专利名称：车辆用交流发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及备有电力变换器(将交流电压变换成直流电压)和励磁电流控制器(控制励磁线圈)的车辆用交流发电机。
本发明的车辆用交流发电机可适用于由发动机驱动的交流发电机以及把刹车时的运动能量再生成电力的、可以电动发电的交流发电机和电力汽车用行驶马达。
众所周知，车辆用交流发电机备有三相全波整流器和对各半导体功率器件进行同步断续控制的控制器，三相全波整流器具有高端的半导体功率器件和低端的半导体功率器件，并将其分别连接在车辆用交流发电机的三相电枢绕组(线圈)的各出线端以及蓄电池的高压端和低压端，利用该三相全波整流器把三相电枢绕组的交流电压变换成直流，然后送入蓄电池。例如，在特开平4-138030号公报中公开了采用MOS功率晶体管作为上述半导体功率器件。
这种MOS功率晶体管通常采用纵型MOS功率晶体管结构，为了确保耐压性能和减小导通电阻，利用N型硅(Si)衬底作为MOS功率晶体管的一个主电极，在芯片表面上形成的P型阱区的表面上再形成N+型区作为另一个主电极。
另一方面，为了控制车辆用交流发电机的输出电流，一般是在三相全波整流器的两个输出端之间串联励磁线圈和开关晶体管，并通过励磁电流控制器的开关晶体管来对流入励磁线圈的励磁电流进行断续控制。为了缩短接线和减少电磁噪音，通常把该励磁电流控制器设置在车辆用交流发电机外壳的内面或外面。
该开关晶体管，过去采用以硅为材料的双极性晶体管或MOS功率晶体管。
采用上述MOS功率晶体管的三相全波整流器，其结构是，具有过去的三相全波整流器的PN结二极管功能的寄生二极管和MOS功率晶体管进行并联，所以，与采用过去的硅二极管的三相全波整流器相比，有可能使功率损耗减小，减小的量相当于结二极管的顺向压降损耗部分。
但是，通过本发明人的分析，现已证明上述MOS功率晶体管式三相全波整流器存在以下问题。
车辆用交流发电机，由于三相电枢绕组和励磁线圈存储的磁能很大，所以，为防止该能量瞬间放出而造成事故，三相全波整流器的各个半导体功率器件的耐压值必须设定为高出蓄电池电压，即三相全波整流器输出整流电压的20倍以上，例如设定为300V左右。
再者，鉴于车载电负荷(例如除霜用加热器等)增加，故需要100A以上的输出电流。这种高耐压、大电流结构的MOS功率晶体管的功率损耗量达到了二极管的损耗量，其结果，使得特意利用结构复杂的MOS功率晶体管来代替二极管这一方法失去了意义。
现参照图3(a)、图3(b)、图4和图5，对上述MOS功率晶体管式三相全波整流器存在的问题进一步详细分析如下。其中，图3(a)、图3(b)是表示MOS功率晶体管管式三相全波整流器的一相部分的整流器电路，图3(a)表示N沟道时，图3(b)表示P沟道时。另外，图4和图5表示典型的MOS功率晶体管的断面结构。
图3(a)的N沟道MOS功率晶体管的整流器电路中，高端的MOS功率晶体管101的漏极D和低端的MOS功率晶体管102的源极S与三相交流发电机(图中未示出)的一相输出端相接;低端的MOS功率晶体管102的漏极D与蓄电池(图中未示出)的低电位端相接;高端的MOS功率晶体管101的源极S与蓄电池的高电位端相接。顺便说一下，蓄电池充电时充电电流的流向与电子移动方向是相反的。
并且，在上述MOS功率晶体管101、102中，P型阱区和源极S或漏极D之间，从原理上讲，如图所示将产生源连接一方的寄生二极管Ds和漏连接一方的寄生二极管Dd。
通常，由于需要向P型阱区施加电压，把P型阱区与源极S连接，或者与漏极D连接。但是，当利用该整流器电路作为三相全波整流器的一相电路时，如图3(a)所示，使P型阱区(例如图4、图5中的103)与漏极D(例如图4、图5中的104)连接。通过向该P型阱区施加电压，可以使漏连接一方的寄生二极管Dd导通短路。
