專利名稱：同步整流器電橋的部件、相關(guān)同步整流器電橋及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及同步整流器電橋部件，特別是電橋臂，以及包括多個(gè)這種部件的電壓整流器電橋。
本發(fā)明還涉及使用這種整流器電橋的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
背景技術(shù)：
如圖1所示的二極管整流器電橋在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。
用在這類整流器電橋中的二極管，不管是結(jié)型、PIN還是肖特基二極管，在低壓時(shí)在導(dǎo)通方向都具有可觀的電壓降。
這表示在運(yùn)行在低壓下的機(jī)動(dòng)車裝備的領(lǐng)域中存在缺點(diǎn)。例如，結(jié)果，使得交流發(fā)電機(jī)的電輸出下降。
為了改善采用二極管電橋的電氣設(shè)備的總輸出，已知使用具有開關(guān)(晶體管、晶閘管、三端雙向可控硅開關(guān)等等)的同步整流器。
文獻(xiàn)EP1347564描述了這種類型的三相同步整流器電橋，其示意圖在圖2中示出。
執(zhí)行開關(guān)搡作的N溝道MOSFET (絕緣柵場效應(yīng)晶體管)或IGBT (絕緣柵雙極晶體管)類型的晶體管的柵極根據(jù)相間的電壓差的絕對(duì)值而被控制，以便在該電橋的輸出端處產(chǎn)生連續(xù)的電壓。
從文獻(xiàn)WO2004/034439也可以知道，在導(dǎo)通狀態(tài)下以線性模式來驅(qū)動(dòng)該MOSFET,即通過伺服機(jī)制線性地驅(qū)動(dòng)它們的內(nèi)部電阻器，以便模擬理想二極管的行為。
在文獻(xiàn)FR2884079中，VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES公司公開了一種用于控制MOS晶體管的方法，其預(yù)期以變換電橋(逆變器或整流器)來實(shí)現(xiàn)，以便克服晶體管中的電荷的累積，該累積會(huì)引起開關(guān)過程中的延遲，產(chǎn)生大的恢復(fù)電流。圖3給出了相應(yīng)器件的示意圖。上面回顧的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)使得優(yōu)化了同步整流器的輸出。然而，已知同步整流器的晶體管需要附加控制和電源電路，并且不能替換二極管以便將異步整流器電橋轉(zhuǎn)換成同步整流器電橋。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于用功率組件、電源及其控制機(jī)構(gòu)插入到單個(gè)盒中，以便使得利用同步整流器電橋部件能夠代替一個(gè)或多個(gè)二極管。
這準(zhǔn)確地涉及具有至少第一接線端子和至少第二接線端子的同步整流器電橋部件。
該部件是那些已知類型的，本質(zhì)上包括至少第一場效應(yīng)晶體管，其第一源極和第一漏極分別連接到第一和第二接線端子；和包括第一反饋環(huán)路的至少第一運(yùn)算放大器，其第一輸出端連接到該第一晶體管的第一柵極。
該放大器被設(shè)置作為比較器，用于具有預(yù)定參考電壓的至少第一電壓源與施加于該第一和第二接線端子的電壓之間的至少第一電壓差的比較。
根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件的顯著特點(diǎn)在于，它進(jìn)一步包括負(fù)荷泵，由施加于該接線端子的電壓產(chǎn)生第一放大器的電源電壓中的至少一個(gè)。
優(yōu)選地,該負(fù)荷泵由振蕩器控制，該振蕩器由該負(fù)荷泵本身饋電(feed)。
根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件有利地包括如下電路，當(dāng)該施加電壓中的至少一個(gè)的平均幅度或頻率小于預(yù)定值時(shí)，該電路將該負(fù)荷泵設(shè)置為備用。
