專利名稱：車輛用交流發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及備有電力變換器(將交流電壓變換成直流電壓)和勵磁電流控制器(控制勵磁線圈)的車輛用交流發(fā)電機。
本發(fā)明的車輛用交流發(fā)電機可適用于由發(fā)動機驅(qū)動的交流發(fā)電機以及把剎車時的運動能量再生成電力的、可以電動發(fā)電的交流發(fā)電機和電力汽車用行駛馬達。
眾所周知，車輛用交流發(fā)電機備有三相全波整流器和對各半導(dǎo)體功率器件進行同步斷續(xù)控制的控制器，三相全波整流器具有高端的半導(dǎo)體功率器件和低端的半導(dǎo)體功率器件，并將其分別連接在車輛用交流發(fā)電機的三相電樞繞組(線圈)的各出線端以及蓄電池的高壓端和低壓端，利用該三相全波整流器把三相電樞繞組的交流電壓變換成直流，然后送入蓄電池。例如，在特開平4-138030號公報中公開了采用MOS功率晶體管作為上述半導(dǎo)體功率器件。
這種MOS功率晶體管通常采用縱型MOS功率晶體管結(jié)構(gòu)，為了確保耐壓性能和減小導(dǎo)通電阻，利用N型硅(Si)襯底作為MOS功率晶體管的一個主電極，在芯片表面上形成的P型阱區(qū)的表面上再形成N+型區(qū)作為另一個主電極。
另一方面，為了控制車輛用交流發(fā)電機的輸出電流，一般是在三相全波整流器的兩個輸出端之間串聯(lián)勵磁線圈和開關(guān)晶體管，并通過勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管來對流入勵磁線圈的勵磁電流進行斷續(xù)控制。為了縮短接線和減少電磁噪音，通常把該勵磁電流控制器設(shè)置在車輛用交流發(fā)電機外殼的內(nèi)面或外面。
該開關(guān)晶體管，過去采用以硅為材料的雙極性晶體管或MOS功率晶體管。
采用上述MOS功率晶體管的三相全波整流器，其結(jié)構(gòu)是，具有過去的三相全波整流器的PN結(jié)二極管功能的寄生二極管和MOS功率晶體管進行并聯(lián)，所以，與采用過去的硅二極管的三相全波整流器相比，有可能使功率損耗減小，減小的量相當于結(jié)二極管的順向壓降損耗部分。
但是，通過本發(fā)明人的分析，現(xiàn)已證明上述MOS功率晶體管式三相全波整流器存在以下問題。
車輛用交流發(fā)電機，由于三相電樞繞組和勵磁線圈存儲的磁能很大，所以，為防止該能量瞬間放出而造成事故，三相全波整流器的各個半導(dǎo)體功率器件的耐壓值必須設(shè)定為高出蓄電池電壓，即三相全波整流器輸出整流電壓的20倍以上，例如設(shè)定為300V左右。
再者，鑒于車載電負荷(例如除霜用加熱器等)增加，故需要100A以上的輸出電流。這種高耐壓、大電流結(jié)構(gòu)的MOS功率晶體管的功率損耗量達到了二極管的損耗量，其結(jié)果，使得特意利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的MOS功率晶體管來代替二極管這一方法失去了意義。
現(xiàn)參照圖3(a)、圖3(b)、圖4和圖5，對上述MOS功率晶體管式三相全波整流器存在的問題進一步詳細分析如下。其中，圖3(a)、圖3(b)是表示MOS功率晶體管管式三相全波整流器的一相部分的整流器電路，圖3(a)表示N溝道時，圖3(b)表示P溝道時。另外，圖4和圖5表示典型的MOS功率晶體管的斷面結(jié)構(gòu)。
圖3(a)的N溝道MOS功率晶體管的整流器電路中，高端的MOS功率晶體管101的漏極D和低端的MOS功率晶體管102的源極S與三相交流發(fā)電機(圖中未示出)的一相輸出端相接;低端的MOS功率晶體管102的漏極D與蓄電池(圖中未示出)的低電位端相接;高端的MOS功率晶體管101的源極S與蓄電池的高電位端相接。順便說一下，蓄電池充電時充電電流的流向與電子移動方向是相反的。
并且，在上述MOS功率晶體管101、102中，P型阱區(qū)和源極S或漏極D之間，從原理上講，如圖所示將產(chǎn)生源連接一方的寄生二極管Ds和漏連接一方的寄生二極管Dd。
通常，由于需要向P型阱區(qū)施加電壓，把P型阱區(qū)與源極S連接，或者與漏極D連接。但是，當利用該整流器電路作為三相全波整流器的一相電路時，如圖3(a)所示，使P型阱區(qū)(例如圖4、圖5中的103)與漏極D(例如圖4、圖5中的104)連接。通過向該P型阱區(qū)施加電壓，可以使漏連接一方的寄生二極管Dd導(dǎo)通短路。
再者，如果將P型阱區(qū)(例如圖4、圖5中的103)與源極S(例如圖4、圖5中的106)相接，并使源連接一方的寄生二極管Ds導(dǎo)通短路，那么，在車輛用交流發(fā)電機的三相全波整流器中，當連接在高端的MOS的功率晶體管的漏極的交流電壓低于蓄電池電壓時，電流就會通過漏連接一方的寄生二極管Dd反向流動。同樣，如果連接在低端的MOS功率晶體管的源極S的電壓高于蓄電池低電位端的(接地電位)電壓，那么電流就會通過漏連接一方的寄生二極管Dd反向流動。所以，為了防止通過這種寄生二極管Dd的電流反向流動，必須使P型阱區(qū)103連接到漏極上，以便利用源連接一方的寄生二極管Ds來阻止上述電流反向流動。
也就是說，歸根結(jié)底，在車輛用交流發(fā)電機的三相全波整流器中采用的MOS功率晶體管的P型阱區(qū)(例如圖4、圖5中的103)，必須連接到漏極D上。這一點對圖3(b)所示的P溝道MOS功率晶體管也是一樣的。
但是，圖4、圖5所示的過去的MOS功率晶體管結(jié)構(gòu)，不得不把P型阱區(qū)103與其表面部分的N+型區(qū)104短路，并使P型阱區(qū)103和N型外延耐壓層105之間的耗盡層107離開PN結(jié)向N型外延耐壓層一側(cè)伸展，以提高耐壓強度。
也就是說，上述圖4、圖5所示的過去的MOS功率晶體管結(jié)構(gòu)，當構(gòu)成上述車輛交流發(fā)電機的三相全波整流器時，不得不把N+型襯底106作為源區(qū)，把N+型104作為漏區(qū)。但是，這樣以來，相當于在實際的源極S’與源極之間串聯(lián)了N型耐壓層105的較大的源寄生電阻Rs。
為簡化計算式對閾值電壓Vt忽略不計，假定K為比例常數(shù)，△Vgs為柵源電壓(Vg-Vs)，Vg為柵極壓降，Vs’＝Vs+Idsat·Rs為實際源極S’的電位，那么，MOS晶體管的漏飽和電流Idsat可用下式表示Idsat＝K(Vg-Vs’)2＝K(△Vgs-Idsat·Rs)2即，漏飽和電流(施加給定柵極電壓的最大電流)Idsat等于柵極電壓Vg按Idsat·Rs的大小相應(yīng)降低后的計算結(jié)果值。另外，對襯底效應(yīng)造成的閾值電壓Vt的變化也忽略不計。
例如，柵極電壓為+20V，源極(畜電池)電位為+12V，電流為100A，源寄生電阻Rs為0.05歐姆，則實際的源極電位Vs’為17V，溝道電流與Rs為0時相比下降到9/64。也就是說，將寄生電阻Rs稍微增大一點，溝道電流就大幅度減小。如果對這種電流減小作用換句話來說，就是把溝道電阻增加作用稱之為源電阻反饋效應(yīng)。
上式是漏電流飽和區(qū)的計算式，但不飽和區(qū)也是如此，漏極不飽和電流同樣隨Rs的增大而減小。這種漏電流的減小意味著溝道電阻的增大，上述源寄生電阻Rs的增大，除本身造成功率損耗外，還帶來由于溝道電阻增加而造成的功率損耗，所以，使總的功率損耗和發(fā)熱大大增加。
當然，在圖4和圖5的MOS功率晶體管結(jié)構(gòu)中，為了減小源寄生電阻Rs，可以將N型耐原層105減薄。但是，如上所述，在車輛用交流發(fā)電機中必須能耐300V的高壓，所以，很難使N型耐壓層減薄。
