本專利申請的客體涉及一種有源整流器的結(jié)構(gòu)(主要旨在用于整流旋轉(zhuǎn)電機(jī)、尤其交流發(fā)電機(jī)的交流電)，在該結(jié)構(gòu)中，實施功率MOSFET晶體管以代替一般使用的功率二極管。MOSFET晶體管在整個整流器中提供了降低的壓降并且增加了總體交流發(fā)電機(jī)效率。

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

背景技術(shù)：

使用在DC發(fā)電機(jī)功能中的交流電(AC)旋轉(zhuǎn)電機(jī)典型地集成二極管以將交流電整流為所需的DC電流。交流發(fā)電機(jī)(其旨在用于充電車輛起動系統(tǒng)上的電池或者靜止裝備，諸如發(fā)電機(jī)組或者類似物)尤其具有連接在整流電路系統(tǒng)中的功率二極管。半導(dǎo)體功率二極管利用每個二極管0.6V至1V的范圍內(nèi)不可避免的壓降沿正向?qū)щ姺较蜃龉?。該壓降代表顯著功率損失，同時將生成的電流傳導(dǎo)至電池或者其他電力負(fù)荷。結(jié)果，交流發(fā)電機(jī)具有相當(dāng)?shù)偷牟僮餍?，特定地相?dāng)?shù)偷牟僮鞴β手荚谟糜?4V或者28V的低系統(tǒng)電壓。

我們要解決的技術(shù)問題是找到這樣一種整流器結(jié)構(gòu)，使得整流器結(jié)構(gòu)將具有降低的壓降并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，對于整流器的結(jié)構(gòu)理想的是，其以這種方式構(gòu)造使得其將替換交流發(fā)電機(jī)上處于相同位置的正常二極管整流器而無需更改簡單的空氣冷卻以及現(xiàn)存的裝置，以不增加機(jī)器的生產(chǎn)成本。

使用具有充分低阻力的MOSFET晶體管、優(yōu)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的范圍，因此還成比例地降低交流發(fā)電機(jī)的功率損失并且使其更有效。將晶體管安裝在與二極管相同的位置并且不更改用于冷卻的強(qiáng)迫空氣通風(fēng)，這能夠改造的交流發(fā)電機(jī)操作而其關(guān)鍵零件(電刷、轉(zhuǎn)子環(huán)以及軸承)處于較低作業(yè)溫度，降低它們的磨損，因此增加了交流發(fā)電機(jī)的壽命。

該發(fā)明的有源整流器的結(jié)構(gòu)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(gòu)造并且替換通常連接至發(fā)電機(jī)的相同相位的兩個二極管。典型地，需要三個相同的模塊來形成三相交流發(fā)電機(jī)整流器。具有更大或更小數(shù)量相位的發(fā)電機(jī)需要適當(dāng)?shù)馗蠡蛘咻^小數(shù)量的相等模塊。

每個MOSFET晶體管具有其自身過零檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)由小信號電子設(shè)備制成，組裝在MOSFET的附近并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(fā)電機(jī)的強(qiáng)迫空氣冷卻的空氣氣流中的散熱片。每個模塊內(nèi)在地連接至這樣的相位，該相位被整流并且使用相位的功率用于供給檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)。這使得模塊獨立于車輛系統(tǒng)電壓和交流發(fā)電機(jī)的的調(diào)壓器。模塊不需要任何額外連接。繼續(xù)描述的整流器在交流發(fā)電機(jī)(或者其他發(fā)電機(jī))的制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(chǎn)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(diào)壓器，其與有源整流器集成，用于更有效地充電電池。集成的多層設(shè)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(fā)電機(jī)的側(cè)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(dǎo)部件是功率MOS部件并且集成為堆疊構(gòu)造，堆疊構(gòu)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并且在兩側(cè)具有觸頭。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決了與需要使用功率二極管的傳統(tǒng)整流器結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的技術(shù)問題，傳統(tǒng)整流器結(jié)構(gòu)使用功率二極管，同時引入功率MOSFET晶體管作為替換。對應(yīng)控制電路系統(tǒng)提供了控制信號，該控制信號與發(fā)電機(jī)的交流輸出電壓同步地接通以及關(guān)閉晶體管。檢測出沿正向?qū)щ姺较蛲ǔｊP(guān)聯(lián)于二極管的不想要的壓降，并且通過接通MOSFET晶體管顯著降低該壓降。因為降低了整個半導(dǎo)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(fā)電機(jī)效率。該改善還導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵磨損零件的較低操作溫度。

有源整流器的結(jié)構(gòu)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(gòu)造并且替換通常連接至發(fā)電機(jī)的相同相位的兩個二極管。典型地，需要三個相同的模塊來形成三相交流發(fā)電機(jī)整流器。交流發(fā)電機(jī)的模塊的電連接相同于常規(guī)二極管整流器的連接。

描述的有源半橋模塊的一個不可忽略的優(yōu)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(qiáng)制空氣冷卻進(jìn)行。該專利包括由金屬制成的冷卻器元件的描述，但是優(yōu)選地不排除由鑄造鋁制成的冷卻器元件，其具有定向成沿平行于交流發(fā)電機(jī)軸的方向的冷卻肋，冷卻肋位于交流發(fā)電機(jī)的通風(fēng)器的空氣流動氣流中。

有源整流器具有用于控制電路系統(tǒng)的其自身電源，因此其獨立于交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓器操作。

