一種汽車發(fā)電機(jī)主動(dòng)整流器

鄒 穎，申彩英

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一種汽車發(fā)電機(jī)主動(dòng)整流器

鄒 穎，申彩英

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

分析了大電流狀態(tài)下將出現(xiàn)的問題，尋找解決方法。提出了采用MOSFET作為整流器件來降低整流器正向電壓的可能性。分析了MOSFET工作在整流狀態(tài)下需要工作在輸出特性的第三象限以及MOSFET輸出特性第三象限的特點(diǎn)。分析了工作在整流器狀態(tài)的MOSFET導(dǎo)通電阻對導(dǎo)通電壓的影響，提出采用極低導(dǎo)通電阻作為100 A級整流器需要的MOSFET要求的參數(shù)。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的方法及理論。

汽車發(fā)電機(jī)；MOSFET；主動(dòng)整流器；導(dǎo)通電壓

越來越多汽車電子設(shè)備的出現(xiàn)，要求汽車的供電電流越來越大。這個(gè)供電要求需要由汽車發(fā)電機(jī)提供。使得汽車發(fā)電機(jī)輸出電流增加到150~200 A。

汽車發(fā)電機(jī)輸出電流的幅度增加，帶來的最大問題是整流器散熱問題。汽車發(fā)電機(jī)輸出電流150 A狀態(tài)下，整流器產(chǎn)生的損耗在210~270 W。需要很大的散熱能力。在體積有限、散熱能力有限的約束條件下表現(xiàn)出散熱能力不足的問題。

整流器損耗的產(chǎn)生是由于整流二極管正向電壓所致。一般用于整流的硅二極管正向電壓降約為0.8~1.0 V。為了降低二極管的正向電壓降，一般應(yīng)用中可以采用正向電壓降低僅有0.5 V的肖特基二極管，但是肖特基二極管存在的高溫漏電流大的問題抵消了低正向電壓降的優(yōu)點(diǎn)。除此以外，肖特基二極管耐過電流沖擊能力也很差。

如何尋求到一種正向電壓低于0.3 V、漏電流幾乎可以忽略的整流器件，在眾多功率半導(dǎo)體器件中，唯功率MOSFET可能具有這樣特性。

1 功率MOSFET工作在整流狀態(tài)下的特殊性

1.1 功率MOSFET的工作狀態(tài)

一般的N溝道MOSFET工作狀態(tài)是在導(dǎo)通狀態(tài)下，漏極電位相對源極電位高，對應(yīng)的MOSFET中寄生二極管（除續(xù)流狀態(tài)外）處于陽極反向電壓的阻斷狀態(tài)。工作在輸出特性的第一象限。

功率MOSFET工作在整流器模式下，功率MOSFET導(dǎo)通應(yīng)該視為常規(guī)整流器二極管導(dǎo)通，這時(shí)的功率MOSFET的漏極電位低于源極電位。工作在輸出特性的第三象限，如圖1。

圖1 MOSFET（IPLU300N04S4-R8）輸出特性

從圖1中可以看到，當(dāng)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)下，在反向二極管導(dǎo)通前，MOSFET反向輸出特性與正向輸出特性相同，為電阻特性；當(dāng)MOSFET反向電壓接近反向二極管的導(dǎo)通電壓，MOSFET反向輸出特性趨于反向二極管導(dǎo)通特性。

N溝道增強(qiáng)型MOSFET柵極電壓為零或?yàn)樨?fù)狀態(tài)下，MOSFET正向輸出特性為反向二極管反向阻斷特性，理論上處于零電流狀態(tài)。

1.2 功率MOSFET導(dǎo)通電壓降

盡管在理論上MOSFET可以作為整流元件，但是必須是在工作電流條件下的電壓降處于低于反向二極管正向?qū)妷旱臓顟B(tài)，否則沒有意義；在實(shí)際應(yīng)用中，MOSFET作用于整流狀態(tài)下的電壓降必須低于0.3 V，否則沒有實(shí)用價(jià)值。圖2為一款500 V/24 A的MOSFET。

圖2 MOSFET（500 V/24 A）輸出特性

圖2中，漏極電流超過4 A，就達(dá)到了二極管正轉(zhuǎn)折電壓。如此低的電流將不具備作為整流元件的價(jià)值。

圖1中，MOSFET即使工作電流到200 A，電壓降也不過0.16 V。這樣，即使在最高結(jié)溫狀態(tài)下，工作電流為100 A時(shí)，電壓降僅僅約為0.25 V，符合作為降低整流器正向電壓的目標(biāo)。

因此，選擇作為整流元件的MOSFET，其導(dǎo)通電壓必須低于0.3 V才有意義。

2 極低導(dǎo)通電阻的MOSFET

利用MOSFET的低導(dǎo)通電阻，使MOSFET在導(dǎo)通狀態(tài)下流過整流電流，產(chǎn)生遠(yuǎn)低于硅二極管的正向電壓。獲得更低的導(dǎo)通損耗。