也就是說，在通常的硅MOS功率晶體管中，硅的擊穿電場強度約為30V/μm，如果僅靠N耐壓層105來承受上述300V的高壓，那么，即使N型耐壓層105中的電場強度是一定的，也需要10μm的厚度。假定N型耐壓層105中的電場強度約為30V/μm，為使N型耐壓層105承受300V的高壓，實際上其厚度要達到約20μm以上，必須使其雜質(zhì)濃度達到約1×1015原子/cm3以下。
為確保耐壓強度，要形成具有上述厚度和雜質(zhì)濃度的N型耐壓層105，這樣一來將造成上述源寄生電阻Rs增大并由此造成電阻損耗，同時使上述漏電流減小(溝道電阻明顯增大)。其結(jié)果是，上述公報的MOS功率晶體管式三相全波整流器在車輛用交流發(fā)電機中使用(即電抗負荷方面)時，從理論上講并不會優(yōu)于PN結(jié)二極管式三相全波整流器，反而使結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜的缺點，因此，實際使用時并無優(yōu)點。
另一方面，在上述圖4和圖5的MOS功率晶體管結(jié)構(gòu)中，也可以考慮以N+型區(qū)104為源極，以N+型襯底106為漏極，如圖3(a)所示對P型阱區(qū)103和N+型漏區(qū)106進行短路。
然而，利用這種方式，在N+型區(qū)(源極)104和P型阱區(qū)103之間很難保證高達300V的耐壓強度;在柵極和P型阱區(qū)107以及N+型區(qū)104之間也很難保證耐壓強度。
由于上述原因，在把車輛用交流發(fā)電機的交流電壓變換成直流電壓的電力變換器中所用的MOS功率晶體管，如選用現(xiàn)有的硅MOS功率晶體管，則很難達到目的。為了制作出MOS功率晶體管式電力變換器必須大幅度減小耐壓層電阻。為此必須大大減小耐壓層厚度和大大提高雜質(zhì)濃度。再者，只有大大提高耐壓層的擊穿電場強度才能大大減小耐壓層厚度和提高雜質(zhì)濃度。本發(fā)明人根據(jù)上述分析結(jié)果得出的結(jié)論是，如果能提高耐壓層的擊穿電場強度，則可以大大減小車輛用交流發(fā)電機的電力變換器的損耗和發(fā)熱。
其次，對車輛用交流發(fā)電機的輸出電流和上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管的特性二者的關(guān)系分析如下。
作為開關(guān)晶體管的MOS功率晶體管或雙極性功率晶體管所允許的最大溫升有一定極限(例如其表面溫度為數(shù)十度)，開關(guān)晶體管的允許最大發(fā)熱量Qmax取決于該允許溫升△T。另外，允許最大發(fā)熱量Qmax＝r×Imax2＝f(rt，s，△T)，r為開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻，Imax為最大勵磁電流，f為函數(shù)，rt為散熱電阻，s為散熱面積。
構(gòu)成車輛用交流發(fā)電機勵磁電流控制用開關(guān)晶體管的過去的晶體管，其導(dǎo)通電阻r有一定的最低值。
也就是說，在上述車輛用交流發(fā)電機中，由于三相電樞繞組和勵磁線圈存儲的磁能很大，一旦瞬間放電的事故產(chǎn)生(例如蓄電池端子脫離和產(chǎn)生負荷切斷電壓)，則會有很高的浪涌電壓通過三相全波整流器的高電位輸出端加到開關(guān)晶體管上。因此，該開關(guān)晶體管的耐壓指標必須設(shè)計得很高(例如即使對額定電壓為14V的車輛用來流發(fā)電機也必須設(shè)計為300V以上)。
然而，過去用硅作材料的電力用雙極性晶體管或電力用MOS晶體管，有一定的雪崩擊穿電場強度。所以，為了在不擊穿晶體管的條件下提高耐壓強度，在增加耐壓層厚度的同時不得不降低雜質(zhì)濃度。其結(jié)果不能使開關(guān)晶體的電阻率降低到一定值以下。另外，為減小導(dǎo)通電阻r，增大芯片尺寸是有效的辦法，但是，芯片尺寸增大到一定限度(例如10mm見方)以上時，產(chǎn)品合格率就要下降，所以這種辦法也很困難。因此，過去的開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻r受耐壓層電阻率高和芯片面積小的影響而限制在一定值以上。
也就是說，車輛用交流發(fā)電機隨著磁能的放出會產(chǎn)生很高的浪涌電壓，所以開關(guān)晶體管具有很高的導(dǎo)通電阻r。為了把開關(guān)晶體管的發(fā)熱量降低到允許最大發(fā)熱最Qmax以下，不得不把最大勵磁電流Imax限制在較小的數(shù)值以下。
車輛用交流發(fā)電機的最大磁通量Φmax幾乎與最大勵磁電流Imax成正比，車輛用交流發(fā)電機的輸出功率取決于最大磁通量Φmax，所以車輛用交流發(fā)電機的開關(guān)晶體管需要很高的耐壓強度，這對提高車輛用交流發(fā)電機的輸出功率造成很大限制。
當然，為了增大開關(guān)晶體管的允許最大發(fā)熱量Qmax即最大勵磁電流Imax，可以并聯(lián)使用多個開關(guān)晶體管。但又帶來器件成本提高，占用面積增大的新問題。
另外，也可考慮通過提高開關(guān)晶體管的散熱特性來增大最大勵磁電流Imax。但是，由于開關(guān)晶體管通常是設(shè)置在車輛用交流發(fā)電機外殼的端面上，所以很難安裝大的散熱片等，否則會造成車輛用交流發(fā)電機體積增大和通風阻力增大。
再者，由于上述開關(guān)晶體管幾乎都是設(shè)置在車輛用交流發(fā)電機的外殼端面上，所以通過外殼受到發(fā)電機內(nèi)部發(fā)熱和發(fā)動機等的熱量的影響。另一方面，當發(fā)動機空轉(zhuǎn)時冷卻風量減小。因此，當發(fā)動機空轉(zhuǎn)，外部氣溫度，電負荷大時，開關(guān)晶體管的周圍溫度是相當高的(例如達到135℃)。所以，從這一點來看開關(guān)晶體管所允許的上述溫升△T是受到嚴格限制的，因而，允許最大發(fā)熱量Qmax和最大勵磁電流Imax以及車輛用交流發(fā)電機的輸出電流，均應(yīng)進一步嚴格限制。
本發(fā)明是根據(jù)以上對現(xiàn)有技術(shù)的詳細分析結(jié)果而進行的，本發(fā)明的目的是提高發(fā)電機的輸出功率，提供發(fā)熱小冷卻容易的交流發(fā)電機。
再者，本發(fā)明的另一個目的是提供其電力變換器與過去的三相全波整流器相比損耗可以大大減小而且冷卻也很簡單的車輛用交流發(fā)電機。
另外，本發(fā)明的再一個目的提供這樣一種車輛用交流發(fā)電機，即根據(jù)上述勵磁電流控制用開關(guān)晶體管的特性限制了發(fā)電機輸出功率的提高這一現(xiàn)實情況，在不減小開關(guān)晶體管的工作允許范圍，降低其可靠性，也不增大發(fā)電機通風阻力而影響其線圈等的冷卻的條件下，可以大大提高輸出功率。
并且，本發(fā)明的再一個目的是提供不降低發(fā)電機輸出功率，通過減小和簡化勵磁電流控制用開關(guān)晶體管及其冷卻結(jié)構(gòu)，可以減小發(fā)電機的通風阻力，減小開關(guān)晶體管的安裝占用面積并提高經(jīng)濟效益的車輛用交流發(fā)電機。
再者，本發(fā)明的另一目的是提供這樣一種車輛用交流發(fā)電機，即可以大大減小電力變換器的MOS功率晶體管耐壓層即源寄生電阻Rs的電阻功率損耗本身，也可以通過減小上述源電阻反饋效應(yīng)而大大減小溝道電阻，與采用過去的硅(Si)MOS功率晶體管的車輛用交流發(fā)電機三相全波整流器或具有與其功率損耗相同的二極管式三相全波整流器相比，借助上述的相乘效應(yīng)可以使功率損耗大大降低，并且其冷卻也很簡單。
本發(fā)明的車輛用交流發(fā)電機的特點是，為了實現(xiàn)上述目的，具有這樣的電流變換和勵磁電流控制，即電流變換把電樞繞組的交流電壓變換成直流電壓，然后送入蓄電池;勵磁電流控制具有對流入勵磁線圈的勵磁電流進行控制的開關(guān)晶體管。上述電流變換的半導(dǎo)體功率器件和上述勵磁電流控制的上述開關(guān)晶體管，這兩者中至少有一方是利用磚和碳的化合物碳化硅(SiC)作為材料而制成的。
