一种车用电源系统及有源混合整流器和控制方法与流程

本发明涉及车用电源系统，具体涉及一种车用电源系统及有源混合整流器和控制方法。

背景技术：

车用电源系统是将发电机的三相交流电整流后提供给负载，汽车发电机输出功率根据汽车用电负载大小在500W～2000W。汽车发电机输出的额定电压为12V或24V。

现有的车用电源系统如图1所示，在图1中，电源供给采用三相交流励磁发电机，发电机最大功率输出700W～2000W，最大输出电流50～150A。发电机由电枢线圈和励磁线圈构成。电枢线圈输出发电机能量。励磁线圈通过改变电流调整发电机磁场强度调整发动机输出功率，整流器将发电机三相交流电转换为直流电。现有汽车电源整流器通常采用硅二极管整流。调压控制器根据整流器输出电压控制电机励磁线圈电流控制电机磁场。输出电压减小时增加励磁线圈电流，反之减小励磁电流。图1中调压控制器采用的是ST公司的L9409单片调压器，励磁控制输出端为OUT，最大励磁电流小于2A。调压器电源VDD直接连接整流器输出端时，控制端C是降低调压器静态功耗设置。

现有的车用电源系统普遍存在整流效率低，整流器耗散功率大，不能解决抛载问题等缺陷。以输出电压为14V，输出电流为100A的车用电源系统为例，如果全负荷输出，二极管压降1.1～1.3V，整流器压降为2.2～2.6V，整流器功耗耗散功率为220W～260W，整流效率为84.3％～86.4％。整流器功耗为220W～260W，因此整流器散热也是一个很大问题。否则会导致整流器二极管过热损坏。另外，在发电机工作过程中，如果蓄电瓶突然断开(抛负载)，会导致发电机输出电压急剧增加，最坏情况下超过100V，并且持续时间会维持几百毫秒。会损坏汽车电器系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种车用电源系统及有源混合整流器和控制方法。

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一个技术方案，一种车用电源系统，包括发电机、励磁线圈、调压器和整流器；其中：

整流器将发电机三相交流电转换为直流电，为蓄电池提供充电电压；调压器根据整流器的输出电压控制励磁线圈的电流；其特点是：整流器采用有源混合整流器，由三相桥式整流器和整流器控制电路构成；三相桥式整流器的上桥臂即输出桥臂采用二极管整流，下桥臂即接地桥臂采用MOSFET管整流；当发电机某相电压大于整流器输出电压，该相对应的整流二极管导通，当发电机某相电压小于整流器输出电压，该相对应的整流二极管关断。

整流器控制电路接收发电机相线输出的信号，处理后为下桥臂MOSFET管的栅极提供驱动信号；当发电机某相电压小于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管导通，当发电机某相电压电压大于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管关断。

根据本发明所述的一种车用电源系统的优选方案，整流器控制电路包括分压电路、电压比较器、第一、第二和第三低边比较器以及第一、第二和第三低边控制驱动器。

分压电路对整流器的输出电压进行分压后，输出分压后的电压到电压比较器。

电压比较器将分压电路输出的电压与基准电压进行比较，输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器。

第一、第二和第三低边比较器分别接收发电机三根相线输出的信号，与地电压进行比较，分别输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器。

第一、第二和第三低边控制驱动器接收电压比较器输出的信号，还分别接收第一、第二和第三低边比较器输出的信号，对收到的信号进行处理后，分别输出驱动信号到对应MOSFET管的栅极。

根据本发明所述的一种车用电源系统的优选方案，任一低边控制驱动器包括二输入与非门、R–S触发器、非门、二输入或非门和CMOS互补驱动器；二输入与非门的一端和R–S触发器的R端以及非门同时接收对应低边比较器的输出信号，二输入与非门的另一端接收电压比较器输出的信号，二输入与非门输出信号到R–S触发器的S端；非门和R–S触发器分别输出信号到二输入或非门，二输入或非门为CMOS互补驱动器提供驱动信号，CMOS互补驱动器输出驱动信号到对应MOSFET管。

本发明的第二个技术方案是，一种构成车用电源系统的有源混合整流器，包括桥式整流器和整流器控制电路；其特征在于：桥式整流器的上桥臂采用二极管整流，下桥臂采用MOSFET管整流；当发电机某相电压大于整流器输出电压，该相对应的整流二极管导通，当发电机某相电压小于整流器输出电压，该相对应的整流二极管关断。