再者，如果将P型阱区(例如图4、图5中的103)与源极S(例如图4、图5中的106)相接，并使源连接一方的寄生二极管Ds导通短路，那么，在车辆用交流发电机的三相全波整流器中，当连接在高端的MOS的功率晶体管的漏极的交流电压低于蓄电池电压时，电流就会通过漏连接一方的寄生二极管Dd反向流动。同样，如果连接在低端的MOS功率晶体管的源极S的电压高于蓄电池低电位端的(接地电位)电压，那么电流就会通过漏连接一方的寄生二极管Dd反向流动。所以，为了防止通过这种寄生二极管Dd的电流反向流动，必须使P型阱区103连接到漏极上，以便利用源连接一方的寄生二极管Ds来阻止上述电流反向流动。
也就是说，归根结底，在车辆用交流发电机的三相全波整流器中采用的MOS功率晶体管的P型阱区(例如图4、图5中的103)，必须连接到漏极D上。这一点对图3(b)所示的P沟道MOS功率晶体管也是一样的。
但是，图4、图5所示的过去的MOS功率晶体管结构，不得不把P型阱区103与其表面部分的N+型区104短路，并使P型阱区103和N型外延耐压层105之间的耗尽层107离开PN结向N型外延耐压层一侧伸展，以提高耐压强度。
也就是说，上述图4、图5所示的过去的MOS功率晶体管结构，当构成上述车辆交流发电机的三相全波整流器时，不得不把N+型衬底106作为源区，把N+型104作为漏区。但是，这样以来，相当于在实际的源极S’与源极之间串联了N型耐压层105的较大的源寄生电阻Rs。
为简化计算式对阈值电压Vt忽略不计，假定K为比例常数，△Vgs为栅源电压(Vg-Vs)，Vg为栅极压降，Vs’＝Vs+Idsat·Rs为实际源极S’的电位，那么，MOS晶体管的漏饱和电流Idsat可用下式表示Idsat＝K(Vg-Vs’)2＝K(△Vgs-Idsat·Rs)2即，漏饱和电流(施加给定栅极电压的最大电流)Idsat等于栅极电压Vg按Idsat·Rs的大小相应降低后的计算结果值。另外，对衬底效应造成的阈值电压Vt的变化也忽略不计。
例如，栅极电压为+20V，源极(畜电池)电位为+12V，电流为100A，源寄生电阻Rs为0.05欧姆，则实际的源极电位Vs’为17V，沟道电流与Rs为0时相比下降到9/64。也就是说，将寄生电阻Rs稍微增大一点，沟道电流就大幅度减小。如果对这种电流减小作用换句话来说，就是把沟道电阻增加作用称之为源电阻反馈效应。
上式是漏电流饱和区的计算式，但不饱和区也是如此，漏极不饱和电流同样随Rs的增大而减小。这种漏电流的减小意味着沟道电阻的增大，上述源寄生电阻Rs的增大，除本身造成功率损耗外，还带来由于沟道电阻增加而造成的功率损耗，所以，使总的功率损耗和发热大大增加。
当然，在图4和图5的MOS功率晶体管结构中，为了减小源寄生电阻Rs，可以将N型耐原层105减薄。但是，如上所述，在车辆用交流发电机中必须能耐300V的高压，所以，很难使N型耐压层减薄。
也就是说，在通常的硅MOS功率晶体管中，硅的击穿电场强度约为30V/μm，如果仅靠N耐压层105来承受上述300V的高压，那么，即使N型耐压层105中的电场强度是一定的，也需要10μm的厚度。假定N型耐压层105中的电场强度约为30V/μm，为使N型耐压层105承受300V的高压，实际上其厚度要达到约20μm以上，必须使其杂质浓度达到约1×1015原子/cm3以下。
为确保耐压强度，要形成具有上述厚度和杂质浓度的N型耐压层105，这样一来将造成上述源寄生电阻Rs增大并由此造成电阻损耗，同时使上述漏电流减小(沟道电阻明显增大)。其结果是，上述公报的MOS功率晶体管式三相全波整流器在车辆用交流发电机中使用(即电抗负荷方面)时，从理论上讲并不会优于PN结二极管式三相全波整流器，反而使结构和控制复杂的缺点，因此，实际使用时并无优点。
另一方面，在上述图4和图5的MOS功率晶体管结构中，也可以考虑以N+型区104为源极，以N+型衬底106为漏极，如图3(a)所示对P型阱区103和N+型漏区106进行短路。
然而，利用这种方式，在N+型区(源极)104和P型阱区103之间很难保证高达300V的耐压强度;在栅极和P型阱区107以及N+型区104之间也很难保证耐压强度。