并且，上述半導(dǎo)體功率器件可采用MOS功率晶體管。另外，該發(fā)電機具有三相電樞繞組，對該三相電樞繞組各端與上述蓄電池高電位端進行并聯(lián)的高端MOS功率晶體管和對上述三相電樞繞組各端和上述蓄電池低電位端進行并聯(lián)的低端MOS功率晶體管，這兩者中至少有一方的MOS功率晶體管是利用了上述碳化硅(SiC)材料制成。
如上所述，在車輛用交流發(fā)電機中，由于電樞繞組和磁場線圈存儲的磁能量很大，所以，為防止該磁能瞬間放出而造成事故，必須把整流器的各半導(dǎo)體功率器件的耐壓強度設(shè)定在蓄電池電壓即整流器輸出電壓的20倍以上，例如設(shè)定為300V左右。并且，由于車載電負荷增大，所以需要100A以上的大輸出電流。
這時，碳化硅(SiC)的擊穿電場強度約為400V/μm，約相當于硅(Si)的13倍。這樣以來，SiC的擊穿電場強度比Si的強度高得多。顯然，當利用SiC制作車輛用交流發(fā)電機整流器的結(jié)構(gòu)器件時，可大大減小MOS功率晶體管的功率損耗，將使效果更佳。關(guān)于利用上述擊穿電場強度之差異，使功率損耗減小的明顯效果現(xiàn)進一步詳細說明如下。
例如，在上述圖3(a)的車輛用交流發(fā)電機三相全波整流器中采用碳化硅(SiC)MOS功率晶體管。保證耐壓強度為300V。為簡單起見，可以考慮這300V耐壓是全部由N型耐壓層105所承受。(參見圖4或圖5)。
如果簡單地視為這300V耐壓是由N型耐壓層105所承受，那么，當把SiC的擊穿電場強度為400V/μm時N型耐壓層105所需的厚度約為4μm，其雜質(zhì)濃度為2×1016原子/cm3，電阻率約為1.25Ω·cm。另一方面，當利用硅MOS功率晶體管來承受300V耐壓時，耐壓層所需的厚度約為20μm，其雜質(zhì)濃度為1×1015原子/cm3，電阻率約為5Ω·cm。所以，用SiC制作的MOS功率晶體管的N型耐壓層105的電阻要比用硅(Si)制作的MOS功率晶體管的N型耐壓層105的電阻能降低到二十分之一。但是，N型耐壓層105的雜質(zhì)濃度，根據(jù)與P型阱區(qū)103的雜質(zhì)濃度的關(guān)系，當然也可以比上述值更小。
另一方面，為了達到勵磁電流控制用開關(guān)晶體管所需的上述耐壓強度(例如300V)，利用SiC材料的MOS功率晶體管的耐壓層與利用Si材料的電力用雙極性晶體管和MOS晶體管相比，即使單純比較也能達到十分之一。
即采用Si材料時，其擊穿電場強度約為30V/μm，如果視為由N型耐壓層105來承受300V的電壓，那么，與上述情況相同，耐壓層所需厚度約為20μm，其雜質(zhì)濃度為1×1015原子/cm3，電阻率約為5Ω·cm。另一方面，采用SiC材料時，其擊穿電場強度如上所述為400V/μm，因此，N型耐壓層105的所需厚度約為4μm，其雜質(zhì)濃度為2×1016原子/cm3，電阻率約為1.25Ω·cm。所以，如果采用SiC材料的MOS功率晶體管作為開關(guān)晶體管，那么，其N型耐壓層105的電阻與Si材料時相比，可以減小到二十分之一。
再者，即使把其他電阻成分也加入N型耐壓層105的電阻內(nèi)進行計算，如果按同一設(shè)計規(guī)程、同一芯片面積分別計算出Si材料的雙極性晶體管或MOS晶體管以及SiC材料的MOS晶體管各自的導(dǎo)通電阻r，那么可以看出，SiC材料的MOS晶體管的導(dǎo)通電阻r約為Si材料的MOS晶體管的二十五分之一，即使與Si材料的雙極性晶體管相比也大約為十九分之一。
如上所述，允許最大發(fā)熱量Qmax根據(jù)相對于周圍環(huán)境等情況的允許溫升△T加以規(guī)定，若假定r為開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻，Imax為最大勵磁電流，則允許最大發(fā)熱量Qmax為r×Imax2。所以，如上所述，可以減小導(dǎo)通電阻r，這就使得在允許最大發(fā)熱量Qmax一定時一個芯片上的最大勵磁電流Imax大約能增大4-4.5倍(即1/(r0.5))。這意味著能大幅度增加由一個開關(guān)晶體管所能控制的最大磁通量Φmax，進而增加車輛用交流發(fā)電機的輸出功率。當然，增加最大磁通量Φmax時還需要相應(yīng)增大勵磁線圈和勵磁鐵心，但是，一個開關(guān)晶體管能控制這樣大的磁通，這的確是很重要優(yōu)點。
當然，如果把25個Si材料的MOS晶體管并聯(lián)起來，那么，其導(dǎo)通電阻為二十五分之一，可以達到同樣的作用。但是，要把這么多的開關(guān)晶體管安裝到發(fā)電機外殼的端面上是很困難的，即使能夠安裝，也不可能實現(xiàn)，因為冷卻風是通過外殼端面吸入內(nèi)部的，如果安裝這么多晶體管，那么發(fā)電機內(nèi)部就很難通風冷卻。
所以，像本發(fā)明那樣，采用SiC材料的電力用MOS晶體管作為開關(guān)晶體管，才能大大提高車輛用交流發(fā)電的輸出功率。
另一方面，若最大勵磁電流Imax相同，車輛用交流發(fā)電機的輸出功率與過去相同，則如上所述，可使開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻r減小到原來的5%左右。因此，發(fā)熱量也減小到原來的5%左右，器件溫升大大降低，冷卻片等冷卻結(jié)構(gòu)可以簡化。
并且，由于所需面積(空間)也大幅度減小，所以，可擴大外殼端面冷卻風吸入口，使冷卻性能提高。
另外，若開關(guān)晶體管的發(fā)熱量與過去相同，則可使芯片面積約減小到二十分之一，從而使芯片合格率大幅度提高，并且可使其他電路實現(xiàn)集成化。
再者，以上說明了使用SiC材料的MOS功率晶體管作為開關(guān)晶體管時的優(yōu)點，但是，理所當然，使用SiC材料的雙極性功率晶體管和MOS型SIT(靜電感應(yīng)晶體管)等其他功率器件也可達到同樣效果。
本發(fā)明的上述特性及其他目的優(yōu)點，通過對附圖的簡要說明，可清晰地體現(xiàn)出來。
附圖的簡要說明

圖1是本實施例1的車輛用交流發(fā)電機的電路圖。
圖2是圖1的車輛用交流發(fā)電機剖面圖。
圖3是表示圖1的三相全波整流器的一相部分整流電路的等效電路。
圖4是表示構(gòu)成圖1的三相全波整流器MOS功率晶體管一側(cè)的、部分放大斷面圖。
圖5是表示構(gòu)成圖1的三個全波整流器MOS功率晶體管另一側(cè)的、部分放大斷面圖。
圖6是以過去的Si為材料的PN結(jié)二極管電壓-電流特性圖。
圖7是以過去的Si為材料的MOS功率晶體管電壓-電流特性圖。
圖8是以本實施例的SiC為材料的MOS功率晶體管電壓-電流特性圖。
圖9是表示圖7和圖8的MOS功率晶體管耐壓強度和溝道電阻關(guān)系圖。
圖10是表示使用Si-MOS功率晶體管式三相全波整流器和SiC-MOS功率晶體管式三相全波整流器時的車輛用交流發(fā)電機輸出電流和功率與轉(zhuǎn)速間的特性曲線。
圖11是表示使用Si-MOS功率晶體管式三相全波整流器和SiC-MOS功率晶體管式三相全波整流器時車輛用交流發(fā)電機噪聲電壓和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
圖12是車輛用交流發(fā)電機后部側(cè)視圖及三相全波整流器的透視圖。
圖13是圖12的三相全波整流器內(nèi)部透視平面圖。
圖14是表示本實施例2的等效電路圖。
圖15是表示本實施例3的斷面圖。
圖16是表示本實施例4的等效電路圖。
圖17是本實施例5的車輛用交流發(fā)電機電路圖。