當(dāng)使用在交流發(fā)電機(jī)上時，整流器在其輸出終端之間具有至少兩個功率穩(wěn)壓二極管(串聯(lián)連接，這使得它們能夠抵抗錯誤的極性連接)，以在負(fù)荷突降條件期間鉗制(限制)電壓。穩(wěn)壓二極管應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)選范圍為16V至32V的穩(wěn)壓電壓以鉗制范圍為32V至64V的交流發(fā)電機(jī)的電壓。由于有源整流器的模塊暴露于惡劣環(huán)境，因此除了連接終端之外，它們應(yīng)該在整個電子部件上涂覆有灌封材料。

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晶體管，具有放置在相同基板上的過零檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)，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(gòu)造的電氣方框圖。

圖3示出了包括連接的兩個保護(hù)穩(wěn)壓二極管的三相整流器構(gòu)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(hù)穩(wěn)壓二極管組成。

具體實施方式

本發(fā)明的有源整流器的結(jié)構(gòu)由N個連接的模塊組成，其中，它們中的每個具有半橋構(gòu)造并且替換連接至發(fā)電機(jī)的相同相位的無源整流器的兩個二極管。典型地，需要三個相同模塊來形成三相交流發(fā)電機(jī)整流器。交流發(fā)電機(jī)30上的電連接相同于常規(guī)二極管整流器的連接。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晶體管10、對應(yīng)檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)20中的小信號電子部件、以及用于供給所述驅(qū)動電路系統(tǒng)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(yīng)用在它們兩個之間的粘著劑提供的模塊殼體31良好的機(jī)械以及熱接觸。模塊的殼體31應(yīng)當(dāng)具有多個冷卻肋32，以便當(dāng)暴露至流經(jīng)交流發(fā)電機(jī)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(shè)備的相位終端和交流發(fā)電機(jī)30)的相位終端之間的連接終端。為了對汽車環(huán)境條件提供足夠保護(hù)，組裝在模塊殼體31上的基板50上的所有電子部件涂覆有灌封材料40。

圖2示出了有源整流器模塊的半橋構(gòu)造的電氣方框圖。提議的有源整流器中的主要導(dǎo)電元件是功率MOSFET晶體管10。有源整流器操作的目的是用由交流發(fā)電機(jī)30生成的相位電壓同步地接通晶體管10以及有效地傳導(dǎo)相位電流，傳導(dǎo)半周期期間具有最小壓降。為了實現(xiàn)此，MOSFET晶體管10必須由適當(dāng)?shù)臇烹妷候?qū)動，使得將MOSFET的漏源極電壓維持為低于0.2V。二極管17感測晶體管10的漏極電壓。在導(dǎo)電整流周期期間，感測的電壓從二極管17被輸送至檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)20，檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)20輸出用于MOSFET晶體管的柵的電壓。這樣生產(chǎn)的驅(qū)動電壓必須位于晶體管的柵閾值電壓和15V供給電壓之間，并且應(yīng)該被調(diào)整以便將整個MOSFET晶體管中的期望壓降維持在低于0.2V。

15V供給15獲取來自相位終端22的AC電壓，整流該電壓并且將其穩(wěn)定至期望的15VDC以適當(dāng)?shù)毓┙o檢測器和驅(qū)動器電路系統(tǒng)20。每個半橋構(gòu)造模塊5具有一個15V供給電路系統(tǒng)15，該供給15為高側(cè)和低側(cè)MOSFET晶體管10提供供給。如此設(shè)計的模塊沒有用于檢測器和驅(qū)動器電路系統(tǒng)20的功能所需的用于15V供給的外向終端或者針。

圖3圖示了用于典型三相整流器構(gòu)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(fā)電機(jī)的DC輸出，其中，每個模塊終端22連接至交流發(fā)電機(jī)30的一個相位。在自動條件下工作的交流發(fā)電機(jī)有時暴露至所謂的負(fù)荷突降條件，在負(fù)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(lián)連接的兩個功率穩(wěn)壓二極管25連接在整流器的B+和B-終端之間。對于低電壓系統(tǒng)(14V或者28V)，優(yōu)選使用額定電壓范圍為16V至32V的穩(wěn)壓二極管25。為了可靠的操作，兩個穩(wěn)壓二極管25電壓的總和必須低于使用在有源整流器中的MOSFET晶體管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(hù)穩(wěn)壓二極管25需要包括在N相位有源整流器中。

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種用于發(fā)電機(jī)的有源整流器的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選旨在充電車輛的電池的交流發(fā)電機(jī)，其包括：

功率MOSFET開關(guān)，優(yōu)選無引線類型MOSFET晶體管(10)；檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)(20)位于所述功率MOSFET開關(guān)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于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(yōu)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(dá)N個數(shù)量的相同整流器模塊，它們形成兩個以及高達(dá)N個相位整流器；其特征在于，所述檢測和驅(qū)動電路系統(tǒng)(20)具有其自身電壓供給(15)，電壓供給(15)連接至相位終端(22)并且從發(fā)電機(jī)的相位獲取供給電壓。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源整流器的結(jié)構(gòu)，其特征在于，串聯(lián)連接的一對功率穩(wěn)壓二極管(25)，所述一對穩(wěn)壓二極管與整流器輸出終端B+和B-并聯(lián)連接，其中，用于每個二極管的穩(wěn)壓二極管電壓處于16V至32V的電壓范圍。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源整流器的結(jié)構(gòu)，其特征在于，使所有它們的電子部件涂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)上并且放置在所述散熱片元件(31)中。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源整流器的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述散熱片元件(31)具有的空氣冷卻肋(32)定向成平行于所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸。