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Dokumentenidentifikation DE10138977B4 23.03.2006
Titel Steuerschaltung für einen Dreiphasengenerator
Anmelder Delphi Technologies, Inc., Troy, Mich., US
Erfinder Ely, Jeffrey A., Kokomo, Ind., US;
Lybbert, Justin B., Fishers, Ind., US;
Sriram, Tillasthanam V., Carmel, Ind., US;
Mc Mullen, Steven R., Anderson, Ind., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 08.08.2001
DE-Aktenzeichen 10138977
Offenlegungstag 28.02.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse H02P 9/48(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Dreiphasen-Synchrongenerator, insbesondere für einen Kraftfahrzeugmotor, mit obere und untere gleichphasige Wicklungen in Sternschaltung umfassenden, mittels steuerbarer Halbleiterschalter für Serien/Parallel-Modus umschaltbaren Dualwicklungen, denen ein oberer und ein unterer Brückengleichrichter nachgeschaltet ist, die gleichspannungsseitig parallel liegen, wobei die Halbleiterschalter im Parallelmodus gesperrt sind. Sie betrifft ferner eine Steuerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 2 angegebenen Art. Eine derartige Steuerschaltung ist beispielsweise in der DE 32 27 602 C2 beschrieben.

Elektrische Generatoren vom Lundell-Typ sind in der Automobilindustrie seit langem in Gebrauch, um elektrische Leistung für Kraftfahrzeuge und Lastkraftwagen bereitzustellen. Der heutige typische Kraftfahrzeuggenerator ist ein selbsterregter synchroner Dreiphasengenerator vom Lundell-Typ. Diese Generatoren weisen intern parallele Sätze von Dreiphasenwicklungen auf. Aufgrund der Kundenforderung nach Komfort und Zweckmäßigkeit und komplexer Steuersysteme, die erforderlich sind, um staatliche Vorschriften zu erfüllen, sind im Laufe der Jahre elektrische Anforderungen an moderne Kraftfahrzeuge wesentlich gestiegen.

Diese Generatoren müssen sowohl bei hohen als auch niedrigen Motordrehzahlen ausreichenden Strom bereitstellen. Der Strom, den ein solcher Generator bei einem mit sehr hohen Drehzahlen laufenden Motor erzeugen kann, ist durch die Anzahl von Wicklungswindungen in den Spulen begrenzt. Damit ein Generator einen hohen Strompegel bei sehr hohen Motordrehzahlen erzeugt, muss seine Spule nur wenige Wicklungswindungen aufweisen. Die Spule muss jedoch eine größere Anzahl Wicklungswindungen aufweisen, um bei niedrigen Motordrehzahlen ausreichend Strom zu erzeugen.

Um Generatoren für Motorfahrzeuge zu entwerfen, die imstande sind, hohe Strompegel bei hohen Motordrehzahlen zu erzeugen, aber noch imstande sind, bei niedrigen Motordrehzahlen ausreichend hohe Strompegel zu erzeugen, kann die Spule in zwei Wicklungen geteilt werden, die bei niedrigen Motordrehzahlen in Reihe und bei höheren Motordrehzahlen parallel geschaltet werden. Der Stand der Technik lehrt die Verwendung von Thyristoren enthaltenden Schaltungen wie z.B. siliziumgesteuerte Gleichrichter ("SCRs"), um zu ermöglichen, dass die Wicklungen des Generators arbeiten, als ob sie in Reihe oder parallel geschaltet wären (siehe die Druckschrift DE 32 27 602 C2). Thyristorschaltungen ermöglichen, dass die Wicklungen bei niedrigeren Drehzahlen in Reihe und bei höheren Drehzahlen parallel arbeiten.

