００２９】
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）を超えたとき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）を下回ったときに保護動作を停止する指示（保護停止指示）を行う。制御部１００は、ロードダンプ保護判定部１４０による保護開始／保護停止指示等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。
【００３０】
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。
【００３１】
通信回路１８０は、界磁制御部７の通信回路７８と同様の通信手段であって、界磁制御部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。
【００３２】
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。
【００３３】
図５に示す遷移状態図において、「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６において、（Ａ）には通常時における相電圧が、（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。
【００３４】
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６（Ａ））。
【００３５】
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６（Ｂ））。このときの相電圧ＶLD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等や界磁制御部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５）。
【００３６】
具体的には、相電圧が第１のしきい値電圧Ｖ１を超えたときに「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。また、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すると、第１のしきい値電圧が例えば２０Ｖに設定されている。この第１のしきい値電圧Ｖ１は、電気負荷１０が故障等の異常を生じない値に設定されており、一時的に出力電圧が第１のしきい値電圧まで上昇しても、電気負荷１０は正常動作を維持することができる。
【００３７】
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６（Ｂ）にＶｐで示すように、−αから＋α（−０．１Ｖから＋０．１Ｖ）の範囲を推移するようになる。
【００３８】
ところで、図６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遮断されるため、大きなサージ電圧が発生する。
【００３９】
また、図６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。
【００４０】
このように、図６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６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。
【００４１】
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第２のしきい値電圧を下回ったときに「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。
【００４２】
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６（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遮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６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。
【００４３】
また、保護動作中に流れる相電流が少ない場合（保護動作に入る直前の励磁電流が少ない場合や回転数が低い場合）には、図６（Ｂ）に示したような相電圧Ｖｐが現れにくくなり、相電圧Ｖｐによる復帰タイミングの判定を行うことが難しくなる。本実施形態では、このような場合には強制的に保護動作を解除するようにしている。強制的な保護動作解除の詳細については後述する。
【００４４】
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７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、ＭＯＳ電圧Ｖａ検出部１４５、中間タイミング検出部１４６、オア回路１４７、タイミング判定部１４８、１４９を備えている。
【００４５】
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。
【００４６】
図８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８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（例えば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Ｖ１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（例えば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。
【００４７】
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３、図４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。
【００４８】
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６においてＡあるいはＢで示す範囲に対応する相電圧ＶLD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ＶLD、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ＶLDが図６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。