整流器控制电路接收发电机相线输出的信号，处理后为下桥臂MOSFET管的栅极提供驱动信号；当发电机某相电压小于地电压，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET导通，当发电机某相电压电压大于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管关断。

根据本发明所述的一种构成车用电源系统的有源混合整流器的优选方案，整流器控制电路包括分压电路、电压比较器、第一、第二和第三低边比较器以及第一、第二和第三低边控制驱动器。

分压电路对整流器的输出电压进行分压后，输出分压后的电压到电压比较器。

电压比较器将分压电路输出的电压与基准电压进行比较，输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器。

第一、第二和第三低边比较器分别接收发电机三根相线输出的信号，与地电压进行比较，分别输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器。

第一、第二和第三低边控制驱动器接收电压比较器输出的信号，还分别接收第一、第二和第三低边比较器输出的信号，对收到的信号进行处理后，分别输出驱动信号到下桥臂对应MOSFET管的栅极。

根据本发明所述的一种构成车用电源系统的有源混合整流器的优选方案，任一低边控制驱动器包括二输入与非门、R–S触发器、非门、二输入或非门和CMOS互补驱动器；二输入与非门的一端和R–S触发器的R端以及非门同时接收对应低边比较器的输出信号，二输入与非门的另一端接收电压比较器输出的信号，二输入与非门输出信号到R–S触发器的S端；非门和R–S触发器分别输出信号到二输入或非门，二输入或非门为CMOS互补驱动器提供驱动信号，CMOS互补驱动器输出驱动信号到对应MOSFET管。

本发明的第三个技术方案是，一种有源混合整流器控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、设置桥式整流器；该桥式整流器的上桥臂即输出桥臂采用二极管整流，下桥臂即接地桥臂采用MOSFET管整流。

B、设置整流器控制电路，该整流器控制电路用于控制下桥臂MOSFET管。

C、整流器控制电路接收发电机相线输出的信号，处理后为下桥臂MOSFET管的栅极提供驱动信号；当发电机某相电压小于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管导通，当发电机某相电压电压高于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管关断；当发电机某相电压大于整流器输出电压，该相对应的整流二极管导通，当发电机某相电压小于整流器输出电压，该相对应的整流二极管关断。

本发明所述的一种车用电源系统及有源混合整流器和控制方法的有益效果是：本发明具有整流效率高，功率耗散小，可靠性高、综合成本低的特点，解决了车用电源系统抛载问题；当整流器输出电压过高时，有源整流器控制电路控制下桥臂的MOSFET导通，将发电机输出短路，高电压不能通过整流器输出。本发明可广泛应用于各类车用电源系统。

附图说明

图1是现有技术的一种车用电源系统的原理方框图。

图2是本发明所述的一种车用电源系统的原理方框图。

图3是本发明所述的整流器控制电路的原理方框图。

图4是本发明所述的低边控制驱动器的原理图。

图5是整流器带阻性负载时的工作时序图。

图6是整流器带容性负载时的工作时序图。

具体实施方式

参见图2至图4，一种车用电源系统，包括发电机1、励磁线圈2、调压器3和整流器4；其中：

整流器4将发电机三相交流电转换为直流电，为蓄电池E提供充电电压；调压器3根据整流器4输出电压控制励磁线圈2电流；调压器3的电源端VDD连接蓄电池E的正端或者通过点火开关连接蓄电池E的正端。

其中，整流器4采用有源混合整流器，由三相桥式整流器和整流器控制电路5构成；三相桥式整流器的上桥臂即输出桥臂采用二极管整流，下桥臂即接地桥臂采用MOSFET管整流。

在具体实施例中，桥式整流器由第一、第二和第三MOSFET管、第一、第二和第三整流二极管构成；发电机1的第一相线U同时连接第一整流二极管DU的阳极和第一MOSFET管MU的漏极；当调压器3的电源端VDD直接连接蓄电池E的正端时，发电机1的第一相线还连接调压器的控制端C；发电机1的第二相线V同时连接第二整流二极管DV的阳极和第二MOSFET管MV的漏极；发电机的第三相线W同时连接第三整流二极管DW的阳极和第三MOSFET管MW的漏极；第一、第二和第三整流二极管的阴极相连接，并同时连接蓄电池E的正端；调压器3的输出端OUT连接励磁线圈2；第一、第二和第三MOSFET管的源极接地，第一、第二和第三MOSFET管的栅极分别连接整流器控制电路5的三个输出端OU、OV、OW；发电机的三根相线还分别连接整流器控制电路的三个输入端KU、KV、KW。

