DE68914481T2

DE68914481T2 - Wechselrichtereinrichtung für Automobilwechselstromgenerator.

Info

Publication number: DE68914481T2
Application number: DE1989614481
Authority: DE
Inventors: Tsuneji C O Himeji Seisak Goda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-01-25
Filing date: 1989-01-18
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: EP0326281B1; EP0326281A2; EP0326281A3; JPH01113587U; DE68914481D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Gleichrichtervorrichtung, um den Ausgang eines Wechselstromgenerators gleichzurichten, der genutzt wird, um die Batterie zu laden und Strom an elektrische Einrichtungen eines Kraftfahrzeugs zu liefern.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Kraftfahrzeuge haben normalerweise einen Wechselstromgenerator, um ihren elektrischen Einrichtungen Strom zuzuführen, wobei der Wechselstromausgang des Generators von einer Gleichrichtervorrichtung gleichgerichtet und die resultierende Gleichspannung den Einrichtungen und der Batterie zugeführt wird. Fig. 1 zeigt eine typische herkommliche Gieichrichtervorrichtung für einen Drehstrom-Ladegenerator eines Kraftfahrzeugs. Ein Wechselstromgenerator 1, der von der Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs usw. angetrieben wird, weist ortsfeste Ankerspulen 101 in Sternschaltung und eine drehende Feldspule 102 auf. Eine Gleichrichtervorrichtung 2 zur Durchführung einer Zweiweg-Gleichrichtung des Wechselstromausgangs des Generators 1 weist auf: eine Diodengruppe 201 auf der Seite des positiven Anschlusses, die aus Dioden 201a bis 201c besteht, eine Hilfsdiodengruppe 202, die aus Dioden 202a bis 202c besteht, und eine Diodengruppe 203 auf der Seite des negativen Anschlusses, die aus Dioden 203a bis 203c besteht. Ein Spannungsregler 3 regelt die Ausgangsgleichspannung der Gleichrichtervorrichtung 2 auf einen vorbestimmten Pegel, während ein Kondensator 4 das im Ausgang der Gleichrichtervorrichtung enthaltene Störsignal unterdrückt. Eine Batterie 5 und ein elektrischer Verbraucher 6, der aus elektrischen Einrichtungen am Kraftfahrzeug besteht, sind mit den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters 2 gekoppelt.
Der Betrieb der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 1 ist wie folgt. Wenn die Feldspule 102 von einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs usw. gedreht wird, werden in den Ankerspulen 101 Dreiphasenspannungen induziert. Somit gehen die Dioden in der Gleichrichtervorrichtung 2 nacheinander vom Vorwärts-Durchlaßzustand in den Sperrzustand und wieder vom Sperrzustand in den Vorwärts-Durchlaßzustand, um an ihren positiven und negativen Anschlüssen eine Gleichspannung abzugeben. In dem kurzen Zeitraum (Sperrverzögerungszeit genannt), in dem eine Diode vom Durchlaßzustand in den Sperrzustand geht, fließt ein relativ großer Strom (Sperrverzögerungsstrom genannt), der wesentlich größer als der vernachlässigbar kleine stabile Sperrstrom ist, in Sperrrichtung. Dieser Sperrverzögerungsstrom führt zu einem Kommutierungsstoß oder einer Ausgleichsschwingungsspannung in Form einer gedämpften Schwingung in der RLC-Reihenschaltung (Widerstands-Induktivitäts-Kapazitäts-Reihenschaltung), die aus den Ankerspulen 101 und dem Kondensator 4 besteht, und zwar bei jedem Übergang der Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c vom Durchlaßzustand in den Sperrzustand. Die Schwingungsbreite in der Ausgangsspannung der Gleichrichtervorrichtung 2 ist größer, wenn die Sperrverzögerungszeit der Gleichrichterdioden länger ist. Fig. 2 zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung E der Gleichrichtervorrichtung 2 in dem Fall, in dem die Sperrverzögerungszeit ihrer Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c ca. 15 us beträgt, was ein typischer Wert im Fall einer herkömmlichen Gleichrichtervorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art ist. Wie die Figur zeigt, weist die Ausgangsspannung E der Gleichrichtervorrichtung 2 hochfrequente gedämpfte Schwingungsanteile auf, und der Kommutierungsstoß oder die Schwingungsbreite Ep von Schwingungen der Wellenform beträgt bis zu 6 V.