【００４９】
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・ドレイン間電圧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。
【００５０】
図９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・ドレイン間電圧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・ドレイン間電圧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９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・ドレイン間電圧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。例えば、参照電圧Ｖref’＝２．５Ｖ（Ｖds＝０Ｖ）に設定されている。
【００５１】
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’ 以下の場合（ソース・ドレイン間電圧Ｖdsが０Ｖ以下の場合）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。なお、通電方向検出部１４４は、出力をハイレベルにするタイミングを所定期間遅らせるようにしてもよい。一般に、整流器モジュール５Ｘ等の回路のＬＣ成分により、検出したソース・ドレイン間電圧Ｖdsと実際にソース・ドレイン間に流れる電流との間には位相のずれが生じることがある。具体的には、ソース・ドレイン間電圧が０Ｖでも電流は０Ａ以上である場合がある。このような場合を考慮して、ハイレベルに変化するタイミングを所定期間遅らせるようにしてもよい。所定期間としては、例えば相巻線の誘起電圧（相電圧）の周期の１／４に対応する期間が用いられる。
【００５２】
一方のタイミング判定部１４８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 が第１のしきい値電圧Ｖ１よりも高くなり、かつ、図６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１４８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。
【００５３】
他方のタイミング判定部１４９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第１のしきい値電圧Ｖ１を超えた出力電圧ＶB が再び第２のしきい値電圧Ｖ２よりも低くなり、かつ、図６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１４９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。
【００５４】
なお、通電方向検出部１４４の出力がハイレベルに変化するタイミングを所定期間遅らせる場合とは、図６においてＣで示す範囲の中央近傍に対応するタイミングをねらう意図である。この点については、２つのタイミング判定部１４８、１４９の両方に当てはまるものである。ハイレベルに変化するタイミングを所定期間遅らせる機能をタイミング判定部１４８、１４９の少なくとも一方にもたせ、これらにおいてこのタイミングの変更を行うようにしてもよい。
【００５５】
ところで、図６（Ｂ）や図９に示す例では、ＭＯＳトランジスタ５１がオンされている場合のソース・ドレイン間電圧Ｖdsが−０．１Ｖ〜＋０．１Ｖの範囲で変化するものとしたが、相電流（ソース・ドレイン間電流）が少ない場合にはソース・ドレイン間電圧Ｖdsが小さくなって、復帰準備時にソース・ドレイン間電圧Ｖds’が参照電圧Ｖref’より低くならないことがある。すると、通電方向検出部１４４の出力がハイレベルに変化せず、タイミング判定部１４９の出力もローレベルを維持することになり、整流再開指示が出されなくなる。このような場合を想定して、本実施形態では、ＭＯＳ電圧Ｖａ検出部１４５、中間タイミング検出部１４６、オア回路１４７が設けられている。
【００５６】
ＭＯＳ電圧Ｖａ検出部１４５は、ロードダンプ保護動作中にローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１の電機子巻線側電圧であるドレイン電圧ＶD が０Ｖ以上の所定電圧Ｖａを下回るタイミングと上回るタイミングの両方を検出する。中間タイミング検出部１４６は、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１の電機子巻線側電圧であるドレイン電圧ＶD が所定電圧Ｖａを下回ったタイミングから次に上回ったタイミングまでの所要時間Ｔａを算出するとともに、ドレイン電圧ＶD が所定電圧Ｖａを下回った後にＴａ／２の時間が経過した時点を中間タイミングとして検出し、この中間タイミングが到来したときに出力をローレベルからハイレベルに変化させる。
【００５７】
図１０に示すように、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のドレイン電圧ＶD は、０Ｖを中心に上下に変化している。中間タイミング検出部１４６は、このドレイン電圧ＶD が所定電圧Ｖａを下回ったタイミングｔ１から次に上回ったタイミングｔ２までの所要時間Ｔａを算出し、次にドレイン電圧ＶD が所定電圧Ｖａを下回ったタイミングｔ３からＴａ／２の時間が経過した時点を中間タイミングｔｍとして検出する。なお、この例では、中間タイミングｔｍを検出するために、１周期前の所要時間Ｔａを用いたが、２周期あるいはそれ以上前の所要時間Ｔａを用いるようにしてもよい。
【００５８】
オア回路１４７は、２つの入力端子を有しており、少なくとも一方の入力端子にハイレベルの信号が入力されたときに出力をハイレベルにする。一方の入力端子には通電方向検出部１４４の出力が入力される。また、他方の入力端子には中間タイミング検出部１４６の出力が入力される。したがって、相電圧ＶLDが図６においてＣに示す範囲に入って通電方向検出部１４４の出力がローレベルからハイレベルに変化したとき、あるいは、中間タイミングｔｍが検出されて中間タイミング検出部１４６の出力がローレベルからハイレベルに変化したときに、オア回路１４７の出力がハイレベルとなる。このオア回路１４７の出力は、タイミング判定部１４８、１４９に入力される。
【００５９】