根據(jù)本發(fā)明，將由同步整流器電橋部件獲得優(yōu)勢，該同步整流器電橋部件包括至少第二場效應(yīng)晶體管，其第二源極和第二漏極分別連接到第二接線端子和第三接線端子；并且進(jìn)一步包括第二運(yùn)算放大器，包括第二反饋環(huán)路，其中該放大器至少部分被該負(fù)荷泵產(chǎn)生的電源電壓饋電，并且其第二輸出端連接到該第二晶體管的第二柵極。
該第二放大器被設(shè)置作為比較器，用于具有相同預(yù)定參考電壓的第二電壓源與所施加的電壓中的第二接線端子上呈現(xiàn)的電壓和所施加的電壓中的第三接線端子上呈現(xiàn)的電壓之間的第二電壓差的比較。
在本發(fā)明的該實(shí)施例中，根據(jù)所施加的電壓中的第二接線端子上呈現(xiàn)的電壓的平均值或頻率，來在第一和第三接線端子之間優(yōu)選地選擇性地饋電給所述負(fù)荷泵。
可替換地或同時(shí)地，當(dāng)所施加的電壓中的第二接線端子上呈現(xiàn)的電壓的頻率為零時(shí)，該部件的第二接線端子有利地由旁路電路連接到第三接線端
5子，該旁5^電^^包括電阻器。
根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件優(yōu)選地包括附加接線端子，具有診斷信號(hào)，指示該部件的故障。
根據(jù)本發(fā)明的目的，該同步整流器電橋部件很有利地被生產(chǎn)為模制
(overmoulded)盒的形式，具有連接到第二或第三接線端子的金屬底部，和連接到第一接線端子并支持第一晶體管或者連接到第一和第二接線端子并支持第一和第二晶體管的一個(gè)或多個(gè)絕緣引線框。
優(yōu)選地，該第一放大器和/或第二放大器、該負(fù)荷泵和/或該振蕩器、和/或該備用的設(shè)置電路、和/或該旁路電路、和/或該診斷電路被生產(chǎn)為一個(gè)或多個(gè)ASIC (專用集成電路類型)電路，優(yōu)選地為單個(gè)ASIC電路。
本發(fā)明還涉及同步整流器電橋，其顯著特點(diǎn)在于，它由一個(gè)或多個(gè)具有上述特征的整流器電橋部件構(gòu)成，并且涉及合并至少這樣的同步整流器電橋的發(fā)電機(jī)類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
這些基本的說明將已經(jīng)使得，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由該同步整流器電橋部件、相應(yīng)的整流器電橋及其應(yīng)用帶來的優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見。
下面參考附圖給出本發(fā)明的詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)注意，這些附圖除了為了圖示該描述的正文之外沒有其他的目的，并不表示限制本發(fā)明的范圍。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的二極管異步三相整流器電橋的傳統(tǒng)示意圖。圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的使用開關(guān)晶體管的三相同步整流器電橋的示意圖。
圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的用于控制MOS晶體管并且已被實(shí)施在變換電橋中的器件的示意圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件的第一優(yōu)選實(shí)施例的總覽圖。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件的第二優(yōu)選實(shí)施例的總覽圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件的第二優(yōu)選實(shí)施例的示意圖7示意地示出了對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的集成電路的結(jié)構(gòu)。