Fig. 3 zeigt eine weitere typische herkömmliche Gleichrichtervorrichtung für den Wechselstromgenerator eines Kraftfahrzeugs. Die Gleichrichtervorrichtung von Fig. 3 weist zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Dioden ein Paar von Dioden 201d und 203d auf, die in Reihe geschaltet sind, wobei der Nullpunkt der Ankerspulen 101 in Sternschaltung mit dem Zwischenpunkt zwischen diesen Dioden 201d und 203d verbunden ist. Im Fall der Schaltung von Fig. 3 treten gedämpfte Schwingungen in der Ausgangsgleichspannung der Gleichrichtervorrichtung 2 nicht nur auf, wenn die Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c vom Durchlaßzustand in den Sperrzustand gehen, sondern auch, wenn die Nullpunkt-Dioden 201d und 203d vom Durchlaß- in den Sperrzustand gehen. Daher nimmt die Ausgangsspannung E der Gleichrichtervorrichtung 2 die Wellenform gemäß Fig. 4 an, wenn die Sperrverzögerungszeit der Dioden 201a bis 201d und 203a bis 203d gleich dem vorgenannten Wert ist. Die Schwingungsbreite Ep der Schwingungen erreicht in diesem Fall 20 V.
Die EP-PS 75 320 Al betrifft eine Gleichrichtervorrichtung für einen Wechselstromgenerator eines Kraftfahrzeugs. Die Druckschrift richtet sich auf das Problem des Entternens von störanteilen aus dem Gleichspannungsausgang der Gleichrichtervorrichtung. Diese Lösung verringert Störsignale mit Hilfe von Kondensatoren, die in die Schaltung eingebaut sind.
Wie vorstehend beschrieben, weisen herkömmliche Gleichrichtervorrichtungen für Wechselspannungsgeneratoren den Nachteil auf, daß ihr Ausgang hochfrequente Schwingungsanteile enthält, und zwar die gedämpften Schwingungen infolge der Kommutierungsstöße, die als Störsignale für die elektrische Einrichtung 6 wirken.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Gleichrichtervorrichtung für einen Wechselstromgenerator eines Kraftfahrzeugs, die fähig ist, eine Gleichspannung mit geringem Störanteil zu liefern, so daß die damit gekoppelten elektrischen Einrichtungen optimales Betriebsverhalten ohne die Gefahr einer Fehlfunktion zeigen können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Gleichrichters, der einfach aufgebaut und mit geringen Kosten herstellbar ist.
Gemäß der Erfindung wird eine Gleichrichtervorrichtung bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 definiert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die neuen Merkmale, die als für die Erfindung charakteristisch angesehen werden, sind speziell in den beigefügten Patentansprüchen aufgeführt. Die Organisation und der Betrieb der Erfindung ergeben sich jedoch am besten bei Bezugnahme auf die nachstehende genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 ein Schaltbild, das eine herkömmliche Gleichrichtervorrichtung für einen Drehstromgenerator eines Kraftfahrzeugs zeigt;
Fig. 2 eine Wellenform der Ausgangsspannung der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, die jedoch eine weitere herkömmliche Gleichrichtervorrichtung für einen Drehstromgenerator eines Kraftfahrzeugs zeigt;
Fig. 4 eine Wellenform der Ausgangsspannung der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 3;
Fig. 5 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, die jedoch eine Anordnung zeigt, auf die die Erfindung zutrifft;
Fig. 6 eine wellenform der Ausgangsspannung der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 5;
Fig. 7 die Beziehung zwischen der Sperrverzögerungszeit der Gleichrichterdioden und der Schwingungsbreite der Ausgangsspannungs-Wellenfcrm der Gleichrichtervorrichtung;
Fig. 8 eine der Fig 1 ähnliche Darstellung, die jedoch eine andere Anordnung zeigt, auf die die Erfindung zutrifft;
Fig. 9 eine Wellenform der Ausgangsspannung der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 8
Fig. 10 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, die jedoch eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 11 eine Wellenform der Ausgangsspannung der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 10;
Fig. 12 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, die jedoch eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Fig. 13 eine Wellenform der Ausgangsspannung der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 12.
