Beschreibung

Titel

Generator mit Gleichrichteranordnung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Generator mit einer zugehörigen Gleichrichteranordnung, insbesondere einen Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge.

Zur elektrischen Spannungs- bzw. Stromversorgung für die Verbraucher eines

Kraftfahrzeugs werden üblicherweise Drehstromgeneratoren eingesetzt. Diese Drehstromgeneratoren sind mit drei- oder mehr Phasen ausgeführt. Zur Erzeugung der benötigten Gleichspannung bzw. des benötigten Gleichstroms umfassen die eingesetzten Generatoren bzw. Drehstromgeneratoren Gleichrichter mit gleichrichtenden Elementen, die bei einem Dreiphasengenerator üblicherweise aus sechs pn-Dioden aus Silizium bestehen. üblicherweise werden die Dioden in ein Einpressdiodengehäuse verpackt und in dafür vorgesehene öffnungen des Gleichrichters eingepresst. Solche Einpressdioden sind beispielsweise aus der DE-195 49 202 A bekannt.

Konventionelle Gleichrichter mit wie vorstehend ausgestalteten Dioden haben Durchlassverluste, die von den unumgänglichen Flussspannungen der pn- Dioden verursacht werden. Damit einher geht eine Wirkungsgradverschlechterung des Generators. Da im Mittel immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind, betragen die mittleren Durchlassverluste bei einem 100 Ampere-Generator ca.

200 Watt. Die durch diese Verluste verursachte Aufheizung der Dioden bzw. des Gleichrichters muss durch aufwendige Kühlmaßnahmen, beispielsweise einen geeigneten Kühlkörper sowie einen zugehörigen Lüfter verringert werden.

Eine deutliche Reduzierung des Spannungsabfalls und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades eines Generators kann durch Verwendung von Leistungsfeldeffekttransistoren anstatt Dioden erzielt werden. Diese Leistungsfeldeffekttransistoren müssen, damit sie als Gleichrichter arbeiten, aktiv angesteuert wer- den. Eine solche aktive Gleichrichtung ist wesentlich aufwändiger als eine einfache Diodengleichrichtung bei herkömmlichen Gleichrichtern, da bei aktiver Gleichrichtung eine zusätzliche Ansteuerelektronik benötigt wird. Dabei ist auch die thermisch-mechanische Auslegung des Generators beim Einsatz von Leistungsfeldeffekttransistoren gegenüber herkömmlichen Generatoren vollkommen neu zu gestalten.

Der erfindungsgemäße Generator mit zugehörender Gleichrichteranordnung mit den vorteilhaften gleichrichtenden Elementen hat demgegenüber den Vorteil, dass der Spannungsabfall an den gleichrichtenden Elementen deutlich geringer ausfällt als bei gewöhnlichen Diodengleichrichtern mit pn-Siliziumdioden. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann im Prinzip ein beliebig niedriger Spannungsabfall wie er sonst nur mit Feldeffekttransistoren erzielt werden könnte, erreicht werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Diodengleichrichtern, bei denen aus prinzipiellen Gründen mindestens die Flussspan- nung bzw. Diffusionsspannung von ca. 0,8 Volt aufgebracht werden muss.

Die vorteilhafter Weise aus zwei Halbleiterchips bestehende Gleichrichteranordnung als Bestandteil eines Generators kann in besonders vorteilhafter Weise in einem Gehäuse, vorzugsweise in einem Einpressdiodengehäuse verpackt wer- den, damit kann auf aufwendige Um- oder Neukonstruktionen des Generators bzw. des zugeordneten Gleichrichters verzichtet werden und es lassen sich herkömmliche Generatoren so weiterbilden bzw. verbessern, dass sie mit geringeren Verlusten arbeiten. Mit dem erfindungsgemäßen Generator sowie der zugeordneten Gleichrichteranordnung wird also in vorteilhafter Weise der Generator- Wirkungsgrad erhöht und infolge der geringeren Verluste werden die maximal auftretenden Temperaturen reduziert, ohne dass die mechanische Konstruktion des Generators bzw. Gleichrichters gegenüber herkömmlichen Generatoren bzw. Gleichrichtern geändert werden muss.

Offenbarung der Erfindung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Generators mit zugeordnetem Gleichrichter im Schaltbild. Figur 2 zeigt den Aufbau und die Verschaltung eines gleichrichtenden Elements. In Figur 3 Ist die elektrische Kennlinie eines gleichrichtenden E- lements nach Figur 2 in willkürlichen Einheiten dargestellt und Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schaltbild.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Generators samt zugehöriger Gleichrichteranordnung mit den erfindungsgemäßen gleichrichtenden Elementen dargestellt. Dabei bezeichnet 1 einen in Sternschaltung betriebenen Drehstromgenerator mit den Phasen oder Phasensträngen bzw. Wicklungen U, V und W und der rotierbaren Erregerwicklung E. Als Generator bzw. Drehstromgenerator 1 kann beispielsweise ein für Kfz-Generatoren üblicher Klauenpolgenerator Verwendung finden. Es sind aber auch andere Genera- toren, auch solche mit mehr als drei Phasenwicklungen möglich. Auch eine andere elektrische Verschaltung innerhalb des Generators, wie beispielsweise eine Dreieckverschaltung ist möglich.