圖8是合并了由根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的三電橋部件構(gòu)成的整流器電橋的三相旋轉(zhuǎn)電機(jī)的示意性視圖。
具體實(shí)施例方式
回顧整流器電橋的現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展的主要階段(這些階段由圖1、 2和3中所示的器件表示)將使得能夠很好地理解圖4和5中以概要方式所示的本發(fā)明的益處。
圖1示出了三相整流器電橋1，該三相整流器電橋1由三相交流發(fā)電機(jī)的繞組2的端子P1、P2、P3處的交流電壓產(chǎn)生相對(duì)于地的正的連續(xù)電壓B+。在機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域，交流發(fā)電機(jī)工作在低電壓情況下，以便在整流之后提供
大約14V的連續(xù)電壓B+饋給電池和車載網(wǎng)絡(luò)。二極管兩端在導(dǎo)電方向上的大約0.7V的電壓降在電源電路中產(chǎn)生大約10%的相對(duì)較大的電壓降。
在圖2所示的同步整流器電橋中，上述裝配的二極管l被替換為開關(guān)工作的N溝道MOSFET晶體管3。 MOSFET晶體管3在導(dǎo)通狀態(tài)下非常小的電阻在相2的繞組電路中僅僅產(chǎn)生大約幾十毫伏的附加電壓降。
在由圖2所示的器件說明的技術(shù)發(fā)展階段中，通過由工作在二元方式的控制電路5施加于MOSFET晶體管3的柵極4的開關(guān)電壓來"導(dǎo)通-截止，，控制該MOSFET晶體管3。
下列改善在于，將二元模式的控制電路5替換為用于以線性模式驅(qū)動(dòng)MOSFET晶體管的電路6 (例如如圖3所示)，以便使得電壓Vds在漏極Dl和源極S1之間恒定，或者最小化導(dǎo)通狀態(tài)期間的電荷的積累。
為了做到這一點(diǎn)，線性模式的驅(qū)動(dòng)電路6包括運(yùn)算放大器7，被設(shè)置作為參考電壓源Uref和漏源電壓Vds的比較器，其輸出端8通過電阻器R"連接到MOSFET 10的柵極9。該運(yùn)算放大器7包括由RC電路構(gòu)成的反饋環(huán)路。
運(yùn)算放大器7由連接到其正電源端V+和連接到其負(fù)電源端V-的電壓源饋電，該電壓源相對(duì)于漏極D1和源極S1電勢具有足夠的電平，以使得輸出電壓有效控制N溝道MOSFET晶體管10的片冊才及9。
相對(duì)于圖1的裝配，需要為控制電路5或驅(qū)動(dòng)電路6提供適當(dāng)?shù)碾娫辞∏∈菆D2和3所示的器件的不足之處MOSFET晶體管3、 10不能筒單地替換整流二極管1。在第一優(yōu)選實(shí)施例中，圖4是其總覽圖，因此本發(fā)明在于從N溝道MOSFET晶體管10 (或者并聯(lián)的幾個(gè))的端子D1、 Sl處的電壓為用于以線性模式驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET晶體管10 (或者并聯(lián)的幾個(gè))的電路6的電源V+、 V-供電。
由于該裝配具有獨(dú)立的電源，因此它在第一接線端子D1和第二接線端子Sl之間形成同步整流器電橋部件11，其以透明方式替換整流二極管，該整流二極管的陽極將是第一接線端子Dl,其陰極為第二接線端子Sl 。
與接線端子Dl、 Sl并聯(lián)的負(fù)荷泵12產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路6的運(yùn)算放大器7所需的高電源電壓VH和低電源電壓VL。
該負(fù)荷泵12由振蕩器13控制，該振蕩器13本身由所產(chǎn)生的電壓VH、VL饋電。
本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例是同步整流器電橋部件14，圖5給出了其總覽圖，其以透明方式替換二極管異步整流器電橋臂(如圖l所示)。
因此部件14包括三個(gè)接線端子對(duì)應(yīng)于整流器電橋的正極的第一接線端子B+、連接到該交流發(fā)電機(jī)的多相中的一相的第二接線端子P和通常接地的第三接線端子B。
