JP2012070559A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイオードを通して電流が流れる時間を短くすることにより損失低減および発電効率の向上を図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】車両用発電機１は、電機子巻線２、３と、２つの整流器モジュール群５、６と、上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３、下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４と、回転数演算部１０１と、目標電気角設定部１０５と、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７、下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９と、ＭＯＳトランジスタ５０、５１を駆動するドライバ１７０、１７２とを備える。目標電気角設定部１０５は、相電圧が第１のしきい値に達した後第２のしきい値に達するまでを通電期間とし、ＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフしてから通電期間の終了時点までの期間を電気角で表した目標電気角としたときに、回転数に応じて目標電気角の値を設定する。
【選択図】図６

Description

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。

従来から、複数のスイッチング素子を有する電力変換部を用いて電機子巻線の出力電圧を整流するようにした電力変換装置を備えた車両用発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この電力変換装置では、スイッチング素子をオフしてから所定のオフ確保時間が経過した後にダイオード導通状態が終了するようにスイッチング素子を制御している。オフ確保時間を確保することにより、バッテリから電機子巻線に電流が流れ込むことを防止することができる。

特許第４２７５７０４号明細書（第７−１７頁、図１−１４）

ところで、特許文献１に開示された電力変換装置では、所定のオフ確保時間を設定しているため、損失が大きく、発電効率が低下するという問題があった。このオフ確保時間の間はダイオードを通して電流が流れるため、オンされたスイッチング素子を通して電流を流す場合に比べて損失が大きい。損失低減のためには、オフ確保時間は短い方が望ましいが、あまりオフ確保時間を短くすると、ダイオード導通状態が終わるタイミングよりもスイッチング素子をオフするタイミングの方が遅くなるおそれがある。

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、ダイオードを通して電流が流れる時間を短くすることにより損失低減および発電効率の向上を図ることができる車両用回転電機を提供することにある。

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、２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、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る複数の上アームおよび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スイッチング部と、スイッチング素子のオンタイミングを設定するオンタイミング設定部と、回転数を演算する回転数演算部と、相巻線の相電圧が第１のしきい値に達した後第２のしきい値に達するまでを通電期間とし、スイッチング素子をオフしてから通電期間の終了時点までの期間を電気角で表した目標電気角としたときに、回転数演算部によって演算された回転数に応じて目標電気角の値を設定する目標電気角設定部と、通電期間の終了時点までの期間が目標電気角となるように、スイッチング素子のオフタイミングを設定するオフタイミング設定部と、オンタイミング設定部によって設定されたオンタイミングおよびオフタイミング設定部によって設定されたオフタイミングでスイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動部とを備えている。

目標電気角の値を回転数に応じて可変設定することにより、スイッチング素子がオフされてからダイオードに電流が流れる期間を確保するとともにこの期間を短くすることができるため、ダイオード整流によって生じる損失を低減し、発電効率の向上を図ることが可能となる。

また、上述した目標電気角設定部は、回転数演算部によって演算された回転数が低速回転域および高速回転域では目標電気角の値を大きく、中速回転域では目標回転角の値を小さく設定することが望ましい。これにより、目標電気角の適切な値を回転数毎に設定することができ、損失低減および発電効率の向上を各回転域で実現することができる。

また、回転数を低速回転域、中速回転域、高速回転域に分けたときに、目標電気角設定部は、回転数演算部によって演算された回転数が低速回転域では目標電気角の値を大きく、中速回転域では目標回転角の値を小さく設定することが望ましい。これにより、中速回転域までの範囲で目標電気角の適切な値を回転数毎に設定することができ、損失低減および発電効率の向上を中速回転域までの範囲で実現することができる。

また、回転数を低速回転域、中速回転域、高速回転域に分けたときに、目標電気角設定部は、回転数演算部によって演算された回転数が高速回転域では目標電気角の値を大きく、中速回転域では目標回転角の値を小さく設定することが望ましい。これにより、中速回転域以上の範囲で目標電気角の適切な値を回転数毎に設定することができ、損失低減および発電効率の向上を中速回転域以上の範囲で実現することができる。

また、温度を検出する温度検出部をさらに備え、目標電気角設定部は、温度検出部によって検出された温度に応じて目標電気角の値を設定することが望ましい。特に、上述した目標電気角設定部は、温度検出部によって検出された温度が高く、かつ、回転数に対して目標電気角が増加しているときに高速回転域における目標電気角の値を大きく、温度が低いときに高速回転域における目標電気角の値を小さく設定することが望ましい。温度による影響を加味することにより、さらに目標電気角の適切な値を設定することができ、さらなる損失低減および発電効率向上が可能となる。

