用於交流發電機的有源整流器的製作方法

2024-03-10 23:28:15 1

本專利申請的客體涉及一種有源整流器的結構(主要旨在用於整流旋轉電機、尤其交流發電機的交流電)，在該結構中，實施功率MOSFET電晶體以代替一般使用的功率二極體。MOSFET電晶體在整個整流器中提供了降低的壓降並且增加了總體交流發電機效率。

本發明涉及的類別：H05K7/20；H01L23/34；H01L25/07；H02J7/00；H02K11/04；H02M7/12。

背景技術：

使用在DC發電機功能中的交流電(AC)旋轉電機典型地集成二極體以將交流電整流為所需的DC電流。交流發電機(其旨在用於充電車輛起動系統上的電池或者靜止裝備，諸如發電機組或者類似物)尤其具有連接在整流電路系統中的功率二極體。半導體功率二極體利用每個二極體0.6V至1V的範圍內不可避免的壓降沿正嚮導電方向做功。該壓降代表顯著功率損失，同時將生成的電流傳導至電池或者其他電力負荷。結果，交流發電機具有相當低的操作效率，特定地相當低的操作功率旨在用於14V或者28V的低系統電壓。

我們要解決的技術問題是找到這樣一種整流器結構，使得整流器結構將具有降低的壓降並且因此具有整流中降低的能力損失操作，因此具有更好的總體效率。此外，對於整流器的結構理想的是，其以這種方式構造使得其將替換交流發電機上處於相同位置的正常二極體整流器而無需更改簡單的空氣冷卻以及現存的裝置，以不增加機器的生產成本。

使用具有充分低阻力的MOSFET電晶體、優選TOLL類型(無引線封裝)，將0.6V–1V的不想要的壓降降低至0–0.2V的範圍，因此還成比例地降低交流發電機的功率損失並且使其更有效。將電晶體安裝在與二極體相同的位置並且不更改用於冷卻的強迫空氣通風，這能夠改造的交流發電機操作而其關鍵零件(電刷、轉子環以及軸承)處於較低作業溫度，降低它們的磨損，因此增加了交流發電機的壽命。

該發明的有源整流器的結構是這樣的，使得其包括連接的模塊，其中，它們中的每個具有半橋構造並且替換通常連接至發電機的相同相位的兩個二極體。典型地，需要三個相同的模塊來形成三相交流發電機整流器。具有更大或更小數量相位的發電機需要適當地更大或者較小數量的相等模塊。

每個MOSFET電晶體具有其自身過零檢測和驅動電路系統，該系統由小信號電子設備製成，組裝在MOSFET的附近並且安裝在與模塊的鋁殼體具有良好熱接觸的單個基板上，該殼體還是放置在交流發電機的強迫空氣冷卻的空氣氣流中的散熱片。每個模塊內在地連接至這樣的相位，該相位被整流並且使用相位的功率用於供給檢測和驅動電路系統。這使得模塊獨立於車輛系統電壓和交流發電機的的調壓器。模塊不需要任何額外連接。繼續描述的整流器在交流發電機(或者其他發電機)的製造過程中僅引起不顯著的修改，因此有效地維持它們的低生產成本。

存在少量有源整流器的公知解決方案。專利公開US7292445B2中提議了一個例子，該專利公開描述了一種調壓器，其與有源整流器集成，用於更有效地充電電池。集成的多層設備利用水冷卻安裝在單獨鋁底板上，整個組件作為延伸安裝在存在的交流發電機的側面，這增加了其的總體直徑。

專利公開US2006151874中提議了另一例子。提議的解決方案包括一種功率電路，其被控制部件控制。功率電路的所有功率傳導部件是功率MOS部件並且集成為堆疊構造，堆疊構造集成兩個平行基板。功率MOS部件放置在兩個平行基板之間並且在兩側具有觸頭。

技術實現要素：

本發明解決了與需要使用功率二極體的傳統整流器結構關聯的技術問題，傳統整流器結構使用功率二極體，同時引入功率MOSFET電晶體作為替換。對應控制電路系統提供了控制信號，該控制信號與發電機的交流輸出電壓同步地接通以及關閉電晶體。檢測出沿正嚮導電方向通常關聯於二極體的不想要的壓降，並且通過接通MOSFET電晶體顯著降低該壓降。因為降低了整個半導體中的壓降，還降低了整個整流器中的功率損失，因此改善了總體發電機效率。該改善還導致交流發電機的關鍵磨損零件的較低操作溫度。

有源整流器的結構是這樣的，使得其包括N個連接的模塊，其中，它們中的每個具有半橋構造並且替換通常連接至發電機的相同相位的兩個二極體。典型地，需要三個相同的模塊來形成三相交流發電機整流器。交流發電機的模塊的電連接相同於常規二極體整流器的連接。

描述的有源半橋模塊的一個不可忽略的優勢是冷卻模塊，因此還能夠冷卻整個整流器，冷卻整個整流器能夠僅通過強制空氣冷卻進行。該專利包括由金屬製成的冷卻器元件的描述，但是優選地不排除由鑄造鋁製成的冷卻器元件，其具有定向成沿平行於交流發電機軸的方向的冷卻肋，冷卻肋位於交流發電機的通風器的空氣流動氣流中。

有源整流器具有用於控制電路系統的其自身電源，因此其獨立於交流發電機調壓器操作。

當使用在交流發電機上時，整流器在其輸出終端之間具有至少兩個功率穩壓二極體(串聯連接，這使得它們能夠抵抗錯誤的極性連接)，以在負荷突降條件期間鉗制(限制)電壓。穩壓二極體應當具有優選範圍為16V至32V的穩壓電壓以鉗制範圍為32V至64V的交流發電機的電壓。由於有源整流器的模塊暴露於惡劣環境，因此除了連接終端之外，它們應該在整個電子部件上塗覆有灌封材料。