圖18是圖17的三相全波整流器19的低端MOS功率晶體管和開關(guān)晶體管20b剖面圖。
圖19是表示車輛用交流發(fā)電機轉(zhuǎn)速與輸出電流之間的關(guān)系的實測特性圖，該發(fā)電機采用本實施例的SiC-MOS晶體管以及原來的Si-雙極性或MOS晶體管作為開關(guān)晶體管。
圖20是本實施例6的車輛用交流發(fā)電機電路圖。
圖21是表示圖20的電路的一部分等效電路。
圖22是表示圖20的電路的另一部分等效電路圖。
圖23是本實施例7的車輛用交流發(fā)電機電路圖。
圖24是圖23的三相全波整流器19的高端MOS功率晶體管和開關(guān)晶體管20d的剖面圖。
圖25是本實施例8的車輛用交流發(fā)電機電路圖。
圖26是表示把圖25的全波整流器和勵磁用開關(guān)晶體管20e安裝在同一散熱片31上的狀態(tài)圖。
圖27是把本實施例9的續(xù)流二極管40a和勵磁用開關(guān)晶體管41制作在同一芯片上的剖面圖。
圖28是表示圖27電路的等效電路圖。
實施例1下面根據(jù)圖2說明一下車輛驅(qū)動用交流發(fā)電機本實施例的整個構(gòu)造。
發(fā)電機機殼由一對主動機架1及后機架2構(gòu)成。用多根柱狀螺栓15等直接結(jié)合。
上述機架1及2的內(nèi)周固定有定子鐵芯3。在定子鐵芯3上繞有三相電樞繞相。在機架1及2上所固定的軸承13及14支撐軸9，使它能自由旋轉(zhuǎn)。在軸9上，在定子鐵芯3的內(nèi)周位置固定有轉(zhuǎn)子鐵芯6。在轉(zhuǎn)子鐵芯6上繞有勵磁線圈10。在磁極鐵芯7、8的兩個端面上設(shè)置有冷卻用風扇11、12。另外，在后機架2的外部安置內(nèi)裝三相全波整流器19的調(diào)壓器18。圖16是電刷，17是滑環(huán)，23是后罩。22a是冷卻風(前側(cè))，24a是冷卻風的吸入口(前側(cè))，25a是冷卻風的吹出口(前側(cè))。
下面利用圖1對本實施例的車輛交流發(fā)電機的電路構(gòu)成加以說明。
調(diào)壓器18由三相全波整流器19及電壓調(diào)整部20構(gòu)成。整流器19是三相全波整流器，由以SiC單晶為材料的N溝道增強型MOS功率晶體管19a-19f構(gòu)成，高端的晶體管19a-19c與三相電樞繞組5的各相輸出端及蓄電池21的高電位端相接，低端的晶體管19d-19f則與三相電樞繞組5的各相輸出端及電池21的低電位端相接。
電壓調(diào)整部20通過電刷16、滑環(huán)17與勵磁線圈10相接，與三相全波整流器19一起裝在同一襯底(圖中未示出)上。這樣的三相全波整流器19與電壓調(diào)整部20裝在同一襯座上就可以使接收縮短。另外，電壓調(diào)整部20從三相電樞繞組5的各相輸出端將各相發(fā)電電壓輸入。根據(jù)這些輸入信號就可以控制MOS功率晶體管19a-19f各柵極所加的柵壓。
下面就其電壓控制動作加以簡單說明。通過發(fā)動機(圖中未示出)的作用，轉(zhuǎn)子鐵芯6旋轉(zhuǎn)。調(diào)壓器18的電壓調(diào)整部20就讀出蓄電池21的電壓VB。為了使該電壓一定而對勵磁線圈10進行開關(guān)控制。這樣一來，在三相電樞繞組5就感應(yīng)出三相交流電壓。以此為基礎(chǔ)，通過三相全波整流器19進行全波整流而產(chǎn)生的直流電流就對蓄電池21進行充電。同時，這個電流也被車輛電子裝置的負荷所消耗。冷卻風扇11、12就旋轉(zhuǎn)，對勵磁線圈10、三相電樞繞組5及調(diào)壓器18等進行冷卻。
下面就電壓調(diào)整部20所產(chǎn)生的對三相全波整流器19各MOS功率晶體管19a-19f的開關(guān)控制過程加以說明。
電壓調(diào)整部20將三相電樞繞組5輸出端的電位即各相的電壓VU、VV、VW加以讀入。從其各線間電壓(VU-VV)、(VV-UW)、(VW-VU)之中。選擇出比蓄電池21端電壓高的線間電壓。為了使所選出的該線間電壓加在蓄電池21上，就要使高端的MOS功率晶體管19a-19c之中的一個MOS功率晶體管以及低端MOS功率晶體管19d-19f中的一個MOS功率晶體管導(dǎo)通。這樣一來，就可以從所選擇出的三相電樞繞組向蓄電池21供給充電電流。
另外，電壓調(diào)整部20與通常的調(diào)壓器一樣，檢測蓄電池21的端電壓，將所檢測出的電壓與予先設(shè)定的基準電壓加以比較，根據(jù)其大小，通過開關(guān)晶體管對勵磁電流進行斷續(xù)控制，這樣做使得蓄電池21的端電壓能維持在目標電平上。這一點與過去的做法相同。該開關(guān)晶體管也可以是SiC材料的MOS晶體管。
下面進一步根據(jù)圖3(a)及圖5對上述SiC材料的MOS功率晶體管式三相全波整流器的詳細工作情況加以說明。但是，圖3(d)只是表示此實施例的MOS功率晶體管式三相全波整流器的一相部分的一個整流器電路，而圖5則是MOS功率晶體管19a-19f的剖面構(gòu)造的一部分。
圖3(a)的N溝道MOS功率晶體管的整流器電路中，高端的MOS功率晶體管101的漏極D及低端的MOS功率晶體管102的源極S與三相電樞繞組5的一相輸出端相接。低端的MOS功率晶體管102的漏極D與蓄電池21的低電位端相接，高端的MOS功率晶體管101的源極S與蓄電池21的高電位端相接。另外，蓄電池充電時充電電流的流向與電子移動的方向相反，源極S指的是在此充電過程中的載流子電荷向溝道注入一方的電極。
在MOS功率晶體管101、102之中，在后面將提到的P型阱區(qū)103(即柵極101下面的區(qū))與源極S或漏極D之間，如圖所示，可產(chǎn)生源連接一方的寄生二極管Ds以及漏連接一方的寄生二極管Dd，但是由于需要向P型阱區(qū)103施加電位，因此，要使P型阱區(qū)103及漏極D短路。其理由就是如前所說的。這樣一來，源連接一方的寄生二極管Ds就可以阻止從蓄電池21流出的上述逆流。
下面參照圖5對本實施例的MOS功率晶體管的剖面結(jié)構(gòu)的一部分加以說明。
在SiC的N+型襯底106上，通過外延生長形成了N型耐壓層105。在N型耐壓層105的表面部分上，通過離子注入鋁而形成P型阱區(qū)103。另外，在P型阱區(qū)103的表面部分上，通過離子注入氮而形成N+型區(qū)104。而且，在晶片表面僅使預(yù)定形成溝道柵的區(qū)開口，利用光刻膠及絕緣膜進行掩模工藝，通過眾所周知的反應(yīng)性離子腐蝕法，在此同時就開出溝道108的槽。在此以后，在溝道108的表面上利用熱氧化法，形成由氧化硅膜構(gòu)成的柵絕緣膜109。然后，在溝道108內(nèi)進行摻雜，從而形成具有導(dǎo)電性的由多晶硅構(gòu)成的柵極110。最后，將金屬電極111放在N+型區(qū)(漏)以及P型阱區(qū)的表面104使其接觸形成，并將金屬電極112放到N+型襯底(源)106的表面使之接觸形成，從而完成器件的制造。
由此可見，在本實施例中，在MOS功率晶體管斷路的場合下，如果在源極112與漏極111之間施加高電壓(例如+300伏)，在N型耐壓層105主要是空穴層伸展，從而可做到能夠耐這樣的高電壓。作為其結(jié)果，這一N型耐壓層105就成為源反饋電阻Rs，如上所述，由于其本身的電阻及溝道電阻增加的效果這兩方面的原因而產(chǎn)生功率損耗。
但是，本實施例是以單晶碳化硅(SiC)為材料。因此，N型耐壓層105的厚度與以往的硅比較能大幅度減薄。而且其雜質(zhì)的濃度也可以設(shè)計得比較濃。這樣就可以大幅度地降低該N型耐壓層105的功率損耗。
下面說明在設(shè)N型耐壓層105的耐壓為300伏時N型耐壓層105的設(shè)計條件。
在硅(Si)的場合下，其擊穿的電場強度約為30V/μm。為簡單起見，可以考慮這一300伏的耐壓是由N型耐壓層105所承受。此時，耐壓層的必要厚度約為20μm，其雜質(zhì)濃度為1×1015原子/cm3，電阻率約為5Ω·cm。