由于上述原因，在把车辆用交流发电机的交流电压变换成直流电压的电力变换器中所用的MOS功率晶体管，如选用现有的硅MOS功率晶体管，则很难达到目的。为了制作出MOS功率晶体管式电力变换器必须大幅度减小耐压层电阻。为此必须大大减小耐压层厚度和大大提高杂质浓度。再者，只有大大提高耐压层的击穿电场强度才能大大减小耐压层厚度和提高杂质浓度。本发明人根据上述分析结果得出的结论是，如果能提高耐压层的击穿电场强度，则可以大大减小车辆用交流发电机的电力变换器的损耗和发热。
其次，对车辆用交流发电机的输出电流和上述励磁电流控制器的开关晶体管的特性二者的关系分析如下。
作为开关晶体管的MOS功率晶体管或双极性功率晶体管所允许的最大温升有一定极限(例如其表面温度为数十度)，开关晶体管的允许最大发热量Qmax取决于该允许温升△T。另外，允许最大发热量Qmax＝r×Imax2＝f(rt，s，△T)，r为开关晶体管的导通电阻，Imax为最大励磁电流，f为函数，rt为散热电阻，s为散热面积。
构成车辆用交流发电机励磁电流控制用开关晶体管的过去的晶体管，其导通电阻r有一定的最低值。
也就是说，在上述车辆用交流发电机中，由于三相电枢绕组和励磁线圈存储的磁能很大，一旦瞬间放电的事故产生(例如蓄电池端子脱离和产生负荷切断电压)，则会有很高的浪涌电压通过三相全波整流器的高电位输出端加到开关晶体管上。因此，该开关晶体管的耐压指标必须设计得很高(例如即使对额定电压为14V的车辆用来流发电机也必须设计为300V以上)。
然而，过去用硅作材料的电力用双极性晶体管或电力用MOS晶体管，有一定的雪崩击穿电场强度。所以，为了在不击穿晶体管的条件下提高耐压强度，在增加耐压层厚度的同时不得不降低杂质浓度。其结果不能使开关晶体的电阻率降低到一定值以下。另外，为减小导通电阻r，增大芯片尺寸是有效的办法，但是，芯片尺寸增大到一定限度(例如10mm见方)以上时，产品合格率就要下降，所以这种办法也很困难。因此，过去的开关晶体管的导通电阻r受耐压层电阻率高和芯片面积小的影响而限制在一定值以上。
也就是说，车辆用交流发电机随着磁能的放出会产生很高的浪涌电压，所以开关晶体管具有很高的导通电阻r。为了把开关晶体管的发热量降低到允许最大发热最Qmax以下，不得不把最大励磁电流Imax限制在较小的数值以下。
车辆用交流发电机的最大磁通量Φmax几乎与最大励磁电流Imax成正比，车辆用交流发电机的输出功率取决于最大磁通量Φmax，所以车辆用交流发电机的开关晶体管需要很高的耐压强度，这对提高车辆用交流发电机的输出功率造成很大限制。
当然，为了增大开关晶体管的允许最大发热量Qmax即最大励磁电流Imax，可以并联使用多个开关晶体管。但又带来器件成本提高，占用面积增大的新问题。
另外，也可考虑通过提高开关晶体管的散热特性来增大最大励磁电流Imax。但是，由于开关晶体管通常是设置在车辆用交流发电机外壳的端面上，所以很难安装大的散热片等，否则会造成车辆用交流发电机体积增大和通风阻力增大。
再者，由于上述开关晶体管几乎都是设置在车辆用交流发电机的外壳端面上，所以通过外壳受到发电机内部发热和发动机等的热量的影响。另一方面，当发动机空转时冷却风量减小。因此，当发动机空转，外部气温度，电负荷大时，开关晶体管的周围温度是相当高的(例如达到135℃)。所以，从这一点来看开关晶体管所允许的上述温升△T是受到严格限制的，因而，允许最大发热量Qmax和最大励磁电流Imax以及车辆用交流发电机的输出电流，均应进一步严格限制。
本发明是根据以上对现有技术的详细分析结果而进行的，本发明的目的是提高发电机的输出功率，提供发热小冷却容易的交流发电机。
再者，本发明的另一个目的是提供其电力变换器与过去的三相全波整流器相比损耗可以大大减小而且冷却也很简单的车辆用交流发电机。