In den Zeichnungen sind gleiche oder entsprechende Teile oder Bereiche mit gleichen Bezugszeichen versehen.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 der Zeichnung wird eine Anordnung beschrieben, auf die sich die erste Ausführungsform der Erfindung bezieht. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung ist identisch mit derjenigen von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Gleichrichterdioden an dem positiven und dem negativen Hauptanschluß in der Gleichrichtervorrichtung von Fig. 5 vom Hochgeschwindigkeits-Schalttyp sind. So weist ein Drehstromgenerator 2 eines Kraftfahrzeugs einen Stator, der in Sternschaltung verbundene Ankerspulen 101 hat, und einen Rotor mit einer Feldspule 102 auf. Wenn die Feldspule 102 von der Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs gedreht wird, werden Dreiphasenspannungen in den Ankerspulen 101 induziert. Die Ausgangsleitungsspannungen der Ankerspulen 101 in Sternschaltung werden von der Zweiweg-Gleichrichtervorrichtung 2 gleichgerichtet, die aufweist: eine Diodengruppe 201 auf der positiven Anschlußseite, eine Diodengruppe 203 auf der negativen Anschlußseite und eine Hilfsdiodengruppe 202 an dem positiven Hilfsanschluß, der mit dem Spannungsregler 3 gekoppelt ist. Halbleiterdioden 201a bis 201c der Gruppe des positiven Anschlusses sind jeweils in Reihe mit einer von Halbleiterdioden 203a bis 203c der Gruppe 203 des negativen Anschlusses verbunden, und die Reihenschaltungen von Dioden 201a und 203a, 201b und 203b sowie 201c und 203c sind parallel zu dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der ichrichtervorrichtung 2 gekoppelt, wobei die Durchlaßrichtung dieser Dioden mit der Richtung vom negativem zum positiven Anschluß übereinstimmt. Außerdem sind die drei Leitungsausgangsanschlüsse der Ankerspulen 101 in Sternschaltung mit den Zwischenpunkten zwischen Dioden 201a und 203a, 201b und 203b sowie 201c und 203c gekoppelt. Andererseits sind Halbleiterdioden 202a bis 202c der Hilfsgruppe 202 parallel zu diesen Zwischenpunkten und dem positiven Hilfanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2 gekoppelt, wobei ihre Durchlaßrichtung zu dem positiven Hilfsanschluß gerichtet ist. Somit werden die drei Leitungsausgangsspannungen der Ankerspulen 101 in Sternschaltung von der Gleichrichtervorrichtung 2 gleichgerichtet, und die Vorrichtung gibt eine Gleichspannung an ihrem positiven und negativen Hauptanschluß sowie an ihrem positiven und negativen Hilfsanschluß ab. Ein Kondensator 4 ist dem positiven und dem negativen Hauptanschluß des Gleichrichters 2 parallelgeschaltet, um dessen Gleichspannungsausgang zu glätten. Die Kapazität des Kondensators 4 kann 0,5 uF sein. Ferner sind der elektrische Verbraucher 6, der aus elektrischen Einrichtungen des Kraftfahrzeugs besteht, und die Batterie 5 dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2 parallelgeschaltet. Der Spannungsregler 3, dessen Eingange dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2 parallelgeschaltet sind, steuert den der Feldspule 102 zugeführten Erregerstrom, um die Ausgangsgleichspannung der Gleichrichtervorrichtung auf einen vorbestimmten Wert zu regeln, d. h. auf 14,4 V (Effektivwert).
Die Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c sind vom Hochgeschwindigkeits-Schalttyp, und ihre Sperrverzögerungszeit beträgt ca. 0,5 us. Somit wird der Sperrverzögerungsstrom, der in Sperrichtung fließt, unmittelbar nachdem eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode in Sperrichtung vorgespannt wird, in diesen Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c vernachlässigbar klein. Infolgedessen enthält die Wellenform der Ausgangsgleichspannung über dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2 nur geringe gedämpfte Schwingungsanteile. Fig. 6 zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung E über dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2. (Die Grundperiode der Ausgangsspannungs-Wellenform hängt von der Drehgeschwindigkeit der Feldspule 102 ab: Sie ist gleich 1/6 der Rotationsperiodendauer der Feldspule 