附圖說明

圖1示出了半橋有源整流器模塊的截面圖，示出了單個基板，包括功率MOSFET電晶體，具有放置在相同基板上的過零檢測和驅動電路系統，整體安裝在冷卻元件上。

圖2示出了整流器模塊的一個半橋構造的電氣方框圖。

圖3示出了包括連接的兩個保護穩壓二極體的三相整流器構造的方框圖。

圖4示出了多相整流器的連接圖，多相整流器由多個相同半橋模塊以及保護穩壓二極體組成。

具體實施方式

本發明的有源整流器的結構由N個連接的模塊組成，其中，它們中的每個具有半橋構造並且替換連接至發電機的相同相位的無源整流器的兩個二極體。典型地，需要三個相同模塊來形成三相交流發電機整流器。交流發電機30上的電連接相同於常規二極體整流器的連接。相位終端22是整流器的輸入，共同(B+)和(B-)終端是整流器的輸出。

如圖1所示，所有電部件(包括功率MOSFET電晶體10、對應檢測和驅動電路系統20中的小信號電子部件、以及用於供給所述驅動電路系統的15V電壓供給15)放置在同一個單個基板50上。基板50必須具有與通過應用在它們兩個之間的粘著劑提供的模塊殼體31良好的機械以及熱接觸。模塊的殼體31應當具有多個冷卻肋32，以便當暴露至流經交流發電機30的空氣氣流時提供有效的冷卻。

每個半橋模塊5的基板50支撐三個高電流終端B+和B-，它們用作有源整流器電子設備的相位終端和交流發電機30)的相位終端之間的連接終端。為了對汽車環境條件提供足夠保護，組裝在模塊殼體31上的基板50上的所有電子部件塗覆有灌封材料40。

圖2示出了有源整流器模塊的半橋構造的電氣方框圖。提議的有源整流器中的主要導電元件是功率MOSFET電晶體10。有源整流器操作的目的是用由交流發電機30生成的相位電壓同步地接通電晶體10以及有效地傳導相位電流，傳導半周期期間具有最小壓降。為了實現此，MOSFET電晶體10必須由適當的柵電壓驅動，使得將MOSFET的漏源極電壓維持為低於0.2V。二極體17感測電晶體10的漏極電壓。在導電整流周期期間，感測的電壓從二極體17被輸送至檢測和驅動電路系統20，檢測和驅動電路系統20輸出用於MOSFET電晶體的柵的電壓。這樣生產的驅動電壓必須位於電晶體的柵閾值電壓和15V供給電壓之間，並且應該被調整以便將整個MOSFET電晶體中的期望壓降維持在低於0.2V。

15V供給15獲取來自相位終端22的AC電壓，整流該電壓並且將其穩定至期望的15VDC以適當地供給檢測器和驅動器電路系統20。每個半橋構造模塊5具有一個15V供給電路系統15，該供給15為高側和低側MOSFET電晶體10提供供給。如此設計的模塊沒有用於檢測器和驅動器電路系統20的功能所需的用於15V供給的外向終端或者針。

圖3圖示了用於典型三相整流器構造的三個相同半橋模塊5的連接，其中，所有B+以及B-終端連接在一起以提供發電機的DC輸出，其中，每個模塊終端22連接至交流發電機30的一個相位。在自動條件下工作的交流發電機有時暴露至所謂的負荷突降條件，在負荷突降條件中，生成高電壓尖峰，這將破壞有源整流器中的電子部件。為了防止此，串聯連接的兩個功率穩壓二極體25連接在整流器的B+和B-終端之間。對於低電壓系統(14V或者28V)，優選使用額定電壓範圍為16V至32V的穩壓二極體25。為了可靠的操作，兩個穩壓二極體25電壓的總和必須低於使用在有源整流器中的MOSFET電晶體10的額定擊穿電壓。

圖4圖示了由多個相同半橋模塊5組成的多相位整流器的連接圖。一對保護穩壓二極體25需要包括在N相位有源整流器中。

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種用於發電機的有源整流器的結構，優選旨在充電車輛的電池的交流發電機，其包括：

功率MOSFET開關，優選無引線類型MOSFET電晶體(10)；檢測和驅動電路系統(20)位於所述功率MOSFET開關的附近，所有都安裝在單個基板(50)上呈這種電連接以形成用於電源的單相同步整流的半橋模塊(5)，其中，所述單個基板(50)安裝在優選鋁鑄造散熱片元件(31)中以形成單相整流器模塊(5)；至少兩個以及高達N個數量的相同整流器模塊，它們形成兩個以及高達N個相位整流器；其特徵在於，所述檢測和驅動電路系統(20)具有其自身電壓供給(15)，電壓供給(15)連接至相位終端(22)並且從發電機的相位獲取供給電壓。

2.根據權利要求1所述的有源整流器的結構，其特徵在於，串聯連接的一對功率穩壓二極體(25)，所述一對穩壓二極體與整流器輸出終端B+和B-並聯連接，其中，用於每個二極體的穩壓二極體電壓處於16V至32V的電壓範圍。

3.根據權利要求1所述的有源整流器的結構，其特徵在於，使所有它們的電子部件塗覆有灌封材料的所述半橋模塊(5)散布在整個所述單個基板(50)上並且放置在所述散熱片元件(31)中。

4.根據權利要求1所述的有源整流器的結構，其特徵在於，所述散熱片元件(31)具有的空氣冷卻肋(32)定向成平行於所述發電機的轉子軸。