Thyristorschaltungen weisen jedoch ihre eigenen Nachteile auf. Zunächst sind Thyristoren im Betrieb auf Temperaturen von bis zu 125°C beschränkt, und typischerweise arbeiten sie nicht bei höheren Temperaturen ohne wesentliche Verminderung (derating) ihrer Betriebsgrenzen. Zweitens lassen Thyristoren zu, dass Strom in der Schaltung in nur eine Richtung fließt, und gestatten somit nicht die Steuerung einer Überspannung, da sie nicht als mögliche bidirektionale Umgehungsvorrichtungen genutzt werden können, um Systemüberspannungen zu begrenzen, die aufgrund plötzlicher Laständerungen auftreten können. Drittens sind Thyristorschaltungen weniger effizient als andere Arten von Schaltungen wie z.B. MOSFET-Schaltungen, wenn sie in Reihenschaltung arbeiten. Viertens sind Thyristoren stromgesteuert und erfordern mehr Leistung zur Steuerung als spannungsgesteuerte Vorrichtungen wie z.B. MOSFETs.

Ein Wechselstromgenerator mit einer Steuerschaltung der eingangs genannten Art ist in der DE 32 27 602 C2 beschrieben. Bei diesem bekannten Wechselstromgenerator werden zur Serien/Parallel-Umschaltung vorzugsweise Thyristoren eingesetzt. MOS-Transistoren werden zwar erwähnt, entsprechende Halbleiterschalter werden jedoch als zu kompliziert und aufwändig angesehen.

In der DE 197 33 208 C1 ist eine Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine beschrieben, bei der eine Serien/Parallel-Umschaltung über Thyristoren erfolgt. Wie bereits erwähnt, besitzen solche Thyristoren nun aber unter anderem den Nachteil, dass sie lediglich in einer Richtung Strom führen können, so dass eine entsprechende Begrenzung von Überspannungen in der Regel nicht möglich ist. Dasselbe gilt auch für den Fall des als Alternative in Betracht gezogenen Einsatzes von Dioden, die überdies für den betreffenden Schaltungsteil einen andauernden Serien-Modus bedeuten. Zumindest für diesen Schaltungsteil ist dann also keine Serien/Parallel-Umschaltung mehr möglich.

Bei einem aus der DE 23 52 227 A1 bekannten Wechselstromgenerator werden entweder mechanische Schalter oder wieder Thyristoren oder Transduktoren angesetzt.

Der Erfindung liegt im die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steuerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei plötzlich auftretenden Laständerungen eine Überspannung an den Anschlussklemmen verhindert wird.

Ausgehend von einer Steuerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeweilige untere Wicklungen von zwei der drei Phasen mit der jeweiligen oberen Wicklung der dritten Phase durch drei MOSFETs gleichen Typs mit parasitären Dioden sternförmig verbunden sind, wobei die mit den jeweiligen unteren Wicklungen verbundenen MOSFETs gegensätzlich gepolt sind zu den mit den jeweiligen oberen Wicklungen verbundenen MOSFETs, dass die mit den jeweiligen oberen Wicklungen verbundenen MOSFETs im Serienmodus durchgeschaltet sind, und dass alle MOSFETs bei überhöhter Gleichspannung synchron derart angesteuert werden, dass ein Stromfluss in beiden Richtungen möglichst ist.

Die Steuerschaltung kann also drei Teilschaltungen umfassen, von denen eine erste zwei oder mehr MOSFETs nutzt, die zwischen die oberen und unteren Wicklungen des Generators geschaltet sind, um zu gestatten, dass die Wicklungen in Reihe oder parallel arbeiten. Die anderen beiden Teilschaltungen sind Gate-Steuerschaltungen, die den Betrieb der MOS-FETs steuern. Eine Teilschaltung gibt in Abhängigkeit von Drehzahl und Last vor, wann die Wicklungen in Reihe oder parallel arbeiten. Die andere Teilschaltung liefert eine Überspannungssteuerung, indem die MOSFETs als Dioden nur im Normalmodus betrieben werden, aber ein bidirektionaler Stromfluss gestattet wird, um eine aus plötzlichen Laständerungen resultierende Überspannung zu verhindern.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist bei einem Dreiphasengenerator mit Dualwicklungen anwendbar. Daher gibt es drei Sätze Wicklungen, wobei die Sätze typischerweise Phase A, Phase B und Phase C genannt werden. Außerdem hat jeder Satz Wicklungen eine untere Wicklung und obere Wicklung. Folglich gibt es in der Schaltung eine untere Wicklung und obere Wicklung, die der Phase A, Phase B und Phase C entsprechen.