102, in der der die Feldspule 102 tragende Rotor eine Umdrehung ausführt.) Die Schwingungsbreite Ep in der Ausgangsspannung E ist ca. 2 V, und die Wellenform der Ausgangs spannung E ist sehr nahe bet derjenigen einer idealen Gleichrichtervorrichtung, die von idealen Dioden gebildet ist, die eine Sperrverzögerungszeit Null und einen Sperrverzögerungsstrom Null haben. Andererseits ist die Sperrverzögerungszeit der Hilfsdioden 202a bis 202c ca. 10-30 us. Die Schwingungen in der Ausgangsspannung über dem positiven und negativen Hiltsanschluß, die durch die Sperrverzögerungsströme in den Hilfsdioden 202a bis 202c bewirkt sind, beeinflussen jedoch nicht das Betriebsverhalten der elektrischen Einrichtungen 6.
Die Schwingungsbreite Ep in der Ausgangs spannung E über dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung hängt von der Sperrverzögerungszeit der Dioden 2ola bis 201c und 203a bis 203c ab. So zeigt Fig. 7 die Beziehung zwischen der Sperrverzögerungszeit der Gleichrichterdioden 2ola bis 2ülc und 203a bis 203c (auf der Abszisse in us aufgetragen) und der Schwingungsbreite Ep der Ausgangsspannung E (auf der Ordinate in V aufgetragen). Wie das Diagramm zeigt, ist die Schwingungsbreite Ep unter 3 V begrenzt, wenn die Sperrverzogerungszeit nicht mehr als 2 um beträgt, was die bevorzugte Obergrenze gemäß der Erfindung ist. Im übrigen haben allgemein verwendete Halbleiter- Gleichrichterdioden eine Sperrverzögerungszeit von ca. 10-30 us.
Unter Bezugnahme auf Fig. 8 der Zeichnung wird nun eine weitere Anordnung beschrieben, bei der eine zweite Ausführungsform der Erfindung Anwendung findet Die Schaltung von Fig. 8 gleicht derjenigen von Fig. 5 mit der Ausnahme, daß Halbleiterdioden 201d und 203d vorgesehen sind, um die Dreiphasenspannungen die in den Ankerspulen 101 induziert werden, im Zusammenwirken mit Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c gleichzurichten. Dabei ist eine Reihenschaltung der Dioden 201d und 203d, die die gleiche Sperrverzögerungszeit wie die Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c haben, dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2 parallelgeschaltet, und die Durchlaßrichtung der Dioden 201d und 203d ist zu dem positiven Anschluß gerichtet. Ferner ist der Nullpunkt der in Sternschaltung verbundenen Ankerspulen 101 mit einem Zwischenpunkt zwischen den beiden Dioden 201d und 203d gekoppelt. Wie Fig. 9 zeigt, enthält die Wellenform der Ausgangsspannung E über dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2 von Fig. 8 nur wenige gedämpfte Schwingungsanteile; die Schwingungsbreite Ep in der Wellenform der Ausgangsspannung E ist ca. 3 V.
Fig. 10 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, die den gleichen Schaltungsaufbau wie die Anordnung von Fig. 8 hat. Um jedoch die Zahl von teuren Hochgeschwindigkeits dioden zu verringern, sind nur die Dioden 201d und 203d, die mit dem Nullpunkt der Ankerspulen 101 gekoppelt sind, vom Hochgeschwindkeits-Schalttyp mit der Sperrverzögerungszeit von 0,5 us. Die übrigen Gleichrichterdicden sind vom üblichen Typ mit einer Sperrverzögerungszeil von ca. 15 us. Wie Fig. 11 zeigt, sind die Hochgeschwindigkeitsdioden 201d und 203d wirksam zur Unterdrückung der gedämpften Schwingungen in der Wellenform der Ausgangsspannung E über dem positiven und dem negativen Hauptanschluß der Gleichrichtervorrichtung 2 von Fig. 10; die Schwingungsbreite Ep in der Wellenform der Ausgangsspannung E ist auf ca. 4 V begrenzt.
Fig. 12 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls den gleichen Schaltungsaufbau wie die Anordnung von Fig. 8 hat. Dabei sind jedoch nur die Dioden 201a bis 201c und 203a bis 203c zum Gleichrichten der Ausgangsleitungsspannungen der Ankerspulen 101 vom Hochgeschwindig keitstyp mit der Sperrverzögerungszeit von 0,5 us. Die Dioden 201d und 203d sowie die Hilfsdioden 202a bis 202c sind vom gewöhnlichen Typ mit einer Sperrverzögerungszeit von ca. 15 us. Fig. 13 zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung E über den positiven und den negativen Hauptanschluß des Gleichrichters 2 von Fig. 12. Die Schwingungsbreite Ep beträgt in diesem Fall ca. 6 V.