当发电机某相电压大于整流器输出电压，该相对应的整流二极管导通，当发电机某相电压小于整流器输出电压，该相对应的整流二极管关断；

整流器控制电路5接收发电机1相线输出的信号，处理后为下桥臂MOSFET管的栅极提供驱动信号；即处理后分别为第一、第二和第三MOSFET管的栅极提供驱动信号。当发电机某相电压小于地电压，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管导通，当发电机某相电压电压高于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管关断。

本发明的有源混合整流器整流效率高、耗散功率小。解决了车用电源系统抛载问题。当输出电压过高时，整流器控制电路控制下桥臂的MOSFET导通，将发电机输出短路，高电压不能通过整流器输出。由于汽车电源抛载时间相对很短，下桥臂的MOSFET管短路不会损坏发电机和整流器。

以输出电压为14V，输出电流为100A的车用电源系统为例，有源混合整流器上桥臂采用压降为0.7V的肖特基二极管，下桥臂采用导通电阻为2mΩ的MOSFET,全负荷输出时，整流器压降VR＝0.7V+100A*2mΩ＝0.9V。整流效率可达94％。整流器耗散功率为90W。与二极管整流器比较，有效降低整流器工作温度，提高整流器可靠性。另外，如果电源系统抛负载，电源系统输出电压增加到规定值通常为额定工作电压的2.0倍，整流器会控制下桥臂MOSFET导通，吸收电机输出能量，输出电压迅速降低，保护汽车电器系统。有源混合整流电源系统不存在抛载问题。

参见图5和图6，车用电源系统的工作原理是：

发电机工作时，三相发电机线电压输出端U、V、W输出交流电压。该电压输入到有源混合整流器，整流器控制电路5将发电机相电压分别与地电压比较。

如果U、V、W某相电压大于整流器输出电压，该相对应的整流二极管导通，为负载提供能量；如果U、V、W某相电压小于整流器输出电压，该相对应的整流二极管关断。

如果U、V、W某相电压小于地电压，整流器控制电路使该相对应的MOSFET管导通，如果U、V、W某相电压大于地电压，整流器控制电路使该相对应的MOSFET管关断。

以U相为例说明如下：设Vu为三相发电机U相线输出电压，Vout为整流器输出电压，V-为整流器接地端电压，V-＝0。

如果Vu>Vout，整流二极管DU导通；

如果Vu<Vout，整流二极管DU关断；

如果Vu>0，整流器控制电路OU端输出低电平驱动MU关断；

如果Vu<0，整流器控制电路OU端输出高电平驱动MU导通。

在具体实施例中，第一、第二和第三整流二极管采用肖特基二极管。

在具体实施例中，整流器控制电路5包括分压电路R1、R2、电压比较器、第一、第二和第三低边比较器7U、7V、7W以及第一、第二和第三低边控制驱动器8U、8V、8W；

分压电路对整流器4的输出电压进行分压后，输出分压电压到电压比较器6；分压电路由R1、R2构成；

电压比较器6将分压电路输出的比较电压与基准电压Vref比较，输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器8U、8V、8W；在具体实施例中，当分压电压Vt超过第二基准电压Vref时，电压比较器6输出高电平到第一、第二和第三低边控制驱动器，反之输出低电平。

第一、第二和第三低边比较器分别接收发电机1三根相线输出的信号，与地电压比较，分别输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器；在具体实施例中，低边比较器采用过零比较方式，低边比较器的一个输入端接地。当发电机某相线输出的信号低于零电压时，对应低边比较器控制对应低边控制驱动器输出高电压，使该相对应的MOSFET管导通。

第一、第二和第三低边控制驱动器8U、8V、8W同时接收电压比较器6输出的信号，分别接收第一、第二和第三低边比较器7U、7V、7W输出的信号，并对收到的信号进行处理后，分别输出驱动信号到第一、第二和第三MOSFET管MU、MV、MW的栅极。

由于整流器控制电路采用CMOS电路，发电机不工作时，静态工作电流小于0.2mA。整流器可直接接入系统电源。在具体应用中，整流器也可和调压器集成为一个模块成为整流调压器，直接安装在汽车交流发电机中成为电源总成。

在具体实施例中，任一低边控制驱动器包括二输入与非门、R–S触发器、非门、二输入或非门和CMOS互补驱动器；二输入与非门的一端和R–S触发器的R端以及非门同时接收对应低边比较器的输出信号，二输入与非门的另一端接收电压比较器输出的信号，二输入与非门输出信号到R–S触发器的S端；非门和R–S触发器分别输出信号到二输入或非门，二输入或非门为CMOS互补驱动器提供驱动信号，CMOS互补驱动器输出驱动信号到对应MOSFET管。