また、上述した目標電気角設定部は、出力電流の大小に応じて目標電気角の値を設定することが望ましい。特に、上述した目標電気角設定部は、出力電流が大のときに目標電気角の値を小さく、出力電流が小のときに目標電気角の値を大きく設定することが望ましい。出力電流変化による影響を加味することにより、さらに目標電気角の適切な値を設定することができ、さらなる損失低減および発電効率向上が可能となる。

また、上述した目標電気角設定部は、出力電流の大小を界磁極に含まれる界磁巻線に流れる励磁電流の駆動デューティの値に基づいて判定することが望ましい。あるいは、上述した出力電流を検出する出力電流検出部をさらに備え、目標電気角設定部は、出力電流の大小を出力電流検出部による検出結果に基づいて判定することが望ましい。これにより、出力電流の大小判定を確実に行うことができる。

また、上述した目標電気角設定部による目標電気角の可変設定は、目標電気角を連続的に可変することにより行われることが望ましい。これにより、回転数等に応じて目標電気角の最小値を設定することが可能となり、損失を最小限に抑えて発電効率を最大とすることができる。

また、上述した目標電気角設定部による目標電気角の可変設定は、目標電気角を階段状に可変することにより行われることが望ましい。これにより、目標電気角の可変設定に必要な構成を簡略化することができる。

また、上述した目標電気角設定部は、通電期間が終わるタイミングよりもスイッチング素子をオフするタイミングの方が遅くなる頻度が増加したときに目標電気角の値を大きくすることが望ましい。これにより、何らかの原因により通電期間よりもスイッチング素子をオフするタイミングが遅れた状態が頻繁に発生する場合であっても、速やかに、通電期間が終わる前にスイッチング素子をオフするように制御内容を変更することが可能になる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 整流器モジュールの構成を示す図である。 制御回路の詳細構成を示す図である。 上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部による電圧比較の具体例を示す図である。 下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部による電圧比較の具体例を示す図である。 制御部の詳細構成を示す図である。 制御部によって行う同期制御の動作タイミング図である。 車両が急加速する場合を想定した電気角の変動の様子を示す図である。 エンジン回転が変動する場合を想定した電気角の変動の様子を示す図である 電気負荷が急激に変動する場合を想定した電気角の変動の様子を示す図である。 ドライバにおけるターンオフ遅れを想定した電気角の変動の様子を示す図である。 各種の要因の組合せを想定した電気角の変動の様子を示す図である。 整流器モジュールの変形例を示す図である。 制御回路の変形例を示す図である。

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は、一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。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、発電制御装置７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。

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。

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。励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。

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。

他方の整流器モジュール群６は、一方の固定子巻線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。

発電制御装置７は、Ｆ端子を介して接続された界磁巻線４に流す励磁電流を制御する励磁制御回路であって、励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）Ｖ_B が調整電圧Ｖreg になるように制御する。例えば、発電制御装置７は、出力電圧Ｖ_B が調整電圧Ｖreg よりも高くなったときに界磁巻線４への励磁電流の供給を停止し、出力電圧Ｖ_B が調整電圧Ｖreg よりも低くなったときに界磁巻線４に励磁電流の供給を行うことにより、出力電圧Ｖ_B が調整電圧Ｖreg になるように制御する。また、発電制御装置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。

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。

図２は、整流器モジュール５Ｘの構成を示す図である。なお、他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗも同じ構成を有している。図２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。これら２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１からなる直列回路がバッテリ９の正極端子と負極端子の間に配置され、これら２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１の接続点にＸ相巻線が接続されている。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。

図３は、制御回路５４の詳細構成を示す図である。図３に示すように、制御回路５４は、制御部１００、電源１６０、出力電圧検出部１１０、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０、温度検出部１５０、ドライバ１７０、１７２を備えている。

電源１６０は、発電制御装置７から界磁巻線４に励磁電流が供給されるタイミングで動作を開始し、制御回路５４に含まれる各素子に動作電圧を供給するとともに、励磁電流の供給が停止されたときに動作電圧の供給を停止する。この電源１６０の起動、停止は、制御部１００からの指示に応じて行われる。

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。

出力電圧検出部１１０は、例えば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−デジタル変換器によって構成されており、車両用発電機１（あるいは整流器モジュール５Ｘ）の出力端子（Ｂ端子）の電圧に対応するデータを出力する。なお、アナログ−デジタル変換器は、制御部１００側に設けるようにしてもよい。

上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを検出し、検出したドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを所定のしきい値と比較してその大小に応じた信号を出力する。