以類似于用于替換單個(gè)二極管的裝配的方式，用于替換該二極管電橋臂的裝配包括第一N溝道MOSFET晶體管15 (或并聯(lián)的幾個(gè))，其漏極16連接到第一接線端子B+,其源極17連接到第二接線端子P。
它進(jìn)一步包括第二N溝道MOSFET晶體管18 (或并聯(lián)的幾個(gè))，其漏極19連接到第二接線端子P，其源極20連接到第三接線端子B-。
第一和第二 MOSFET晶體管15、 18的柵極21、 22的每一個(gè)分別由如圖3所示的驅(qū)動(dòng)電^各23、 24驅(qū)動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)電路23、 24由從第一 B+和第三B-端子之間的電壓產(chǎn)生高電源電壓VH和低電源電壓VL的負(fù)荷泵25々貴電。
高電源電壓VH饋入第一驅(qū)動(dòng)電路23的正電源端V+,第一驅(qū)動(dòng)電^各23的負(fù)電源端V-連接到第二接線端子P。
低電源電壓VL饋入第二驅(qū)動(dòng)電路24的正電源端V+,第二驅(qū)動(dòng)電路24的負(fù)電源端V-連接到第三接線端子B-。
該負(fù)荷泵25由振蕩器26控制，該振蕩器26本身由所產(chǎn)生的電源電壓VH、 VL饋電。用于將負(fù)荷泵25設(shè)置為備用的電路27根據(jù)由第二接線端子P (即該相端子)和第三接線端子B-(即通常為地)之間的電阻電橋28汲取的電壓的平均幅度而進(jìn)入操作。
當(dāng)該平均幅度小于預(yù)定值時(shí)，該備用設(shè)置電路27將負(fù)荷泵25與第 一接線端子B+隔離開來。
如果該交流發(fā)電機(jī)的端子處的電壓不夠晶體管15、 18的正確控制(這可能會(huì)使它們損壞)，則該低電壓保護(hù)使得該同步整流不激活。
當(dāng)該相電壓的頻率小于最小頻率時(shí)，停止負(fù)荷泵25也有利地^t觸發(fā)。
在這種情況下，由于MOSFET晶體管15、 18的寄生二極管而使得同步整流器電橋部件14充當(dāng)傳統(tǒng)二極管電橋。
優(yōu)選地，當(dāng)相電壓的頻率為零(即，當(dāng)該交流發(fā)電機(jī)已經(jīng)停止)時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)MOSFET晶體管的電路23、 24將第二接線端子P或相端子經(jīng)由包括電阻器的旁i 各電踏-接地。
附加接線端子發(fā)送回指示部件14的故障(其可能導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)過熱)的診斷信號(hào)。
圖6給出了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的同步整流器電橋部件14的示意圖。
驅(qū)動(dòng)電路23、 24的細(xì)節(jié)本質(zhì)上是已知的，不需要詳細(xì)說明。
產(chǎn)生電源電壓VH和VL的負(fù)荷泵25包括兩個(gè)二極管Dl 、 D2和三個(gè)電
容器C3、 C4、 C5,其并聯(lián)充電和串聯(lián)放電是由兩個(gè)N溝道MOSFET晶體
管M5、 M6控制的，N溝道MOSFET晶體管M5、 M6的柵極由振蕩器26
的輸出Gl、 G2驅(qū)動(dòng)。
備用設(shè)置電路27包括NPN型晶體管Q2,其用作用于給同步整流器電
橋部件14的第一接線端子B+和第三接線端子B-之間的負(fù)荷泵25饋電的電
路中的開關(guān)。
該晶體管Q2的基極由電阻電橋28在相端子P和第三接線端子B-之間汲:取的電壓來控制，該電壓由電容器C6濾波并且由NPN型晶體管Q1以及其后的PNP晶體管Q3級(jí)聯(lián)放大之后被施加到晶體管Q2的基極。
根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件優(yōu)選地被生產(chǎn)為IML (絕緣模制引線框)技術(shù)模制盒的形式。
圖7示意地示出了將根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的同步整流器電橋部件14(即整流器電橋臂)集成到IML技術(shù)的示例。