Wesentlich ist, dass das gleichrichtende Element 2, das einer Diode bei einem herkömmlichen Generator entspricht, einen speziellen Aufbau aufweist. Beispielsweise besteht das gleichrichtende Element 2 aus einer Reihenschaltung eines selbstleitenden n-Kanal JFETs (Junction Field-Effect Transistor) und eines selbstleitenden p-Kanal JFETs besteht, bei dem die Gateanschlüsse auf die jeweiligen Drain- bzw. Sourceanschlüsse des anderen JFETs, die den Kontakt nach außen darstellen, verschaltet sind. Die Kontakte nach außen sind die Anode A bzw. die Kathode K. Die Verschaltung der sechs gleichrichtenden Elemente 2 mit dem Drehstromgenerator bzw. dessen Phasen bzw. Wicklungen U, V, W ist der Figur 1 zu entnehmen. Zwischen dem Ausgang + und Masse entsteht die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators, die zur Versorgung der Bordnetzverbraucher und zur Ladung der Batterie (jeweils nicht dargestellt) dient.

Beide Transistoren eines gleichrichtenden Elements 2 können in einem Gehäuse verpackt und verschaltet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verpackung der Transistoren in einem herkömmlichen Einpressdiodengehäuse.

Der Aufbau und die Verschaltung eines gleichrichtenden Elements 2 mit zwei Junction Field-Effect Transistoren (JFET) ist schematisch in Figur 2 aufgezeigt. Die beiden Anschlüsse des gleichrichtenden Elements 2 werden mit Anode A und Kathode K bezeichnet. Der n-Kanal JFET ist mit 3 und der p-Kanal JFET ist mit 4 bezeichnet. 5 und 6 bezeichnen die jeweiligen Gateanschlüsse. Die Drain- und Sourceanschlüsse sind in der Darstellung nicht mit einem Bezugszeichen versehen.

Das elektrische Verhalten einer Anordnung bzw. eines gleichrichtenden EIe- ments gemäß Figur 2 ist in Figur 3 illustriert. Bei Anlegen einer positiven Spannung an den Anschluss bzw. die Anode A des gleichrichtenden Elements 2 verhält dieses sich wie ein sehr niederohmiger Widerstand. Der Spannungsabfall ist also gering. Bei sehr hohen Strömen werden die Gate-pn-übergänge schließlich in den Durchlassbetrieb getrieben und es ergibt sich eine Diodenkennlinie. Aller- dings ist dieser Betriebszustand nicht vorteilhaft, die Bauelemente werden daher so ausgelegt, dass der Spannungsabfall deutlich kleiner als eine Flussspannung bleibt.

Bei Anlegen einer negativen Spannung an den Anschluss bzw. die Anode A ei- nes gleichrichtenden Elements 2 verhält sich dieses im ersten Moment ebenfalls wie ein sehr niederohmiger Widerstand. Allerdings wird der Strom mit zunehmender Spannung begrenzt und fällt dann schnell auf einen vernachlässigbaren Sperrstrom ab (Rückkopplung), durch geeignete Auslegung der JFETs kann beispielsweise ab 1 Volt Sperrspannung der Strom abgeschaltet sein. Eine weitere Erhöhung der Spannung hat keinen Stromanstieg zur Folge. Bei einer Spannung, die der Summe der Gate-Source- bzw. Gate-Drain-Durchbruchspannung der JFETs entspricht, tritt der bei pn-übergängen bekannte Avalanchedurchbruch auf, der einen weiteren Spannungsanstieg verhindert. Dieser Betriebsmodus kann wie bei Zenerdioden in Vorteilhafterweise zur Begrenzung der Generator- Spannung im Load-Dump-Fall verwendet werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 4 als Schaltbild dargestellt. Dabei sind die selbstleitenden JFETs aus des gleichrichtenden Elements 2 in Figur 1 durch selbstleitende MOS- Feldeffekttransistoren (Depletion MOSFET) ersetzt. Die zugehörige Gleichrichteranordnung ist in Figur 4 gezeigt, mit den gleichrichtenden Elementen 7. Der p-Kanal JFET des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 ist durch einen selbstleitenden p-Kanal MOSFET und der n- Kanal JFET durch einen selbstleitenden n-Kanal MOSFET ersetzt. Wieder erfolgt die Verschaltung der Gateanschlüsse zu den gegenüberliegenden äußeren An- Schlüssen analog zur Verschaltung der Gleichrichteranordnung mit den gleichrichtenden Elementen 2 in Figur 1 bzw. 7 in Figur 4. Auch diese beiden Transistoren können gemeinsam in einem Gehäuse, beispielsweise in einem Einpressdiodengehäuse montiert werden. Es werden beim Zusammenbau mit einem (herkömmlichen) Drehstromgenerator wiederum keine wesentlichen änderungen erforderlich.