図４は、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０による電圧比較の具体例を示す図である。図４において、横軸はドレイン側の出力電圧Ｖ_B を基準としたドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを示している。また、縦軸は上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０から出力される信号の電圧レベルを示している。図４に示すように、相電圧Ｖ_P が高くなって出力電圧Ｖ_B よりも０．３Ｖ以上高くなるとＶ_DSが０．３Ｖ以上になるため、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号がローレベル（０Ｖ）からハイレベル（５Ｖ）に変化する。その後、相電圧Ｖ_P が出力電圧Ｖ_B よりも１．０Ｖ以上低くなるとＶ_DSが−１．０Ｖ以下になるため、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。

上述した出力電圧Ｖ_B よりも０．３Ｖ高い値Ｖ１０（図８）が、第１のしきい値に対応している。この第１のしきい値は、ダイオード通電期間の開始時点を確実に検出するためのものであり、出力電圧Ｖ_B にオン時のＭＯＳトランジスタ５０のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを加算した値よりも高く、出力電圧Ｖ_B にＭＯＳトランジスタ５０と並列接続されたダイオードの順方向電圧ＶＦを加算した値よりも低い値に設定されている。また、上述した出力電圧Ｖ_B よりも１．０Ｖ低い値Ｖ２０（図８）が第２のしきい値に対応している。この第２のしきい値は、ダイオード通電期間の終了時点を確実に検出するためのものであり、出力電圧Ｖ_B よりも低い値に設定されている。相電圧Ｖ_P が第１のしきい値に達した後に第２のしきい値に達するまでを上アームの「オン期間」としている。このオン期間が特許請求の範囲における「通電期間」に対応する。なお、このオン期間は、ＭＯＳトランジスタ５０がオフ状態のときに実際にダイオードに通電される「ダイオード通電期間」とは開始時点と終了時点がずれているが、本実施形態の同期制御はこのオン期間に基づいて行われる。

下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０は、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを検出し、検出したドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを所定のしきい値と比較してその大小に応じた信号を出力する。

図５は、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０による電圧比較の具体例を示す図である。図５において、横軸はドレイン側のバッテリ負極端子電圧であるグランド端子電圧Ｖ_GND を基準としたドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを示している。また、縦軸は下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０から出力される信号の電圧レベルを示している。図５に示すように、相電圧Ｖ_P が低くなってグランド電圧Ｖ_GND よりも０．３Ｖ以上低くなるとＶ_DSが−０．３Ｖ以下になるため、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号がローレベル（０Ｖ）からハイレベル（５Ｖ）に変化する。その後、相電圧Ｖ_P がグランド電圧Ｖ_GND よりも１．０Ｖ以上高くなるとＶ_DSが１．０Ｖ以上になるため、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。

上述したグランド電圧Ｖ_GND よりも０．３Ｖ低い値Ｖ１１（図８）が、第１のしきい値に対応している。この第１のしきい値は、ダイオード通電期間の開始時点を確実に検出するためのものであり、グランド電圧Ｖ_GND からオン時のＭＯＳトランジスタ５１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを減算した値よりも低く、グランド電圧Ｖ_GND からＭＯＳトランジスタ５１と並列接続されたダイオードの順方向電圧ＶＦを減算した値よりも高い値に設定されている。また、上述した出力電圧Ｖ_B よりも１．０Ｖ高い値Ｖ２１（図８）が第２のしきい値に対応している。この第２のしきい値は、ダイオード通電期間の終了時点を確実に検出するためのものであり、グランド電圧Ｖ_GND よりも高い値に設定されている。相電圧Ｖ_P が第１のしきい値に達した後に第２のしきい値に達するまでを下アームの「オン期間」としている。このオン期間が特許請求の範囲における「通電期間」に対応する。なお、このオン期間は、ＭＯＳトランジスタ５１がオフ状態のときに実際にダイオードに通電される「ダイオード通電期間」とは開始時点と終了時点がずれているが、本実施形態の同期整流はこのオン期間に基づいて行われる。

温度検出部１５０は、例えばＭＯＳトランジスタ５０、５１や制御部１００の近傍に配置されたダイオードとその順方向電圧をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器を含んで構成されている。ダイオードの順方向電圧は温度依存性を有するため、この順方向電圧に基づいて、ＭＯＳトランジスタ５０、５１等の近傍の温度を検出することができる。なお、このアナログ−デジタル変換器あるいは温度検出部１５０全体を、制御部１００内に設けるようにしてもよい。

制御部１００は、同期整流動作を開始するタイミングの判定、同期整流を実施するためのＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフタイミングの設定、このオン／オフタイミングの設定に対応したドライバ１７０、１７２の駆動、ロードダンプ保護動作移行タイミングの判定および保護動作の実施などを行う。

図６は、制御部１００の詳細構成を示す図である。図６に示すように、制御部１００は、回転数演算部１０１、同期制御開始判定部１０２、上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３、下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４、目標電気角設定部１０５、上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０６、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７、下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０８、下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９、ロードダンプ判定部１１１、電源起動・停止判定部１１２を備えている。これらの各構成は、例えばメモリ等に記憶された所定の動作プログラムを、クロック発生回路によって生成したクロック信号に同期して読み込んでＣＰＵで実行することにより実現される。各構成の具体的な動作内容については後述する。

上述した上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３、下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４が「オンタイミング設定部」に、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７、下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９が「オフタイミング設定部」に、ドライバ１７０、１７２が「スイッチング素子駆動部」にそれぞれ対応する。

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、次にその動作を説明する。

（１）電源起動・停止判定
電源起動・停止判定部１１２は、発電制御装置７のＦ端子から界磁巻線４に供給されるＰＷＭ信号（励磁電流）の有無を監視し、ＰＷＭ信号の出力が３０μ秒継続したときに電源１６０に起動を指示する。また、電源起動・停止判定部１１２は、ＰＷＭ信号の出力が１秒間中断したときに電源１６０に停止を指示する。このようにして、界磁巻線４に励磁電流の供給が開始されたときに整流器モジュール５Ｘ等が動作を開始し、励磁電流の供給が停止したときに動作を停止するため、車両用発電機１の発電時のみ整流器モジュール５Ｘ等を動作させることで無駄な電力消費を抑えることができる。

（２）同期制御動作
図７は、制御部１００によって行う同期整流制御（同期制御）の動作タイミング図である。図７において、「上アーム・オン期間」は上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号を、「上ＭＯＳオン期間」はハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のオン／オフタイミングを、「下アーム・オン期間」は下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号を、「下ＭＯＳオン期間」はローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のオン／オフタイミングをそれぞれ示している。また、Ｔ_FB1 、Ｔ_FB2 、目標電気角、ΔＴについては後述する。

上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３は、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号（上アーム・オン期間）を監視しており、この出力信号のローレベルからハイレベルへの立ち上がりをハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のオンタイミングとして判定し、ドライバ１７０に指示を送る。ドライバ１７０は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５０をオンする。

上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７は、ＭＯＳトランジスタ５０がオンされてから所定時間経過後をＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングとして判定し、ドライバ１７０に指示を送る。ドライバ１７０は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５０をオフする。

このオフタイミングを決定する所定時間は、上アーム・オン期間の終了時点（上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号がハイレベルからローレベルに立ち下がる時点）よりも「目標電気角」だけ早くなるように、その都度可変設定される。

この目標電気角は、ＭＯＳトランジスタ５０を常時オフしてダイオードを通して整流を行う場合を考えたときに、このダイオード整流における通電期間の終了時点よりもＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングが遅くならないようにするためのマージンであり、目標電気角設定部１０５によって設定される。目標電気角設定部１０５は、回転数演算部１０１によって演算された回転数に基づいて目標電気角を設定する。この目標電気角は、低回転領域および高回転領域において大きな値が、その中間領域において小さな値が設定される。回転数に応じた目標電気角の設定内容については後述する。

なお、回転数演算部１０１は、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号の立ち上がり周期あるいは立ち下がり周期に基づいて回転数を演算している。下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号を用いることにより、車両用発電機１の出力電圧Ｖ_B の変動に関係なく、安定した回転数検出が可能になる。

同様に、下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４は、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号（下アーム・オン期間）を監視しており、この出力信号のローレベルからハイレベルへの立ち上がりをローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のオンタイミングとして判定し、ドライバ１７２に指示を送る。ドライバ１７２は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５１をオンする。

下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、ＭＯＳトランジスタ５１がオンされてから所定時間経過後をＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングとして判定し、ドライバ１７２に指示を送る。ドライバ１７２は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５１をオフする。

このオフタイミングを決定する所定時間は、下アーム・オン期間の終了時点（下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号がハイレベルからローレベルに立ち下がる時点）よりも「目標電気角」だけ早くなるように、その都度可変設定される。

この目標電気角は、ＭＯＳトランジスタ５１を常時オフしてダイオードを通して整流を行う場合を考えたときに、このダイオード整流における通電期間の終了時点よりもＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングが遅くならないようにするためのマージンであり、目標電気角設定部１０５によって設定される。

ところで、実際には、上アーム・オン期間や下アーム・オン期間の終了時点は、ＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフする時点ではわかっていないため、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７や下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、半周期前の情報をフィードバックすることにより、ＭＯＳトランジスタ５０やＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングの設定精度を上げている。

例えば、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングは以下のようにして設定される。下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０８は、半周期前のローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオフしてから下アーム・オン期間の終了時点までの時間Ｔ_FB2 （図８）を演算し、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７は、このＴ_FB2 から目標電気角を差し引いたΔＴを求める。回転等が安定していればＴ_FB2 と目標電気角とが等しくなってΔＴ＝０となるはずであるが、（Ａ）車両の加減速に伴う回転変動、（Ｂ）エンジン回転の脈動、（Ｃ）電気負荷の変動、（Ｄ）所定のプログラムをＣＰＵで実行して制御部１００を実現する場合の動作クロック周期の変動、（Ｅ）ドライバ１７０、１７２にＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフする指示を出してから実際にオフされるまでのターンオフ遅れ、などに伴ってΔＴが０にならないことが多い。

そこで、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７は、半周期前に下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９で用いられた下ＭＯＳオン期間をΔＴに基づいて補正して上ＭＯＳオン期間を設定し、ＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングを決定している。具体的には、補正係数をαとしたときに、上ＭＯＳオン期間は、以下の式で設定される。

（上ＭＯＳオン期間）＝（半周期前の下ＭＯＳオン期間）＋ΔＴ×α
同様に、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングは以下のようにして設定される。上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０６は、半周期前のハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオフしてから上アーム・オン期間の終了時点までの時間Ｔ_FB1 （図８）を演算し、下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、このＴ_FB1 から目標電気角を差し引いたΔＴを求める。下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、半周期前に上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７で用いられた上ＭＯＳオン期間をΔＴに基づいて補正して下ＭＯＳオン期間を設定し、ＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングを決定している。具体的には、補正係数をαとしたときに、下ＭＯＳオン期間は、以下の式で設定される。

（下ＭＯＳオン期間）＝（半周期前の上ＭＯＳオン期間）＋ΔＴ×α
このようにして、ダイオード整流を行う場合と同じ周期で、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０とローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１が交互にオンされ、ＭＯＳトランジスタ２０、５１を用いた低損失の整流動作が行われる。

（３）目標電気角の設定手法
次に、目標電気角の設定手法について説明する。目標電気角は、回転数に応じた値が設定される。それは、ＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフするタイミングが上アーム・オン期間や下アーム・オン期間の終了時点よりも遅くならないように同期制御を行うために必要な目標電気角の値（最小値）が回転数に依存するからである。具体的には、上述した上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７や下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９におけるオフタイミングの設定動作について説明したように、（Ａ）車両の加減速に伴う回転変動、（Ｂ）エンジン回転の脈動、（Ｃ）電気負荷の変動、（Ｄ）所定のプログラムをＣＰＵで実行して制御部１００を実現する場合の動作クロック周期の変動、（Ｅ）ドライバ１７０、１７２にＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフする指示を出してから実際にオフされるまでのターンオフ遅れ、などに伴ってΔＴが０にならないのと同じ理由で、必要な目標電気角の値を回転数に応じて変化させている。

図８は、車両が急加速（回転数が急激に上昇）する場合を想定した電気角の変動の様子を示す図である（上記のＡのケースに対応する）。図８において、横軸は車両用発電機１の回転数を、縦軸は車両用発電機１の回転数が１秒間で２０００ｒｐｍから１６０００ｒｐｍまで上昇する回転変動が生じたときに上アーム・オン期間と下アーム・オン期間の長さがどの程度変動したかを表す電気角をそれぞれ示している。なお、図８において実線で示す特性は回転子が８極の場合に、点線で示す特性は回転子が６極の場合に対応している。

図８に示すように、回転数が低いほど電気角で表したオン期間変動の程度が大きくなり、回転数が高いほど電気角で表したオン期間変動の程度が小さくなる。この特性を反映させると、低回転域になるほど目標電気角を大きな値に設定し、高回転域になるほど目標電気角を小さな値に設定する必要があるといえる。

図９は、エンジン回転が±４０ｒｐｍ変動する場合を想定した電気角の変動の様子を示す図である（上記のＢのケースに対応する）。図９において、横軸は車両用発電機１の回転数を、縦軸はプーリ比を２．５として上述したエンジン回転の変動が生じたときに上アーム・オン期間と下アーム・オン期間の長さがどの程度変動したかを表す電気角をそれぞれ示している。なお、図９において実線で示す特性は回転子が８極の場合に、点線で示す特性は回転子が６極の場合に対応している。

図９に示すように、回転数が低いほど電気角で表したオン期間変動の程度が大きくなり、回転数が高いほど電気角で表したオン期間変動の程度が小さくなる。この特性を反映させると、低回転域になるほど目標電気角を大きな値に設定し、高回転域になるほど目標電気角を小さな値に設定する必要があるといえる。

図１０は、電気負荷が急激に変動する場合を想定した電気角の変動の様子を示す図である（上記のＣのケースに対応する）。図１０において、横軸は車両用発電機１の回転数を、縦軸は５０Ａの電気負荷１０が切断されて出力電圧Ｖ_B が１３．５Ｖ〜１４．０Ｖに変更したときに上アーム・オン期間と下アーム・オン期間の長さがどの程度変動したかを表す電気角をそれぞれ示している。なお、図１０において実線で示す特性は回転子が８極の場合に、点線で示す特性は回転子が６極の場合に対応している。

図１０に示すように、回転数が低いほど電気角で表したオン期間変動の程度が大きくなり、回転数が高いほど電気角で表したオン期間変動の程度が小さくなる。この特性を反映させると、低回転域になるほど目標電気角を大きな値に設定し、高回転域になるほど目標電気角を小さな値に設定する必要があるといえる。

図１１は、ドライバ１７０、１７２におけるターンオフ遅れを想定した電気角の変動の様子を示す図である（上記のＥのケースに対応する）。図１１において、横軸は車両用発電機１の回転数を、縦軸はドライバ１７０、１７２のそれぞれにオフする指示を行ってから実際にオフされるまでのターンオフ遅れを１５μ秒としたときに上アーム・オン期間と下アーム・オン期間の長さがどの程度変動したかを表す電気角をそれぞれ示している。なお、図１１において実線で示す特性は回転子が８極の場合に、点線で示す特性は回転子が６極の場合に対応している。

図１１に示すように、回転数が低いほど電気角で表したオン期間変動の程度が小さくなり、回転数が高いほど電気角で表したオン期間変動の程度が大きくなる。この特性を反映させると、低回転域になるほど目標電気角を小さな値に設定し、高回転域になるほど目標電気角を大きな値に設定する必要があるといえる。

また、上記以外では、クロック周期の変動を考慮する必要がある（上記のＤのケースに対応する）。例えば、２ＭＨｚのシステムクロックを使用する場合にその精度が±β％、すなわちβ％の変動があるものとすると、上アーム・オン期間と下アーム・オン期間の長さの変動は、高回転域ほど大きくなり、低回転域ほど小さくなる。これは、クロックの精度は回転数に関係なく一定であるが、相電圧Ｖ_P の電気角１周期分の時間は高回転域になるほど短くなるため、オン期間に占めるクロック変動分の相対的な割合が大きくなるからである。この特性を反映させると、低回転域になるほど目標電気角を小さな値に設定し、高回転域になるほど目標電気角を大きな値に設定する必要があるといえる。

図１２は、上述したＡからＥのケースに対応する各種の要因の組合せを想定した電気角の変動の様子を示す図である。図１２において、横軸は車両用発電機１の回転数を、縦軸は各種の要因に対応した電気角変動の累積値をそれぞれ示している。なお、図１２に示す特性Ｓは回転子が８極の場合の電気角変動の累積値である。

図１２に示すように、ＡからＥのケースに対応する各種の要因を組み合わせると、低速回転域と高速回転域において電気角変動の程度が大きくなり、中速回転域において電気角変動の程度が小さくなることがわかる。目標電気角設定部１０５は、この特性を反映させて、すなわち、低速回転域と高速回転域において目標電気角の値を大きく、中速回転域において目標電気角の値を小さく設定する。図１２においてＰ、Ｑで示された２種類の特性は、このようにして設定された目標電気角を示している。一方のＰで示された目標電気角は、回転数に応じて値が連続的に変化するようにしたものである。この場合には、回転数に応じて目標電気角の最小値を設定することが可能となる。また、他方のＱで示された目標電気角は、回転数に応じて値が階段状に変化するようにしてものである。この場合には、例えば回転数に応じて変化する複数の値をテーブルの形式で記憶しておけばよいため、目標電気角の可変設定に必要な構成を簡略化することができる。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、目標電気角の値を回転数に応じて可変設定することにより、ＭＯＳトランジスタ５０、５１がオフされてからダイオードに電流が流れる期間を確保するとともにこの期間を短くすることができるため、ダイオード整流によって生じる損失を低減し、発電効率の向上を図ることが可能となる。特に、低速回転域および高速回転域では目標電気角の値を大きく、中速回転域では目標回転角の値を小さく設定することにより、目標電気角の適切な値を回転数毎に設定することができ、損失低減および発電効率の向上を各回転域で実現することができる。

また、目標電気角を連続的に変化させることにより、回転数等に応じて目標電気角の最小値を設定することが可能となり、損失を最小限に抑えて発電効率を最大とすることができる。また、目標電気角を階段状に可変することにより、目標電気角の可変設定に必要な構成を簡略化することができる。

ところで、上述した実施形態では、目標電気角の値を回転数に応じて可変設定したが、さらに温度や出力電流を回転数と組み合わせて目標電気角の値を設定するようにしてもよい。

例えば、一般に、クロック発生器が発生するクロックの周期は温度が高くなるほど変動が大きくなる。このクロック発生器が整流器モジュール５Ｘ等に内蔵されている場合を考えると、温度検出部１５０によって検出される温度はこのクロック発生器の温度と一致すると考えることができる。目標電気角設定部１０５は、温度検出部１５０によって検出された温度が高く、かつ、回転数に対して目標電気角が増加しているときに目標電気角を大きな値に設定し、温度が低いほど目標電気角を小さな値に設定する。温度による影響を加味することにより、さらに目標電気角の適切な値を設定することができ、さらなる損失低減および発電効率向上が可能となる。

また、一般に、出力電流が多いほど相電圧Ｖ_P の上昇および下降が急峻になり、反対に出力電流が少ないほど相電圧Ｖ_P の上昇および下降がなだらかになる。上述したように、上アーム・オン期間が終了する時点と実際にＭＯＳトランジスタ５０と並列なダイオードに流れる電流が停止するタイミングとはずれており、このずれの程度は、相電圧Ｖ_P の変化がなだらかになる小出力時の方が顕著になる。目標電気角設定部１０５は、出力電流が少ないほど目標電気角を大きな値に設定し、出力電流が多いほど目標電気角を小さな値に設定する。出力電流変化による影響を加味することにより、さらに目標電気角の適切な値を設定することができ、さらなる損失低減および発電効率向上が可能となる。なお、出力電流の大小は、発電制御装置７のＦ端子から界磁巻線４に供給されるＰＷＭ信号のオンデューティを監視することにより判定することができる。あるいは、出力電流の大小は、例えば図２に示すＭＯＳトランジスタ５１のソースとバッテリ９の負極端子（アース）との間に電流検出用抵抗を挿入し、この電流検出用抵抗の両端電圧に基づいて判定するようにしてもよい。図１３および図１４は電流検出部を追加して出力電流の大小を判定する変形例の構成を示す図である。図１３に示す構成は、図２に示した整流器モジュール５Ｘに対して、電流検出用抵抗５５を追加したものである。図１４に示す構成は、図３に示した制御回路５４に対して出力電流検出部１５２を追加したものである。この出力電流検出部１５２は、電流検出用抵抗５５の両端電圧に基づいて出力電流を検出する。なお、この場合には、整流器モジュール５ＸのＭＯＳトランジスタ５１を流れる電流値に基づいて出力電流の大小を判定することになるが、代わりに、充電線１２あるいは出力端子に流れる電流値を電流センサを用いて直接検出して出力電流の大小を判定するようにしてもよい。

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、目標電気角設定部１０５は、通電期間（上アーム・オン期間、下アーム・オン期間）が終わるタイミングよりもＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフするタイミングの方が遅くなる頻度が増加したときに、目標電気角の値を大きくするようにしてもよい。これにより、何らかの原因により通電期間よりもＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフするタイミングが遅れた状態が頻繁に発生する場合であっても、速やかに、通電期間が終わる前にＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフするように制御内容を変更することが可能になる。

また、上述した実施形態では、低速回転域および高速回転域では目標電気角の値を大きく、中速回転域では目標回転角の値を小さく設定する場合について説明したが、低速回転域と中速回転域との関係に着目して、あるいは、中速回転域と高速回転域との関係に着目して目標電気角の可変設定を行うようにしてもよい。

具体的には、回転数を低速回転域、中速回転域、高速回転域に分けたときに、目標電気角設定部１０５は、回転数演算部１０１によって演算された回転数が低速回転域では目標電気角の値を大きく、中速回転域では目標回転角の値を小さく設定する。これにより、中速回転域までの範囲で目標電気角の適切な値を回転数毎に設定することができ、損失低減および発電効率の向上を中速回転域までの範囲で実現することができる。この場合には高速回転域での目標電気角は、上述した実施形態（図１２）と同様に回転数上昇に伴って大きくしてもよいが一定としてもよい。

あるいは、回転数を低速回転域、中速回転域、高速回転域に分けたときに、目標電気角設定部１０５は、回転数演算部１０１によって演算された回転数が高速回転域では目標電気角の値を大きく、中速回転域では目標回転角の値を小さく設定することが望ましい。これにより、中速回転域以上の範囲で目標電気角の適切な値を回転数毎に設定することができ、損失低減および発電効率の向上を中速回転域以上の範囲で実現することができる。この場合には低速回転域での目標電気角は、上述した実施形態（図１２）と同様に回転数低下に伴って大きくしてもよいが一定としてもよい。

また、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。

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に供給して電動動作を行わせる車両用回転電機に本発明を適用することができる。