Eine alternative erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe, die von einer Steuerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 2 angegebenen Art ausgeht, zeichnet sich dadurch aus, dass die Halbleiterschalter aus der Reihenschaltung zweier gegensätzlich gepolter MOSFETs gleichen Typs mit parasitären Dioden bestehen, dass die Halbleiterschalter im Serienmodus derart angesteuert werden, dass sie jeweils als Diode wirken, und dass die Halbleiterschalter bei überhöhter Gleichspannung synchron derart angesteuert werden, dass sie für beide Stromrichtungen durchlässig sind.

Die entsprechenden unteren und oberen Wicklungen können also z.B. auch in Bezug aufeinander 180 Grad außer Phase und beispielsweise durch einen Halbleiterschalter miteinander verbunden sein, der aus zwei MOSFETs besteht insbesondere vom P- oder N-Kanaltyp, deren Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Der Gate-Anschluss eines MOSFET wird durch eine Gate-Steuerschaltung gesteuert, die die Wicklungen in Reihe oder parallel betreibt. Der Gate-Anschluss des anderen MOSFET wird durch eine Gate-Steuerschaltung gesteuert, die gestattet, dass Strom unter Bedingungen übermäßiger Gleichspannung in beiden Richtungen fließt, während gleichzeitig für einen Betrieb in Reihenschaltung, dem normalen Betriebsmodus, ein Stromfluss in nur einer Richtung (nur vom Source- zum Drain-Anschluss) gestattet wird.

Demgegenüber können bei einer jeweiligen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die entsprechenden unteren und oberen Wicklungen in Bezug aufeinander in Phase sind, die unteren Wicklungen zweier Phasen durch drei MOSFETs mit der der dritten Phase entsprechenden oberen Wicklung verbunden sein. Jeder der drei MOSFETs ist mit dem Drain-Anschluss der anderen beiden MOSFETs verbunden. Der Gate-Anschluss eines MOSFET wird durch eine Gate-Steuerschaltung gesteuert, die die Wicklungen in Reihe oder parallel betreibt. Die Gate-Anschlüsse der anderen beiden MOSFETs werden durch Gate-Steuerschaltungen gesteuert, die gestatten, dass unter Bedingungen übermäßiger Gleichspannung Strom in beiden Richtungen fließt, während im normalen Betriebsmodus einer Reihenschaltung ein diodenartiges Verhalten (unidirektionaler Stromfluss) gestattet wird.

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 ein Schaltungsdiagramm einer durch drei Thyristoren verbundenen herkömmlichen Dreiphasenschaltung nach dem Stand der Technik ist;

2 eine schematische Zeichnung des Diagramms der vorliegenden Erfindung ist, die den Betrieb von zwei MOSFETs in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

3 ein detailliertes Schaltungsdiagramm ist, das die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgenommen die Gate-Steuerschaltungen zeigt; und

4A ein Schaltungsdiagramm ist, das eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in der die beiden Thyristoren durch drei MOSFETs ersetzt sind; und

4B ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung nach dem Stand der Technik ist, der 4A äquivalent ist.

Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine herkömmliche Dreiphasenschaltung. In 1 sind entsprechende untere und obere Wicklungen 2 und 4 durch Thyristoren 6, 8 und 10 miteinander verbunden. Die oberen und unteren Wicklungen sind in Bezug aufeinander um 180 Grad außer Phase. Wenn sie kontinuierlich gepulst werden, arbeiten die Thyristoren als Dioden, und die Wicklungen arbeiten in Reihe. Wenn die Thyristoren nicht gepulst werden, arbeiten die Wicklungen parallel. Diodenbrücken 12 und 14 richten die Wechselstromsignale gleich, um eine Gleichstromabgabe zu erzeugen.

2 zeigt ein schematisches Diagramm der Steuerschaltung der vorliegenden Erfindung. Wie man erkennen kann, umfaßt sie zwei MOSFETs 16 und 18 (die mit ihrer jeweiligen Körperdiode (body diode) dargestellt sind), welche die Schaltung in Reihe oder parallel betreiben, um einen Stromfluß in beide Richtungen der Schaltung zu erlauben. In 2 sind zwei N-Kanal-MOSFETs 16, 18 durch ihre Source-Anschlüsse (20) miteinander verbunden, obgleich sie auch durch ihre Drain-Anschlüsse verbunden sein können. Eine Steuerung der Gates der MOSFETs 22 und 24 wird von zwei Gate-Steuerschaltungen 23 und 25 durchgeführt. Diese Steuerung bestimmt, ob die Schaltung im Reihen- oder Parallel-Modus arbeitet, und ermöglicht, dass die MOSFETs Strom in beide Richtungen leiten. Die erste Gate-Steuerschaltung 23 steuert das Gate 22 des MOSFET 16, so dass es nur AN ist, wenn der Stromfluß durch ihn von der Source zum Drain erfolgt. Folglich wird ein Stromfluß in der Verbundvorrichtung normalerweise nur in der Richtung des Pfeils gestattet. Die zweite Gate-Steuerschaltung 25 steuert das Gate 24 des MOSFET 18, so dass es hoch ist, wann immer die MOSFET-Schalterkombination als Diode fungieren soll. Unter Bedingungen einer übermäßigen Spannung sind sowohl 22 als auch 24 hoch, was einen Stromfluß in beide Richtungen über die Verbundvorrichtung ermöglicht. Die MOSFET-Schalterkombination der vorliegenden Erfindung kann auch geschaffen werden, indem statt der Sources die Drains der beiden MOSFETs miteinander verbunden werden.

3 veranschaulicht im Detail die Steuerschaltung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 3 ist gezeigt, dass ein Generator 30 zwei Sätze dreiphasiger EMF-Quellen 32 mit Phaseninduktivitäten 34 und Reihenwiderständen 36 aufweist. Die oberen EMF-Quellen sind bezüglich der entsprechenden unteren EMF-Quellen 180 Grad außer Phase. Gleichrichterbrücken 38 und 40 umfassen je sechs Dioden.

Eine Steuerschaltung 42 für eine Phase AA≌ ist innerhalb des gestrichelten Rechtecks dargestellt, und es versteht sich, dass eine ähnliche Steuerschaltung zwischen den anderen beiden Phasen vorgesehen ist. Wie man weiter erkennen kann, sind die Drain-Anschlüsse der beiden MOSFETs 44 und 46 miteinander (49) verbunden. Der Gate-Anschluß des MOSFET 44 wird durch eine Steuerschaltung 48 für Reihen-Parallel-Modus gesteuert, die basierend auf der Generatordrehzahl und Ausgangsleistung bestimmt, ob die Schaltung in Reihe oder parallel arbeitet. Der Gate-Anschluß des MOSFET 46 wird durch eine synchrone Gleichrichtersteuerschaltung 50 gesteuert, die ermöglicht, dass die Schaltung unter Bedingungen übermäßiger Spannung Strom in beide Richtungen leitet. Diese Steuerschaltungen sind gemäß einem beliebigen, dem Fachmann bekannten elektronischen Mittel aufgebaut. Vorspannungsleistung für die Gate-Steuerung des Steuerschalters 48 für Reihen-Parallel-Modus wird von der Rückwärtsspannung über eine Diode 52 durch eine Diode 54, einen Widerstand 56 und einen Kondensator 57 abgeleitet, die dazu dienen, diese Spannung zu halten, wenn die Diode 52 leitet. Ähnlich wird ein synchroner Gleichrichtersteuerschalter 50 über eine Diode 59, einen Widerstand 58 und Kondensator 70 gespeist. Vorspannungsleistung für die Gate-Steuerschaltungen kann auch von getrennten herkömmlichen Leerlaufversorgungen (floating supplies) abgeleitet werden, wie in der Technik bekannt ist. Obgleich diese Diskussion auf Phase A beschränkt wurde, versteht sich, dass ähnliche Steuerschaltungen die Phasen B und C steuern.