Claims

1. Gleichrichtervorrichtung, um einen Ausgang eines Drehstromgenerators (1) gleichzurichten, der einen Rotor mit einer Feldspule (102) und einen Stator mit Ankerspulen (101) in Sternschaltung aufweist, in denen Phasenspannungen von der drehenden Spule induziert werden, wobei die Gleichrichtervorrichtung aufweist:

eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung (2) von Halbleiterdioden (201 bis 203), die Eingangsanschlüsse der Ankerspulen in Sternschaltung haben, wobei die Zweiweg-Gleichrichterschaltung einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß hat; und

eine Reihenschaltung von einem Paar von Halbleiterdioden (201d, 203d), die parallel zu dem positiven und dem negativen Ausgangsanschluß der Zweiweg-Gleichrichterschaltung gekoppelt sind, wobei Durchlaßrichtungen des Paars von Halbleiterdioden mit einer Richtung von dem negativen zu dem positiven Ausgangsanschluß zusammenfallen, wobei ein Zwischenpunkt in der Reihenschaltung zwischen dem Paar von Halbleiterdioden mit einem Sternpunkt der Ankerspulen in Sternschaltung gekoppelt ist;

wobei das Paar von Halbleiterdioden der Reihenschaltung, das parallel zu dem positiven und dem negativen Äusgangsanschluß der Zweiweg-Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, eine Sperrverzögerungszeit von nicht mehr als 2 us hat, und die Halbleiterdioden der Zweiweg-Gleichrichterschaltung eine Sperrverzögerungszeit haben, die wesentlich länger als 2 us ist.

2. Gleichrichtervorrichtung, um einen Ausgang eines Drehstromgenerators (1) gleichzurichten, der einen Rotor mit einer Feldspule (102) und einen Stator mit Ankerspulen (101) in Sternschaltung aufweist, in denen Phasenspannungen von der drehenden Feldspule induziert werden, wobei die Gleichrichtervorrichtung aufweist:

eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung (2) von Halbleiterdioden (201 bis 203), die Eingangsanschlüsse hat, die mit Ausgangsleitungsanschlüssen der Ankerspulen in Sternschaltung gekoppelt sind, wobei die Zweiweg-Gleichrichterschaltung einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß hat; und

eine Reihenschaltung von einem Paar von Halbleiterdioden (201d, 203d), die parallel zu dem positiven und dem negativen Ausgangsanschluß der Zweiweg-Gleichrichterschaltung gekoppelt sind, wobei die Durchlaßrichtung des Paars von Halbleiterdioden mit einer Richtung von dem negativen zu dem positiven Ausgangsanschluß zusammenfallen, wobei ein Zwischenpunkt in der Reihenschaltung zwischen dem Paar von Halbleiterdioden mit einem Sternpunkt der Ankerspulen in Sternschaltung gekoppelt ist;

wobei die Halbleiterdioden der Zweiweg-Gleichrichterschaltung eine Sperrverzögerungszeit von nicht mehr als 2 us haben, und

das Paar von Halbleiterdioden der Reihenschaltung eine Sperrverzögerungszeit hat, die wesentlich länger als 2 us ist.