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。

上述したように、本発明によれば、目標電気角の値を回転数に応じて可変設定することにより、ＭＯＳトランジスタ５０、５１がオフされてからダイオードに電流が流れる期間を確保するとともにこの期間を短くすることができるため、ダイオード整流によって生じる損失を低減し、発電効率の向上を図ることが可能となる。

１ 車両用発電機
２、３ 固定子巻線
４ 界磁巻線
５、６ 整流器モジュール群
５Ｘ、５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ 整流器モジュール
７ 発電制御装置
８ ＥＣＵ
９ バッテリ
１０ 電気負荷
１２ 充電線
５０、５１ ＭＯＳトランジスタ
５４ 制御回路
１００ 制御部
１０１ 回転数演算部
１０２ 同期制御開始判定部
１０３ 上ＭＯＳオンタイミング判定部
１０４ 下ＭＯＳオンタイミング判定部
１０５ 目標電気角設定部
１０６ 上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部
１０７ 上ＭＯＳオフタイミング演算部
１０８ 下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部
１０９ 下ＭＯＳオフタイミング演算部
１１０ 出力電圧検出部
１１１ ロードダンプ判定部
１１２ 電源起動・停止判定部
１２０ 上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部
１３０ 下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部
１５０ 温度検出部
１６０ 電源

Claims (13)

1. ２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、
   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る複数の上アームおよび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と、
   前記スイッチング素子のオンタイミングを設定するオンタイミング設定部と、
   回転数を演算する回転数演算部と、
   前記相巻線の相電圧が第１のしきい値に達した後第２のしきい値に達するまでを通電期間とし、前記スイッチング素子をオフしてから前記通電期間の終了時点までの期間を電気角で表した目標電気角としたときに、前記回転数演算部によって演算された回転数に応じて前記目標電気角の値を設定する目標電気角設定部と、
   前記通電期間の終了時点までの期間が前記目標電気角となるように、前記スイッチング素子のオフタイミングを設定するオフタイミング設定部と、
   前記オンタイミング設定部によって設定されたオンタイミングおよび前記オフタイミング設定部によって設定されたオフタイミングで前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動部と、
   を備えることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記目標電気角設定部は、前記回転数演算部によって演算された回転数が低速回転域および高速回転域では前記目標電気角の値を大きく、中速回転域では前記目標回転角の値を小さく設定することを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１において、
   回転数を低速回転域、中速回転域、高速回転域に分けたときに、
   前記目標電気角設定部は、前記回転数演算部によって演算された回転数が低速回転域では前記目標電気角の値を大きく、中速回転域では前記目標回転角の値を小さく設定することを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１において、
   回転数を低速回転域、中速回転域、高速回転域に分けたときに、
   前記目標電気角設定部は、前記回転数演算部によって演算された回転数が高速回転域では前記目標電気角の値を大きく、中速回転域では前記目標回転角の値を小さく設定することを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   温度を検出する温度検出部をさらに備え、
   前記目標電気角設定部は、前記温度検出部によって検出された温度に応じて前記目標電気角の値を設定することを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項５において、
   前記目標電気角設定部は、前記温度検出部によって検出された温度が高く、かつ、回転数に対して前記目標電気角が増加しているときに高速回転域における前記目標電気角の値を大きく、温度が低いときに高速回転域における前記目標電気角の値を小さく設定することを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記目標電気角設定部は、出力電流の大小に応じて前記目標電気角の値を設定することを特徴とする車両用回転電機。
8. 請求項７において、
   前記目標電気角設定部は、出力電流が大のときに前記目標電気角の値を小さく、出力電流が小のときに前記目標電気角の値を大きく設定することを特徴とする車両用回転電機。
9. 請求項７または８において、
   前記目標電気角設定部は、前記出力電流の大小を界磁極に含まれる界磁巻線に流れる励磁電流の駆動デューティの値に基づいて判定することを特徴とする車両用回転電機。
10. 請求項７または８において、
    前記出力電流を検出する出力電流検出部をさらに備え、
    前記目標電気角設定部は、前記出力電流の大小を前記出力電流検出部による検出結果に基づいて判定することを特徴とする車両用回転電機。
11. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、
    前記目標電気角設定部による前記目標電気角の可変設定は、前記目標電気角を連続的に可変することにより行われることを特徴とする車両用回転電機。
12. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、
    前記目標電気角設定部による前記目標電気角の可変設定は、前記目標電気角を階段状に可変することにより行われることを特徴とする車両用回転電機。
13. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、
    前記目標電気角設定部は、前記通電期間が終わるタイミングよりも前記スイッチング素子をオフするタイミングの方が遅くなる頻度が増加したときに前記目標電気角の値を大きくすることを特徴とする車両用回転電機。

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