模制盒30的金屬底部29形成部件14的第三接線端子B-并且耗散熱量。 使用熱傳導(dǎo)但是電絕緣的粘合劑(例如玻璃珠硅樹脂)將分別對(duì)應(yīng)于部
件14的第一和第二接線端子B+、 P的第一和第二引線框31、 32粘合在金屬
底部29上。
具有基本細(xì)長矩形形狀的第一引線框31支持第一 MOSFET晶體管15 (或并聯(lián)的幾個(gè))。
基本上為L形且與第一引線框31并置的第二引線框32支持第二 MOSFET晶體管18 (或并聯(lián)的幾個(gè))以及ASIC (專用集成電路)電路33。
該ASIC電路33包括負(fù)荷泵25、振蕩器26、備用設(shè)置電路27和用于驅(qū) 動(dòng)MOSFET 15、 18的電^各23、 24。
它也優(yōu) 選地包括部件14的旁路電路和診斷電^各。
該同步整流器電橋部件14到獨(dú)立模塊30的集成使得它能夠以與形成傳 統(tǒng)整流器電橋臂的 一對(duì)二極管的相同的方式被封裝在按鈕部件(button member)中。
結(jié)果，圖8的圖是根據(jù)本發(fā)明的同步整流器電橋部件的應(yīng)用的例子用 新的MOSFET部件35替換交流發(fā)電機(jī)34的舊的二極管按鈕部件是完全透 明的，其中在該圖中，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)為他/她可以容易地識(shí)別出三相交 流發(fā)電機(jī)34的外觀圖，其具有三個(gè)按鈕部件35，每個(gè)通常包含二極管整流 器電橋臂。
當(dāng)然，本發(fā)明不局限于如上所述的僅僅優(yōu)選實(shí)施例(其涉及等效于一個(gè) 或兩個(gè)整流二極管的電路的集成)。
類似的描述可以應(yīng)用于等效于多于兩個(gè)二極管的同步整流器電橋部件。
此外，上述指定的半導(dǎo)體部件的具體類型(即，N溝道MOSFET、 PNP 或NPN型晶體管)僅僅是以示例的方式給出的。
本發(fā)明覆蓋采用任何其他類型的半導(dǎo)體部件的所有可能的可替換實(shí)施 例，這些半導(dǎo)體部件具有等效于所引用的部件的功能，可能以改變施加電壓 的極性為代價(jià)，這些可替換實(shí)施例都保持在后面的權(quán)利要求書所定義的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種同步整流器電橋部件(11，14)，具有至少第一接線端子(D1，B+)和至少第二接線端子(S1，P)，所述部件(11，14)是這些類型的，其包括至少第一場效應(yīng)晶體管(10，15)，其第一源極(10a，16)和第一漏極(10b，17)分別連接到所述至少第一和第二接線端子(D1，B+；S1，P)；和包括第一反饋環(huán)路(R，C；R3，C1)的至少第一運(yùn)算放大器(7，U1A)，其被設(shè)置作為比較器，用于具有預(yù)定參考電壓的至少第一電壓源(Uref，Vref)與施加于所述至少第一和第二接線端子(D1，B+；S1，P)的電壓之間的至少第一電壓差(Vds)的比較，其第一輸出端(8)連接到所述第一晶體管(10，15)的第一柵極(9，21)，其特征在于，所述部件(11，14)進(jìn)一步包括負(fù)荷泵(12，25)，由所述施加的電壓產(chǎn)生第一放大器(7，U1A)的電源電壓(VH，VL)中的至少一個(gè)。
2、 如權(quán)利要求l所述的同步整流器電橋部件(11, 14)，其特征在于， 所述負(fù)荷泵(12， 25)由振蕩器(13, 26)控制，該振蕩器由所述負(fù)荷泵(12， 25)饋電。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的同步整流器電橋部件(11， 14),其特征在 于，其包括一電路(27),當(dāng)所述施加的電壓中的至少一個(gè)的平均幅度或頻 率小于預(yù)定值時(shí)，該電路將所述負(fù)荷泵(25)設(shè)置為備用。