另外，在使用碳化硅的場合下，SiC的擊穿電場強度為400V/μm，N型耐壓層105的必要厚度約為4μm，其雜質(zhì)濃度為2×1016原子/厘米3，電阻率約為1.25Ω·cm。
顯然，以SiC做材料的MOS功率晶體管的N型耐壓層105的電阻要比Si做材料的MOS功率晶體管的N型耐壓層105的電阻能降低到1/20。
由此可見，本實施例以SiC做材料的MOS功率晶體管中的上述源極的寄生電阻Rs與使用硅材料的場合比較能降低到1/20。另外，與此相應(yīng)溝道電阻也能大幅度地減少。由于這兩方面的相乘效果，就可以制成損耗極低的車輛交流發(fā)電機用的三相全波整流器。
也就是說，通過采用SiC作為基本材料，N型耐壓層105的擊穿電場強度就可以得到改善。就可以制成這樣的三相全波整流器19，其效率之高從以往產(chǎn)品是預(yù)料不到的。以上的這種情況是很清楚的了。當然，上述情況對于在N型耐壓層105上施加300伏以外的其他程度的高電壓的場合也是同樣的。
圖6-圖8所示是在同一個芯片尺寸及同樣的設(shè)計規(guī)程下制造的硅二極管、Si-MOS功率晶體管及SiC-MOS功率晶體管的電壓·電流特性。不過，這些方面的耐壓都設(shè)定為250伏，圖6所示為硅二極管的特性。圖7為Si-MOS功率晶體管的特性，圖8是SiC-MOS功率晶體管的試驗特性。從圖6-圖8可以看到，在輸出電流為75A的條件下，本實施例的三相全波整流器19與過去的三相全波整流器比較，功率損耗可減少90%以上。
圖9所示為MOS功率晶體管的要求耐壓變動時，導(dǎo)通電阻率計算結(jié)果的一個例子。這一導(dǎo)通電阻率是溝道電阻與N型耐壓層105電阻之和，特別是，溝道電阻根據(jù)各種因素而變動，但是在高耐壓區(qū)內(nèi)，N型耐壓層105處的電阻就處于支配地位。也就是說，即使耐壓有所增加，溝道電阻本身幾乎無變化(不考慮源寄生電阻Rs的增加產(chǎn)生的上述反饋效果所導(dǎo)致的溝道電阻的增加)，N型耐壓層105的電阻與耐壓值保持正的相關(guān)關(guān)系，因而有所增加。因此，從圖9可知，在Si材料的MOS晶體管中。所要求的耐壓值從25伏左右開始增加的同時，導(dǎo)通電阻率也會成比例地增加。但是，如果是SiC材料的MOS晶體管，所要求的耐壓在250伏以下時，N型耐壓層105的電阻增加幾乎可以忽略不計。耐壓超過250伏，導(dǎo)通電阻率才開始緩慢增加。因此，從圖9可知，作為車輛交流發(fā)電機的整流器器件所要求的耐壓范圍(A)之中，雖然在低耐壓領(lǐng)域里使用Si-MOS時在一定范圍內(nèi)，其效果還較好，但如果使用SiC-MOS則在幾乎全部范圍內(nèi)(范圍C)效果都是好的。
下面圖10及圖11所示是本實施例的車輛交流發(fā)電機采用同一芯片尺寸的SiC-MOS功率晶體管以及Si-MOS功率晶體管構(gòu)成的三相全波整流器19時的特性。
輸出電流大約提高了10%(12極5000轉(zhuǎn)/分時)，另外，由于整流損失幾乎可以忽略不計，因此，整流效率也可以大約提高3-5%。
進一步說，由于三相全波整流器19的發(fā)熱量大幅度下降，因此可以使散熱片實現(xiàn)小型化。如圖13所示，可以做到將三相全波整流器19及電壓調(diào)整個20放在同一外殼30之中使之一體化。進而，由于可以把三相全波整流器19及電壓調(diào)整部20實現(xiàn)一體化，因此可以省略連接兩者的接線，也可以使得接線所放射的電磁噪音減少。與以往的發(fā)電機比較，如圖12所示，冷卻風吸入口可以露出不必用直接的外罩覆蓋。結(jié)果，可以使得這一三相全波整流器19在車輛交流發(fā)電機上的搭載空間減小，風阻及通風動力也就可以相應(yīng)地減少。
此外，根據(jù)本實施例，如圖11所示，在將12極、100A規(guī)格的發(fā)電機以每分鐘1萬轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)的情況下，SiC的三相全波整流器19與過去的Si的三相全波整流器比較，整流出來的輸出電壓中所含噪音電壓大約可減少20%。其所以能做到這一點是由于MOS功率晶體管19a-19f的電阻小，MOS功率晶體管19a-19f的開關(guān)動作所產(chǎn)生的三相電樞繞組5兩端電位變化受到抑制的緣故。
再者，上述的實施例中，三相全波整流器19內(nèi)部裝置的調(diào)壓器19被放到發(fā)電機內(nèi)部。上述調(diào)壓器18也可以設(shè)置在發(fā)電機機殼及遠離發(fā)電機的機殼位置。三相全波整流器19及電壓調(diào)整部20也可以個別構(gòu)成。
圖12是對三相全波整流器19內(nèi)裝的電壓調(diào)整器18從圖2所示交流發(fā)電機的軸向觀看的圖形。圖13是圖12所示三相全波整流器19內(nèi)裝的電壓調(diào)整器18的內(nèi)部透視擴大圖。在圖12、圖13中26是直流輸出端頭，27是鍵開關(guān)信號及蓄電池電壓信號等的接線頭，29是電樞繞組抽頭連接用的抽頭基座。另外，22b是冷卻風(后側(cè))，24b是其吸入口，25b是吹出口。
實施例2下面參照圖14對本發(fā)明的實施例2加以說明。
本實施例中，使用SiC構(gòu)成的只是三相全波整流器19的高端MOS功率晶體管。低端的半導(dǎo)體功率器件是由過去的一直采用的Si的PN二極管19x、19y、19z構(gòu)成的。這樣一來，與實施例1比較雖然效果有所減少，但可以達到減少損耗及冷卻簡單化的目的。
當然，用SiC僅構(gòu)成低端的MOS功率晶體管，而高端的半導(dǎo)體功率器件使用以往的Si構(gòu)成的PN二極管來組成也是可以的，也可以采用由Si構(gòu)成的MOS功率晶體管來代替上述二極管。
實施例3下面參照圖15對本發(fā)明的實施例3加以說明。
在本實施例中，N+型襯座106構(gòu)成高端各MOS功率晶體管19a-19c的共通源極s(參看圖1)。在襯底106上各相的P型阱區(qū)103a-103c是個別形成的，但相互之間要充分離開不致于產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的距離。另外，在各個P型阱區(qū)103a-103c的表面部位上分別形成N+型漏區(qū)104a-104c，在各個P型阱區(qū)103a-103c的表面部位上，隔著絕緣膜109形成柵極110a-110c。通過柵極110a-110c的作用，各漏區(qū)104a-104c分別與耐壓層105導(dǎo)通。
這樣一來，不用增加任何工序就可以達到在一個晶片上將三個高端MOS功率晶體管組成的半橋電路集成起來這樣好的效果。另外，各MOS功率晶體管19a-19c的功率損耗小，因此，盡管實現(xiàn)上述集成化也可以避免使各器件產(chǎn)生高溫。
實施例4下面參照圖16對本發(fā)明的實施例4加以說明。
在本實施例中，對于各相電樞繞組5的輸出端，在與蓄電池21的高電位端之間存在SiC-MOS功率晶體管19a-19c。另外，三相電樞繞組的中性點接在蓄電池21的低電位端。
電壓調(diào)整部20將各相的三相電樞繞組與蓄電池低電位端相對的電壓Vu、Vv、Vw讀入，從其中選擇出比蓄電池21的端電壓高的線電壓，并使與該相對應(yīng)的MOS功率晶體管導(dǎo)通。
在這種情況的基礎(chǔ)上，對三相交流電流進行半波整流而產(chǎn)生的輸出電流就向蓄電池21供電。當蓄電池所連接的負載接線斷路而產(chǎn)生高浪涌電壓時，如果是全波整流器，電壓就加在高端、低端兩個串聯(lián)器件上，而與此相對的，本實施例半波整流器中，高壓是加在一個器件上的。因此就需要有大約兩倍的耐壓。這樣一來，就可以看到使用高耐壓低損耗的SiC-MOS功率晶體管而達到的損耗降低效果會更加明顯。
當然，在蓄電池低電位端有MOS功率晶體管在其中存在，中性點接到蓄電池21的高電位一側(cè)也可以，使之懸浮也可以。另外，本實施例中，電樞繞組不是三相繞組也是可以的。
另外，上述各實施例的MOS功率晶體管19a-19f是以六方晶系的SiC為基本材料，耐壓設(shè)計值為250伏。下面從理論上說明(參照圖9)使用這種SiC材料MOS功率晶體管19a-19f的車輛交流發(fā)電機用三相全波整流器19的電阻值及使用Si材料MOS功率晶體管的車輛交流發(fā)電機用三相全波整流器19電阻值的分析結(jié)果。不過，在這里源寄生電阻Rs的反饋效應(yīng)所造成的溝道電阻增加可忽略不計。再者，電路的構(gòu)造可以是圖5的縱型構(gòu)造，芯片面積可做得相同。
晶體管的電阻R是溝道電阻rc及N+型耐壓層105電阻rb之和。
rc＝L/W·(1/μs·εs·εO)-1·(Tox/(Vg-Vt))rb＝4Vb2·(1/μ·εs·εo·Ec·A)由上可知，和Si和MOS功率晶體管比較，SiC的MOS功率晶體管電阻值只大約為1/15倍。
這里，擊穿電場強度Ec，Si的是3×105V/cm，SiC的是3×106V/cm;介電常數(shù)值εs，Si的是11.8，SiC的是10.0，面積A兩者都是1mm2，Vb的擊穿電壓(耐壓)。
進一步說，μ是電子體的遷移率，其值Si的是1100cm2/(v·s)，SiC的是370cm2/(v·s)，溝道長度L兩者都是1μm，溝道寬W兩者都是222μm。μs是電子的溝道遷移率，其值Si的是500cm2/(v·s)，SiC的是100cm2/(v·s)。
從上述公式可以看出，耐壓為50伏以上時，SiC的電阻值減小。另外，上述計算過程中，襯座就作為漏極，如果襯底就作為源極，由于上面說明過的源寄生電阻Rs的反饋效應(yīng)而導(dǎo)致的溝道電阻增大，就必然會使硅的電阻增大很多。
由此可見，可以推斷出即使設(shè)計規(guī)格多少有些變化，在耐壓100伏以上的情況下，SiC的MOS功率晶體管確實可做到低電阻。
另外，上述各實施例中，P型阱區(qū)103是用離子注入法形成的。如果是圖5的結(jié)構(gòu)，就也可以通過外延生長來形成這個區(qū)。
實施例5下面參照圖17對本實施例加以說明調(diào)壓器18，與實施例1一樣，由三相全波整流器19及電壓調(diào)整部20構(gòu)成。三相全波整流器19由SiC單晶材料的N溝道增強型MOS功率晶體管19a-19f構(gòu)成。
電壓調(diào)整部20由控制電路20a，開關(guān)晶體管20b以及續(xù)流二極管20C組成?？刂齐娐?0a根據(jù)蓄電池電壓VB對開關(guān)晶體管20b進行PWM控制。而且，從蓄電池21經(jīng)過電刷16、滑環(huán)17流經(jīng)勵磁線圈10的勵磁電流，通過這一開關(guān)晶體管20b而受到控制。
另外，本實施例中，如后面所述，開關(guān)晶體管20b是以單晶SiC為基本材料構(gòu)成的，與三相全波整流器19的低端MOS功率晶體管19d-19f集成在同一個芯片上。
下面參照圖17及圖18對上述六方晶系SiC單晶N溝道MOS晶體管三相全波整流器以及開關(guān)晶體管20b的詳細情況加以說明。圖18所示為MOS功率晶體管19d、19e及開關(guān)晶體管20b的斷面構(gòu)造。
三相全波整流器19的各個MOS功率晶體管19a-19f是由控制電路20a依次開閉進行三相全波整流的。
120是高電阻器，用來向柵極下面的P型阱區(qū)103施加電位，高電阻器的電阻值大于150Ω。
高端的MOS功率晶體管19a-19c的高電阻器120與漏接線一側(cè)的寄生二極管Dd并聯(lián)。低端的MOS功率晶體管19d-19f的高電阻器120，與源接線一側(cè)的寄生二極管Ds并聯(lián)。
這樣一來，高端的MOS功率晶體管19a-19c的共同源極S與P型阱區(qū)103之間內(nèi)可保持一個耐壓層105。因此，這些高端的MOS功率晶體管19a-19c，與圖15一樣，可集成在同一芯片上。
同樣地，低端的MOD功率晶體管19d-19f的共同漏D與P型阱區(qū)103之間可保持一個耐壓層105，因此，這些低端的MOS功率晶體管19d-19f如圖18所示，可集成在同一芯片上。另外，由于圖示空間的限制，圖18中省去了MOS功率晶體管19f的圖示。
再者，在本實施例中，由于上述的理由，這些MOS功率晶體管19a-19f以及開關(guān)晶體管20b的功率損耗即發(fā)熱量可大幅度地減少，可減少所需芯片面積，因此，在低端的MOS功率晶體管19d-19f的同一SiC芯片上，可集成開關(guān)晶體管20b。這也就是說，三相全波整流器19與開關(guān)晶體管20b可集成在兩個芯片上。
附帶說明的是，在圖18中，103是P型阱區(qū)，104是N+型源區(qū)，105是N型耐壓層，106是N+型襯底(共同漏區(qū))。
下面說明一下本實施例的MOS功率晶體管19a-19f以及開關(guān)晶體管20b的制造方法。
在六方晶系SiC單晶的N+型襯底106上，通過外延，生長形成N型耐壓層105。N型耐壓層105的表面部位上，通過離子注入鋁而形成P型阱區(qū)103。進而，在P型阱區(qū)103的表面部位上，通過離子注入氮而形成N+型區(qū)104。而且，在晶片表面，僅使預(yù)定形成溝道柵的區(qū)開口，利用光刻膠及絕緣膜等進行掩模工藝，與此同時，就利用眾所周知的反應(yīng)性離子腐蝕法，開出溝道108的槽。在此以后，在溝道108的表面，利用熱氧化法形成氧化硅膜構(gòu)成的柵極絕緣膜109，在溝道108內(nèi)形成由導(dǎo)電性多晶硅構(gòu)成的柵極110。在這以后，將一個金屬電極111與N+區(qū)(在高端的晶體管方面的漏極、在低端則為源極)104以及P型阱區(qū)103的表面接觸好，將金屬電極112與N+型襯底(高端的晶體管方面的源極，低端則為漏極)106的表面接觸好，從而完成器件的制造。
下面在表1中所列的是同一芯片尺寸以及設(shè)計規(guī)程制造出的Si的雙極性功率晶體管，Si的MOS功率晶體管及SiC的MOS功率晶體管各種性能的理論計算例。
但是，計算是以圖22的電路為基礎(chǔ)進行的。當然，這里假定各器件的有效芯片面積相等(這里假定是16mm2)，兩種MOS功率晶體管的設(shè)計規(guī)程也假定是條件相同。
表1
電壓B14伏勵磁線圈電阻2.9Ω
在圖22中，10是勵磁線圈，這里假定其電阻值為2.9Ω。20b是開關(guān)晶體管，其導(dǎo)通電阻值，Si的雙極性功率晶體管為270mΩ，Si的MOS功率晶體管為350mΩ，SiC的MOS功率晶體管為14mΩ。另外，Si的雙極性功率晶體管的270mΩ為實測值。Si的MOS功率晶體管的350mΩ以及SiC的MOS功率晶體管的14mΩ是從圖9的耐壓300V時的導(dǎo)通電阻率的數(shù)值(Si是900mΩ·mm2、SiC為35mΩ·mm2)計算出的。
從這一計算例可知，SiC開關(guān)晶體管20b的計算損耗僅為340毫瓦，Si的開關(guān)晶體管20b的計算損耗為數(shù)瓦，兩者相比可知前者能降低很多。
圖19所示為以同一設(shè)計規(guī)程同一芯片面積制造的Si-MOS晶體管、Si雙極性晶體管、SiC-MOS晶體管所組成的開關(guān)晶體管20b用于車輛交流發(fā)電機時，該發(fā)電機的轉(zhuǎn)數(shù)與輸出電流之間關(guān)系的實測結(jié)果。
從圖19可以證實輸出電流的增大是能夠?qū)崿F(xiàn)的。