以第一低边控制驱动器8U为例，二输入与非门CD1的一端和R–S触发器RS的R端以及非门CD3同时接收第一低边比较器7U的输出信号，二输入与非门CD1的另一端接收电压比较器6输出的信号，二输入与非门CD1输出信号到R–S触发器的S端；非门CD3和R–S触发器分别输出信号到二输入或非门CD2，二输入或非门CD2为CMOS互补驱动器提供驱动信号，CMOS互补驱动器输出驱动信号到MOSFET管MU。CMOS互补驱动器由MOSFET管MP、MN构成。

整流器控制电路通过分压电路和电压比较器测量输出电压Vout。例如：当整流器控制电路检测到输出电压超过VTH，如果这时U相输入电压Vu>Vout，整流器控制电路将使连接U相的MOSFET管MU导通,并将保持该状态，直到U相输入由正电压变为负电压。

阈值电压VTH可以通过电阻R1、R2调整。在工程中，VTH大致调整到额定工作电压的两倍，对于12V电源系统，VTH＝24V。

一种构成车用电源系统的有源混合整流器，包括桥式整流器和整流器控制电路5；桥式整流器的上桥臂即输出桥臂采用二极管整流，下桥臂即接地桥臂采用MOSFET管整流。

在具体实施例中，桥式整流器由第一、第二和第三MOSFET管、第一、第二和第三整流二极管构成；发电机1的第一相线同时连接第一整流二极管DU的阳极和第一MOSFET管MU的漏极；发电机1的第二相线同时连接第二整流二极管DV的阳极和第二MOSFET管MV的漏极；发电机的第三相线同时连接第三整流二极管DW的阳极和第三MOSFET管MW的漏极；第一、第二和第三整流二极管的阴极相连接，并同时连接蓄电池E的正端；第一、第二和第三MOSFET管的源极接地，第一、第二和第三MOSFET管的栅极分别连接整流器控制电路5的三个输出端OU、OV、OW；发电机的三根相线还分别连接整流器控制电路的三个输入端KU、KV、KW。

当发电机某相电压大于整流器输出电压，该相对应的整流二极管导通，当发电机某相电压小于整流器输出电压，该相对应的整流二极管关断。

整流器控制电路5接收发电机1相线输出的信号，处理后为下桥臂MOSFET管的栅极提供驱动信号；即处理后分别为第一、第二和第三MOSFET管的栅极提供驱动信号。当发电机某相电压小于地电压，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET导通，当发电机某相电压电压大于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管关断。

在具体实施例中，整流器控制电路5包括分压电路R1、R2、电压比较器、第一、第二和第三低边比较器7U、7V、7W以及第一、第二和第三低边控制驱动器8U、8V、8W。

分压电路对整流器4的输出电压进行分压后，输出分压电压到电压比较器6；分压电路由R1、R2构成。

电压比较器6将分压电路输出的比较电压与基准电压Vref比较，输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器8U、8V、8W；在具体实施例中，当分压电压Vt超过基准电压Vref时，电压比较器6输出高电平到第一、第二和第三低边控制驱动器，反之输出低电平。

第一、第二和第三低边比较器分别接收发电机1三根相线输出的信号，与地电压比较，分别输出信号到第一、第二和第三低边控制驱动器；在具体实施例中，低边比较器采用过零比较方式，低边比较器的一个输入端接地。当发电机某相线输出的信号低于零电压时，对应低边比较器控制对应低边控制驱动器输出高电压，使该相对应的MOSFET导通。

第一、第二和第三低边控制驱动器8U、8V、8W同时接收电压比较器6输出的信号，分别接收第一、第二和第三低边比较器7U、7V、7W输出的信号，还并对收到的信号进行处理后，分别输出驱动信号到第一、第二和第三MOSFET管MU、MV、MW的栅极。

任一低边控制驱动器包括二输入与非门、R–S触发器、非门、二输入或非门和CMOS互补驱动器；以第一低边控制驱动器8U为例，二输入与非门CD1的一端和R–S触发器RS的R端以及非门CD3同时接收第一低边比较器7U的输出信号，二输入与非门CD1的另一端接收电压比较器6输出的信号，二输入与非门CD1输出信号到R–S触发器的S端；非门CD3和R–S触发器分别输出信号到二输入或非门CD2，二输入或非门CD2为CMOS互补驱动器提供驱动信号，CMOS互补驱动器输出驱动信号到MOSFET管MU。CMOS互补驱动器由MOSFET管MP、MN构成。