例如100 A整流輸出電流狀態(tài)下，MOSFET電壓降需要低于0.3 V才會有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這就需要MOSFET具有：

需要注意的是，式(1)中的MOSFET導(dǎo)通電阻是最高結(jié)溫條件下的導(dǎo)通電阻。而大多數(shù)MOSFET數(shù)據(jù)表中是室溫條件下的數(shù)據(jù)。兩者之間相差2~3倍。圖3為IPLU300N04S4導(dǎo)通電阻與結(jié)溫關(guān)系。

圖3 IPLU300N04S4導(dǎo)通電阻與結(jié)溫關(guān)系

該型號室溫條件下的導(dǎo)通電阻典型值為0.53 mΩ，對應(yīng)150 ℃結(jié)溫將接近0.9 mΩ。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮MOSFET導(dǎo)通電阻的最大值狀態(tài)下的最高結(jié)溫的實(shí)際導(dǎo)通電阻，對應(yīng)值為：

當(dāng)流過100 A電流時(shí)，導(dǎo)通壓降為0.126 V。在大電流狀態(tài)下，線路的寄生電阻將變得不可忽視。因此，需要考慮由于線路寄生電阻產(chǎn)生的電壓降。綜合考慮，式(2)的結(jié)果可以滿足100 A工作電流的要求。

3 主動(dòng)整流與被動(dòng)整流

主動(dòng)整流(active)是通過控制信號控制整流器件導(dǎo)通與關(guān)斷。被動(dòng)整流(passtiv)是交流電源電壓使整流元件陽極電壓過零變正從而使得整流元件導(dǎo)通，或使整流元件陽極電壓過零變負(fù)從而使得整流元件關(guān)斷。主動(dòng)整流可控，被動(dòng)整流不可控，這是主動(dòng)整流與被動(dòng)整流在受控形式上的差別。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)利用MOSFET作為整流器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

MOSFET型號：IPLU300N04S4。常溫導(dǎo)通電阻最大值0.77 mΩ，殼溫25 ℃的額定電流300 A。

整流電路，三相橋式整流電路。

測試儀器與裝置：DPS2024隔離通道示波器；250 A磁平衡式霍爾電流傳感器，檢測電流與輸出電壓關(guān)系25 A/V。

(2)測試結(jié)果

測試波形與數(shù)據(jù)：輸出電流與MOSFET電壓波形如圖4。

圖4 輸出電流與MOSFET電壓波形

圖4中，通道2為MOSFET電壓；通道4為輸出電流，1 V/div。實(shí)測電壓為3.84 V，對應(yīng)電流為96 A。

MOSFET正向電壓細(xì)節(jié)波形如圖5。

圖5 實(shí)際測試波形圖

圖5中，MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下的正向電壓約100 mV。遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅整流器的約1 V的典型電壓值。

常溫狀態(tài)下，MOSFET帶有很小散熱器的殼溫為80.6 ℃，如圖6。

圖6 小散熱器時(shí)MOSFET殼溫

對應(yīng)的導(dǎo)通損耗為：

5 結(jié)論

應(yīng)用MOSFET作為整流器件可以使整流器件的導(dǎo)通損耗大大降低。作為汽車發(fā)電機(jī)整流器，不僅可以降低整流器損耗到二極管整流的約76%，同時(shí)也可以減小對散熱器的要求。

可以采用本文采用的MOSFET型號，以雙管并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)200 A輸出電流的主動(dòng)整流器。

在汽車發(fā)電機(jī)輸出電流越來越大的需求下及整流器空間和散熱條件有限的條件下，采用MOSFET作為整流器件的主動(dòng)整流器將是高輸出電流汽車發(fā)電機(jī)整流器的趨勢。

[1] 陳永真, 孟麗囡. 高效率開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作[M] . 北京: 科學(xué)出版社, 2008: 162-164.

[2] 陳永真, 曹洪奎, 李光林. 現(xiàn)代電子技術(shù)[M]. 沈陽: 東北大學(xué)出版社, 2006: 177-183.

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責(zé)任編校：孫 林

A Kind of Active Rectifier for Automobile Generator

ZOU Ying, SHEN Cai-ying

（School of Electronics & Information Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Problems in large current state will be analyzed to find out the solutions in the paper. The possibility of using MOSFET as a portion of rectifier to reduce the forward voltage of rectifier is proposed. MOSFET output characteristics in third quadrant is analyzed when it works in the rectifying state. The influence of turn-on resister on turn-on voltage has been analyzed too. Extremely low turn-on resistance as 100 amperes level MOSFET parameter is proposed. At last, the methods and theories are verified by experiments.

automobile generator; MOSFET; active rectifier; turn-on voltage

10.15916/j.issn1674-3261.2017.03.002

TM46

A

1674-3261(2017)03-0146-03

2016-06-09

鄒 穎(1994-)，女(滿族)，遼寧鞍山人，碩士生。申彩英(1981-)，女，遼寧錦州人，講師，博士。