すなわち、オア回路１４７の出力が入力されるタイミング判定部１４９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らなくても、中間タイミングｔｍが到来して中間タイミング検出部１４６の出力がハイレベルになると、整流再開指示を出力する。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（図１１）。以後、制御部１００は、同期整流の制御動作を再開する。
【００６０】
このように、本実施形態の車両用発電機１では、ロードダンプ保護動作中に出力電圧ＶB が第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（ＭＯＳトランジスタ５１）の固定子巻線側電圧（ドレイン電圧ＶD ）が所定電圧Ｖａを下回るタイミングと上回るタイミングの中間のタイミングをサージ電圧の発生の抑制に適したタイミングとし、このタイミングの到来を待って、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１００に対して行っている。これにより、相間の起電圧が出力電圧よりも小さくなった場合や、スイッチング素子の固定子巻線側電圧が０Ｖ以下になったことを検出する検出手段（ＭＯＳ電圧検出部１４３）の精度が悪化して固定子巻線に電流を引き込むタイミングになっても０Ｖ以下になったことが検出できない場合であっても、サージ電圧の発生の抑制に適したタイミングを検出することが可能になる。したがって、ロードダンプ保護動作を解除する際に大きなサージ電圧が発生することを防止して、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。
【００６１】
特に、ロードダンプ保護判定部１４０は、スイッチング素子の固定子巻線側電圧が０Ｖ以上に設定された所定電圧Ｖａを下回ったタイミングから上回ったタイミングまでの所要期間Ｔａの１／２が、固定子巻線側電圧が下回った後に経過したタイミングで、スイッチング素子がオフになるように制御部１００に対して指示を行っている。これにより、スイッチング素子をオフした場合のサージ電圧の発生を最も小さく抑制することができるタイミングでサージ保護動作を終わらせることができる。
【００６２】
また、ロードダンプ保護判定部１４０内のタイミング判定部１４９は、固定子巻線側電圧（ＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧Ｖds）が０Ｖ以下になるタイミングをサージ電圧の発生の抑制に適したタイミングとして設定している。これにより、起電圧が十分発生している場合や、スイッチング素子の電機子巻線側電圧が０Ｖ以下になったことを精度よく検出することができる場合には、確実にサージ電圧の発生を抑制することができるタイミングでスイッチング素子をオフすることができる。
【００６３】
また、ロードダンプ保護判定部１４０内のタイミング判定部１４８は、出力電圧ＶB が第１のしきい値電圧Ｖ１を超えたことを検出した後、サージ電圧の発生の抑制に適したタイミングで、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１００に対して行っている。これにより、ロードダンプ保護動作の開始時についてもサージ電圧の発生を抑制することが可能となる。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、上述した実施形態では、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ようにしたが、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。
【００６８】
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。
【００６９】
また、上述した実施形態では、界磁制御部７の外部に、ツェナーダイオード２０、ダイオード２２を設けたが、これら（あるいは一部）を界磁制御部７内に設けるようにしてもよい。これにより、ツェナーダイオード２０やダイオード２２を単体部品として車両用発電機１に実装する必要がなくなるため構成の簡略化が可能となる。また、コンデンサ８０を界磁制御部７内に設けたが、界磁制御部７の外部に設けるようにしてもよい。
【００７０】
また、上述した実施形態では、ＭＯＳトランジスタ５１のドレイン電圧ＶD が所定電圧Ｖａを下回ったタイミングから上回るタイミングまでの所要時間Ｔａの１／２の時間が、次に所定電圧Ｖａを下回るタイミングから経過したタイミングｔｍを、サージ電圧の発生を抑制することができるタイミングとしたが、この経過時間（Ｔａ／２）の代わりにＴａ／２から所定時間αを引いた経過時間（図１２に示したＴａ／２−α）を用いるようにしてもよい。これにより、スイッチング素子としてＭＯＳトランジスタ５１を用いた場合にサージ電圧の発生を抑制するタイミングでサージ保護動作を終わらせることができる。
【００７１】
特に、この場合の所定時間αとしては、ロードダンプ保護判定部１４０が制御部１００にＭＯＳトランジスタ５１をオフする指示を行ってからＭＯＳトランジスタ５１がオフするまでの遅れ時間に相当する値を用いることが望ましい。これにより、スイッチング素子としてＭＯＳトランジスタ５１を用いた場合にサージ電圧の発生を最も小さく抑制することができるタイミングでＭＯＳトランジスタ５１をオフしてサージ保護動作を終わらせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
上述したように、本発明によれば、相間の起電圧が出力電圧よりも小さくなった場合や、スイッチング素子の電機子巻線側電圧が０Ｖ以下になったことを検出する検出手段の精度が悪化して電機子巻線に電流を引き込むタイミングになっても０Ｖ以下になったことが検出できない場合であっても、サージ電圧の発生の抑制に適したタイミングを検出することが可能になる。したがって、ロードダンプ保護動作を解除する際に大きなサージ電圧が発生することを防止して、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。
【符号の説明】
【００７３】
２、３  固定子巻線
５、６  整流器モジュール群
５１  ＭＯＳトランジスタ
１００  制御部
１４０  ロードダンプ保護判定部
１４６  中間タイミング検出部
１４８、１４９  タイミング判定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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