整流器控制电路的工作原理为：

第一、第二和第三低边比较器分别控制第一、第二和第三低边控制驱动器，当某一低边比较器输出为高电平时，对应低边控制驱动器驱动对应MOSFET管导通。

第一、第二和第三低边比较器分别将整流器4输入端电压即发电机相电压与整流器地电压比较，如果输入端电压小于0电压，对应低边比较器输出为高电平，对应低边控制驱动器控制对应MOSFET管导通。否则对应MOSFET管关断。

整流器输出电压Vout通过电阻R1、R2分压后的电压Vt与内部电源电路9产生的电压Vref比较。当整流器输出电压超过规定电压VTH后，电压比较器6输出高电平到低边控制驱动器，如果发电机某相线输出电压大于零，使该相对应的MOSFET管导通。一旦对应的MOSFET管导通，控制电路中R–S触发器将使该MOSFET管一直导通，直到该相输入电压过零。

低边控制驱动器采用CMOS互补直接驱动。以U相为例：

当相输入电压Vu低于零电压时，低边比较器7U输出低电平。低边比较器7U的输出通过非门CD3和或二输入或非门CD2使CMOS互补驱动器MP、MN输出高电压,使第一MOSFET管MU导通。

低边比较器输出电平输入到R-S触发器RS，使触发器复位，当低边比较器输出低电平时，R-S触发器的Q端输出低电平。

当相输入电压Vu大于零电压时，低边比较器7U输出高电平。有两种逻辑状态：

当整流器输出电压Vout低于规定阈值电压VTH。经R1，R2分压后，电压比较器6的+端电压Vt低于-端电压Vref。电压比较器6输出低电压，R-S触发器的Q端输出低电平。CMOS互补驱动器输出低电压，使第一MOSFET管MU关断。整流器处于正常工作状态。

当整流器输出电压Vout大于规定阈值电压VTH。低边比较器7U和电压比较器6均输出高电平，二输入与非门CD1输出低电平使R-S触发器置位，R-S触发器的Q端输出高电平。CMOS互补驱动器输出高电压，使第一MOSFET管MU导通，整流器进入保护状态。

在保护状态下，即使整流器输出电压Vout低于规定阈值电压VTH，电压比较器6输出低电平。但由于R-S触发器处于置位状态，Q端仍然输出高电平，将继续保持MOSFET管导通。

当相输入电压Vu重新低于零电压时，低边比较器7U输出低电平。使R-S触发器重新复位。Q端输出低电平。当Vu重新由负电压至正电压时，如果输出电压低于VTH，第一MOSFET管MU关断，进入下一次输出循环。

一种有源混合整流器控制方法，包括如下步骤：

A：设置桥式整流器；该桥式整流器的上桥臂即输出桥臂采用二极管整流，下桥臂即接地桥臂采用MOSFET管整流；在具体实施例中，桥式整流器由第一、第二和第三MOSFET管、第一、第二和第三整流二极管构成；第一整流二极管DU的阳极和第一MOSFET管MU的漏极同时连接发电机1的第一相线U；第二整流二极管DV的阳极和第二MOSFET管MV的漏极同时连接发电机1的第二相线V；第三整流二极管DW的阳极和第三MOSFET管MW的漏极同时连接发电机的第三相线W；第一、第二和第三整流二极管的阴极相连接；第一、第二和第三MOSFET管的源极接地，第一、第二和第三MOSFET管的栅极分别连接整流器控制电路5的三个输出端OU、OV、OW；发电机的三根相线还分别连接整流器控制电路的三个输入端KU、KV、KW。

B：设置整流器控制电路，该整流器控制电路用于控制接地桥臂MOSFET管。

C、整流器控制电路5接收发电机1相线输出的信号，处理后为下桥臂MOSFET管的栅极提供驱动信号；即处理后分别为第一、第二和第三MOSFET管的栅极提供驱动信号。当发电机某相电压小于地电压，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET导通，当发电机某相电压电压高于地电压时，整流器控制电路提供控制信号控制该相对应的MOSFET管关断；当发电机某相电压大于整流器输出电压，该相对应的整流二极管导通，当发电机某相电压小于整流器输出电压，该相对应的整流二极管关断。

本发明的有源混合整流器通过增加或减少一个控制驱动通道，同样适用于发电机为四线输出或两相输出的车用电源系统。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。