另外，在上述實施例中，三相全波整流器19的低端的MOS功率晶體管19d-19f及開關(guān)晶體管20b是集成在一起的，而由于開關(guān)晶體管20b發(fā)熱量的減少，開關(guān)晶體管20b及控制電路20a就可以集成在一起，或者說也可以將MOS功率晶體管19d-19f、開關(guān)晶體管20b及控制電路20a集成在一起。
另外，在這種場合下，三相全波整流器19最好是由MOS功率晶體管或MOS-SIT構(gòu)成，因此，控制電路20a也最好是以同樣的器件構(gòu)成。如果這樣做，低端的MOS功率晶體管19d-19f與控制電路20a之間的連線就可以省略，連接線產(chǎn)生的電磁放射干擾也就可以減少。
再者，在圖18中是使用離子注入法形成P型阱區(qū)103的，使用外延生長法也可以形成。
實施例6現(xiàn)將其他實施例參照圖20、圖21來作一說明。
在本實施例中，勵磁電流控制用開關(guān)晶體管41可作為調(diào)壓器20a的一部分，與其他電路組成同一混合集成電路。下面就按圖20來說明結(jié)構(gòu)。
1A是發(fā)電機，101(B)是輸出端，102(IG)是IG端，103(S)是電壓輸入端，104(L)是充電指示燈驅(qū)動端，105(E)是接地端。發(fā)電機1A由電樞繞組5，勵磁線圈10，調(diào)壓器20a以及整流器19組成。調(diào)壓器20a由下列各端子以及元器件組成充電指示燈驅(qū)動端401(L)，蓄電池電壓檢測端402(S)、IG端403(IG)、正B端404(B)、勵磁線圈405(F)、電樞繞組相電壓輸入端406(P)、接地端407(E)以及續(xù)流二極管40、勵磁電流控制用的且采用SiC(碳化硅)材料制成的MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)組成的開關(guān)晶體管41，控制集成電路(以下稱MIC)42以及充電指示燈驅(qū)動用晶體管(SiC MOSFET)44的電熱扼流圈驅(qū)動用晶體管(SiC MOSFET)43。在圖中60是充電指示燈，70是電熱扼流圈，21是蓄電池、90是電負荷，100是IG開關(guān)。
圖20中的MIC42的功能方框圖示于圖21。
42a是IG輸入端，42b是蓄電池電壓讀出檢測端，42c是電熱扼流圈驅(qū)動用晶體管驅(qū)動端，42d是充電指示燈驅(qū)動用晶體管驅(qū)動端，42e是接地端，42f是電樞繞組相電壓輸入端，42g是驅(qū)動勵磁電流控制用晶體管的驅(qū)動端。42是MIC(42)驅(qū)動用電源，422是發(fā)電檢測用比較器。比較器工作原理如下當從負端輸入電樞繞組電壓，而從正端輸入可檢測是否發(fā)電開始之基準電壓Vref1(423)，并相電壓低于基準電壓Vref1(423)時，即可判斷為發(fā)電未開始，這時比較器(422)輸出一個高電平信號，使得晶體管44斷開，43導(dǎo)通、充電指示燈(6)點亮。反之，當相電壓增大而被證明發(fā)電開始時，比較器(422)將輸出一個低電平信號，使得晶體管43斷開、44導(dǎo)通并向負荷(7)供電。
比較器424是用來控制勵磁電流晶體管的。其工作原理如下當負端輸入一個與蓄電池電壓相當?shù)碾妷?，而從正端輸入一個與蓄電池控制目標電壓相當?shù)碾妷?Vref2(425))并蓄電池電壓高于目標電壓時，比較器輸出將變換成低電平，使得勵磁電流控制晶體管41斷開，反之，當蓄電池電壓低于目標電壓時，比較器422輸出將變換為高電平，使得勵磁電流控制用晶體管41導(dǎo)通。
下面敘述本機的工作效率導(dǎo)通電阻低的優(yōu)點是第1，器件41壓降小，其結(jié)果，損耗便控制在較小的數(shù)值上，因此在提高效率的同時，也可抑制發(fā)熱，從而實現(xiàn)散熱片小型化;第2，由于壓降小，于是流入勵磁線圈10的外加電壓可增大，其結(jié)果是勵磁電流加大，可提高輸出功率。以上查證結(jié)果，如上述實施例5中所列的表1所示。
關(guān)于表1詳細評述如下如圖22所示，磁線圈10與開關(guān)器件41是串聯(lián)的，在兩端上的施加電壓(正B)14V，勵磁線圈10的阻值為2.9Ω，器件41的導(dǎo)通電阻以現(xiàn)用的耐壓300V器件作為基準，雙極性晶體管阻值為270mΩ(正向壓降1.2V實測值)，Si-MOSFET阻值是根據(jù)圖9中的Si和SiC耐壓與導(dǎo)通電阻的關(guān)系，在耐壓300v時，SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻是Si-MOSFET導(dǎo)通電阻的1/25，因此SiC-MOSFET的導(dǎo)通阻值算出了14mΩ。其結(jié)果，各器件的導(dǎo)通電阻、壓降(Vs)、勵磁線圈外加電壓(Vr)、勵磁電流(IF)、器件損耗(W)均如表1所示。對勵磁電流而言，與雙極性晶體管相比，勵磁電流提高9%，與Si材料制成的MOSFET相比提高12%。損耗也分別降低到1/16和1/19。由于勵磁電流增大而所期待的輸出必定升高，如圖19所示，要比雙極性晶體管，輸出可增大約6%，要比Si-MOSFETT，可增大約9%。
此外，簡化了開關(guān)晶體管41的冷卻結(jié)構(gòu)，使發(fā)電機后部的通風阻力減少了，從而提高電樞繞組和勵磁線圈的冷卻性能。
實施例7圖23和24表示實施例7。本實施例7，三相全波整流器19的高端MOS功率晶體管19a-19c以及勵磁用開關(guān)晶體管20d是集成在同一芯片上的。在這種情況下，開關(guān)晶體管20d是與蓄電池高電位端相接的。
實施例8圖25和圖26表示實施例8。本實施例中，勵磁用開關(guān)晶體管20e和全波整流器19g-19i以及19x-19z均裝在同一散熱片31上。經(jīng)過這樣的處理，如用開關(guān)晶體管控制發(fā)熱部的勵磁電流，從熱結(jié)構(gòu)上與電壓調(diào)整部加以分開，則SiC的高耐熱性特點將使效果更佳。
另外，經(jīng)過開關(guān)晶體管材料改用為SiC后，將會實現(xiàn)高溫動作，并且與產(chǎn)生高溫(約170℃-200℃)的全波整流器共用散熱片，從而提高了冷卻效率。在這種情況下，與發(fā)熱部的開關(guān)晶體管分離開的電壓調(diào)整部的溫度到不了高溫，于是冷卻風可以分給電樞繞組等，從而進一步提高了發(fā)電機效率。
此外，如果只把SiC材料制成的且能高溫下動作的勵磁用開關(guān)晶體管內(nèi)裝發(fā)電機內(nèi)，而采用不宜在高溫下動作的以往的Si-IC等的開關(guān)晶體管(一般在150℃以下)控制電路裝在發(fā)電機外側(cè)，例如控制盒內(nèi)，則發(fā)電機的冷卻性能將會進一步提高，可靠性也提高。
實施例9圖27和圖28表示實施例9。本實施例中，續(xù)流二極管40a由MOS晶體管組成，勵磁電流控制晶體管41由SiC材料制成的同一芯片組成。
這種MOS晶體管組成的續(xù)流二極管是通過控制晶體管柵極(G)電壓來進行工作，以使循環(huán)電流流入勵磁線圈10。然而，由于用同一芯片組成，因此，提高了組裝作業(yè)性能的同時，由于用導(dǎo)通電阻較低的SiC材料制成的MOS晶體管代替續(xù)流二極管，從而降低了循環(huán)電流損耗。