4、 如權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的同步整流器電橋部件(11, 14)，其特征在于，其包括至少第二場效應(yīng)晶體管(18),其第二源極(19) 和第二漏極(20)分別連接到所述第二接線端子(P)和第三接線端子(B-); 和第二運(yùn)算放大器(U1B),至少部分被所述負(fù)荷泵(25)產(chǎn)生的電源電壓(VH， VL)饋電，其包括第二反饋環(huán)路(R4, C2)，其中該第二放大器被 設(shè)置作為比較器，用于具有所述預(yù)定參考電壓的第二電壓源(Vref)與在所 述施加的電壓中的所述第二接線端子(P)上呈現(xiàn)的電壓和所述施加的電壓 中的所述第三接線端子(B-)上呈現(xiàn)的電壓之間的第二電壓差的比較，并且 其第二輸出端連接到所述第二晶體管(18)的第二柵極(22)。
5、 如權(quán)利要求4所述的同步整流器電橋部件(14),其特征在于，根據(jù) 所述施加的電壓中的所述第二接線端子(P)上呈現(xiàn)的電壓的平均值或頻率， 來在所述第一和第三接線端子(B+， B-)之間選擇性地饋電給所述負(fù)荷泵(25 )。
6、 如權(quán)利要求4所述的同步整流器電橋部件(14),其特征在于，當(dāng)所 述施加的電壓中的所述第二接線端子(P)上呈現(xiàn)的電壓的頻率為零時(shí)，所 述第二接線端子(P)由包括電阻器的旁路電路連接到所述第三接線端子(B-)。
7、 如權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的同步整流器電橋部件，其 特征在于，其包括附加接線端子，具有指示該部件的故障的診斷信號(hào)。
8、 如權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的同步整流器電橋部件(11， 14)，其特征在于，該同步整流器電橋部件被生產(chǎn)為模制盒(30)的形式， 具有連接到所述第二接線端子(Sl)或所述第三接線端子(B-)的金屬底部(29),和連接到所述第一接線端子(Dl)并支持所述第一晶體管(10)、或 者連接到所述第一和第二接線端子(B+， P)并支持所述第一和第二晶體管 (15， 18)的一個(gè)或多個(gè)絕緣引線框(31， 32)。
9、 如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的同步整流器電橋部件(11， 14)，其特征在于，所述第一放大器(7, U1A)和/或第二放大器(U1B)、 所述負(fù)荷泵(12， 25)和/或所述振蕩器(13, 26)、和/或所述備用設(shè)置電路(27)、和/或所述旁路電路、和/或所述診斷電路被生產(chǎn)為一個(gè)或多個(gè)ASIC 電路(33)的形式，優(yōu)選地為單個(gè)ASIC電路(33)。
10、 由一個(gè)或多個(gè)如權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的同步整流器 電橋部件(ll, 14)構(gòu)成的同步整流器電橋。
11、 合并至少如權(quán)利要求10所述的同步整流器電橋的發(fā)電機(jī)類型的旋 轉(zhuǎn)電機(jī)(34)。
全文摘要
同步整流器電橋部件(14)典型地包括至少第一和第二接線端子(B+，P)的；至少第一場效應(yīng)晶體管(15)，其源極和漏極(16，17)分別連接到所述至少第一和第二接線端子(B+，P)；和至少一個(gè)比較器，用于比較具有預(yù)定參考電壓的至少第一電壓源與施加于所述第一和第二接線端子(B，P)的電壓之間的至少第一電壓差，其第一輸出端連接到所述晶體管(15)的柵極(21)。根據(jù)本發(fā)明，所述部件(11，14)進(jìn)一步至少一個(gè)包括負(fù)荷泵(25)，由所述施加的電壓產(chǎn)生用于為所述第一放大器供電的至少一個(gè)電源電壓(VH，VL)。
文檔編號(hào)H03K17/06GK101542902SQ200780042296
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月16日
發(fā)明者蓋爾·布朗德爾, 菲利普·馬森 申請(qǐng)人:法雷奧電機(jī)設(shè)備公司