4A veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der für zwei Thyristoren drei MOSFETs ersetzt worden sind, wobei es sich versteht, dass die Details der Schaltung 3 ähnlich sind. In diesem Fall erkennt man, dass die untere Wicklung mit der entsprechenden oberen Wicklung in Phase ist. Statt zwei Thyristoren zu verwenden, sind die unteren Wicklungen, die zwei Phasen entsprechen, durch drei MOSFETs 60, 62 und 64 mit der der dritten Phase entsprechenden oberen Wicklung verbunden. Jeder der drei MOSFETs ist mit dem Drain der anderen beiden MOSFETs verbunden. Die MOSFET-Steuerschaltungskombination könnte auch geschaffen werden, indem statt der Drain-Anschlüsse die Source-Anschlüsse der drei MOSFETs miteinander verbunden werden. Die Funktion der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der ersten ähnlich, und es versteht sich, dass die Details der Schaltung ähnlich sind. Der Gate-Anschluß des MOSFET 64 wird durch eine Steuerschaltung 65 für Reihen-Parallel-Modus gesteuert. Die Gate-Anschlüsse der MOSFETs 60 und 62 werden durch synchrone Gleichrichtersteuerschaltungen 66 bzw. 68 gesteuert. Die drei MOSFETs werden durch diese Gate-Steuerschaltungen gesteuert, um die Schaltung in Reihe oder parallel zu betreiben und zu gestatten, dass unter Bedingungen einer übermäßigen Gleichspannung Strom in beide Richtungen fließt. 4B zeigt die Ersatzschaltung.

Die vorhergehende Offenbarung soll nur dazu dienen, bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zu veranschaulichen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Fachmann zahlreiche Wege finden kann, um diese Ausführungsformen abzuwandeln, ohne von Umfang und Geist abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Steuerschaltung für einen Dreiphasen-Synchrongenerator, insbesondere für einen Kraftfahrzeugmotor, mit obere und untere gleichphasige Wicklungen in Sternschaltung umfassende, mittels steuerbarer Halbleiterschalter für Serien/Parallel-Modus umschaltbare Dualwicklungen, denen ein oberer und ein unterer Brückengleichrichter nachgeschaltet ist, die gleichspannungsseitig parallel liegen, wobei die Halbleiterschalter im Parallelmodus gesperrt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter jeweils drei MOSFETs (60, 62, 64) gleichen Typs mit parasitären Dioden umfassen und jeweilige untere Wicklungen von zwei der drei Phasen (A, B; B, C; C, A) mit der jeweiligen oberen Wicklung der dritten Phase (C, A, B) sternförmig verbinden, wobei die mit den jeweiligen unteren Wicklungen verbundenen MOSFETs (60, 62) gegensätzlich gepolt sind zu den mit den jeweiligen oberen Wicklungen verbundenen MOSFETs (64), dass die mit den jeweiligen oberen Wicklungen verbundenen MOSFETs (64) im Serienmodus durchgeschaltet sind, und dass alle MOSFETs (60, 62, 64) bei einer insbesondere aufgrund einer Laständerung auftretenden überhöhten Gleichspannung (DC) synchron derart angesteuert werden, dass ein Stromfluss in beiden Richtungen möglich ist.
  2. Steuerschaltung für einen Dreiphasen-Synchrongenerator, insbesondere für einen Kraftfahrzeugmotor, mit obere und untere gleichphasige Wicklungen in Sternschaltung umfassende, mittels steuerbarer Halbleiterschalter für Serien/Parallel-Modus umschaltbare Dualwicklungen, denen ein oberer und ein unterer Brückengleichrichter nachgeschaltet ist, die gleichspannungsseitig parallel liegen, wobei die Halbleiterschalter zwischen einer oberen und unteren Wicklung gleicher Phase liegen und im Parallelmodus gesperrt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter aus der Reihenschaltung zweier gegensätzlich gepolter MOSFETs (16, 18, 44, 46) gleichen Typs mit parasitären Dioden bestehen, dass die Halbleiterschalter im Serienmodus derart angesteuert werden, dass sie jeweils als Diode wirken, und dass die Halbleiterschalter bei einer insbesondere aufgrund einer Laständerung auftretenden überhöhten Gleichspannung (DC) synchron derart angesteuert werden, dass sie für beide Stromrichtungen durchlässig sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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