以上從種種的實施例角度詳細評述本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實施例。在不脫離發(fā)明宗旨的條件下，對同行業(yè)人員來說，有可能去實現(xiàn)種種不同的實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動車輛的交流發(fā)電機，其特征是發(fā)電機備有繞制在上述發(fā)電機電樞鐵心上的、能產(chǎn)生交流電壓的電樞繞組；向車輛電負荷供電的蓄電池；連接上述電樞繞組輸出端和上述蓄電池高電位端的半導(dǎo)體器件，以及連接上述電樞繞組輸出端和上述蓄電池低電位端的半導(dǎo)體功率器件，在這兩者中至少配有其中的任一個器件并把上述電樞繞組的交流電壓變換成直流電壓后，向上述蓄電池供電的電力變換器；向上述電樞繞組提供磁場的勵磁線圈；通過帶有開關(guān)晶體管的勵磁電流控制器來控制勵磁線圈中的勵磁。該交流發(fā)電機的特征是上述電力變換器的半導(dǎo)體功率器件和上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管，在這兩者中至少有一方是采用硅(Si)和碳(C)的化合物，即由電阻率比硅(Si)低的碳化硅(SiC)材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器的半導(dǎo)體功率器件是MOS型功率晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器的半導(dǎo)體功率器件是PN結(jié)二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的車輛用交流發(fā)電機中，該發(fā)電機有三相電樞繞組，該三相電樞繞組各端與上述蓄電池高電位端進行并聯(lián)的高端的MOS型功率晶體管和上述三相電樞繞組各端與上述蓄電池低電位端進行并聯(lián)的低端的MOS型功率晶體管，這兩者中至少配有其中任一個器件，而上述MOS型功率晶體管是用上述碳化硅(SiC)材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器備有上述高端和低端的MOS型功率晶體管，其中至少有一端的MOS型功率晶體管是用上述碳化硅(SiC)材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中上述電力變換器僅在高端或在低端中的任何一端才備有上述MOS型功率晶體管，而上述高端或低端的另一方(端)是PN結(jié)二極管，上述MOS型功率晶體管是利用上述碳化硅(SiC)材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述MOS型功率晶體管備有構(gòu)成源區(qū)的N+型襯底、在上述襯底上形成的N型耐壓層、在上述耐壓層表面部位形成的P型阱區(qū)、上述P型阱區(qū)的表面部位上形成并構(gòu)成漏區(qū)的N+型漏區(qū)以及在上述P型阱區(qū)的表面部位隔著絕緣膜形成柵極。該柵極使形成上述漏區(qū)和上述耐壓層之間導(dǎo)通的N型溝道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述N+型漏區(qū)和上述P型阱區(qū)在電氣上是短路的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述襯底構(gòu)成高端各相的上述MOS型功率晶體管共同源區(qū)，在上述襯底上各相的上述P型阱區(qū)是分別形成的，在上述各P型阱區(qū)的表面部位上各上述N+型阱區(qū)是分別形成的，并在上述P型阱區(qū)的表面部位隔著絕緣膜分別形成柵極，以使將上述各漏區(qū)及上述耐壓層分別導(dǎo)通的溝道。
10.根據(jù)權(quán)利要求2和4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器與對上述MOS功率晶體管進行開關(guān)控制的電壓調(diào)整電路可集成在同一芯片上。
11.根據(jù)權(quán)利要求2和4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器將構(gòu)成全波整流器及半波整流器。
12.根據(jù)權(quán)利要求2和4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器的上述MOS型功率晶體管的源極和漏極之間的耐壓強度設(shè)定為50V以上。
13.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中，所述電力變換器的MOS型功率晶體管的源極和漏極之間的耐壓強度設(shè)定為100V以上。
14.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器的MOS型功率晶體管和勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管采用單晶的碳化硅(SiC)材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管由MOS型功率晶體管構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管與功率變換器的高端或低端的MOS型功率晶體管集成在同一個碳化硅(SiC)芯片上。
17.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器的MOS型功率晶體管安裝在該交流發(fā)電機的外殼上。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管，與勵磁電流控制器的控制電路部分分離開進行安裝。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管與上述電力變換器的半導(dǎo)體功率器件安裝在同一散熱片上。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器的半導(dǎo)體功率器件和上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管安裝在該交流發(fā)電機的外殼。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述勵磁電流控制器的控制電路部分安裝在該交流發(fā)電機的外部，對安裝在交流發(fā)電機內(nèi)部的上述開關(guān)晶體管進行控制。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛用交流發(fā)電機中，上述電力變換器和上述勵磁電流控制器裝入同一個盒子內(nèi)，然后安裝到該交流發(fā)電機的外殼上。
23.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的車輛用交流發(fā)電機，使勵磁電流進行回流的MOS型晶體管與上述勵磁線圈并聯(lián)，該MOS型晶體管與上述勵磁電流控制器的開關(guān)晶體管集成在同一個碳化硅(SiC)芯片上。
全文摘要
本發(fā)明交流發(fā)電機備有將交流電壓變換成直流電壓后，向蓄電池供電的電力變換器，及勵磁電流控制器，且功耗小，冷卻簡便。該勵磁電流控制器具有開關(guān)晶體管。電力變換器的半導(dǎo)體功率器件及開關(guān)晶體管中，至少有一方所采用的材料是SiC材料，其電阻率低于Si。并且，上述半導(dǎo)體功率器件由MOS型功率晶體管構(gòu)成。電力變換器的組成有兩種發(fā)電機電樞繞組輸出與蓄電池高電位端并聯(lián)的高端MOS型功率晶體管及與蓄電池低電位端并聯(lián)的低端MOS型功率晶體管。
文檔編號H02P9/48GK1109648SQ9411949
公開日1995年10月4日 申請日期1994年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月7日
發(fā)明者梅田敦司, 戶川雅俊, 川合淳司, 佐藤博英, 戶倉規(guī)仁 申請人:日本電裝株式會社