另外，本发明的再一个目的提供这样一种车辆用交流发电机，即根据上述励磁电流控制用开关晶体管的特性限制了发电机输出功率的提高这一现实情况，在不减小开关晶体管的工作允许范围，降低其可靠性，也不增大发电机通风阻力而影响其线圈等的冷却的条件下，可以大大提高输出功率。
并且，本发明的再一个目的是提供不降低发电机输出功率，通过减小和简化励磁电流控制用开关晶体管及其冷却结构，可以减小发电机的通风阻力，减小开关晶体管的安装占用面积并提高经济效益的车辆用交流发电机。
再者，本发明的另一目的是提供这样一种车辆用交流发电机，即可以大大减小电力变换器的MOS功率晶体管耐压层即源寄生电阻Rs的电阻功率损耗本身，也可以通过减小上述源电阻反馈效应而大大减小沟道电阻，与采用过去的硅(Si)MOS功率晶体管的车辆用交流发电机三相全波整流器或具有与其功率损耗相同的二极管式三相全波整流器相比，借助上述的相乘效应可以使功率损耗大大降低，并且其冷却也很简单。
本发明的车辆用交流发电机的特点是，为了实现上述目的，具有这样的电流变换和励磁电流控制，即电流变换把电枢绕组的交流电压变换成直流电压，然后送入蓄电池;励磁电流控制具有对流入励磁线圈的励磁电流进行控制的开关晶体管。上述电流变换的半导体功率器件和上述励磁电流控制的上述开关晶体管，这两者中至少有一方是利用砖和碳的化合物碳化硅(SiC)作为材料而制成的。
并且，上述半导体功率器件可采用MOS功率晶体管。另外，该发电机具有三相电枢绕组，对该三相电枢绕组各端与上述蓄电池高电位端进行并联的高端MOS功率晶体管和对上述三相电枢绕组各端和上述蓄电池低电位端进行并联的低端MOS功率晶体管，这两者中至少有一方的MOS功率晶体管是利用了上述碳化硅(SiC)材料制成。
如上所述，在车辆用交流发电机中，由于电枢绕组和磁场线圈存储的磁能量很大，所以，为防止该磁能瞬间放出而造成事故，必须把整流器的各半导体功率器件的耐压强度设定在蓄电池电压即整流器输出电压的20倍以上，例如设定为300V左右。并且，由于车载电负荷增大，所以需要100A以上的大输出电流。
这时，碳化硅(SiC)的击穿电场强度约为400V/μm，约相当于硅(Si)的13倍。这样以来，SiC的击穿电场强度比Si的强度高得多。显然，当利用SiC制作车辆用交流发电机整流器的结构器件时，可大大减小MOS功率晶体管的功率损耗，将使效果更佳。关于利用上述击穿电场强度之差异，使功率损耗减小的明显效果现进一步详细说明如下。
例如，在上述图3(a)的车辆用交流发电机三相全波整流器中采用碳化硅(SiC)MOS功率晶体管。保证耐压强度为300V。为简单起见，可以考虑这300V耐压是全部由N型耐压层105所承受。(参见图4或图5)。
如果简单地视为这300V耐压是由N型耐压层105所承受，那么，当把SiC的击穿电场强度为400V/μm时N型耐压层105所需的厚度约为4μm，其杂质浓度为2×1016原子/cm3，电阻率约为1.25Ω·cm。另一方面，当利用硅MOS功率晶体管来承受300V耐压时，耐压层所需的厚度约为20μm，其杂质浓度为1×1015原子/cm3，电阻率约为5Ω·cm。所以，用SiC制作的MOS功率晶体管的N型耐压层105的电阻要比用硅(Si)制作的MOS功率晶体管的N型耐压层105的电阻能降低到二十分之一。但是，N型耐压层105的杂质浓度，根据与P型阱区103的杂质浓度的关系，当然也可以比上述值更小。
另一方面，为了达到励磁电流控制用开关晶体管所需的上述耐压强度(例如300V)，利用SiC材料的MOS功率晶体管的耐压层与利用Si材料的电力用双极性晶体管和MOS晶体管相比，即使单纯比较也能达到十分之一。
即采用Si材料时，其击穿电场强度约为30V/μm，如果视为由N型耐压层105来承受300V的电压，那么，与上述情况相同，耐压层所需厚度约为20μm，其杂质浓度为1×1015原子/cm3，电阻率约为5Ω·cm。另一方面，采用SiC材料时，其击穿电场强度如上所述为400V/μm，因此，N型耐压层105的所需厚度约为4μm，其杂质浓度为2×1016原子/cm3，电阻率约为1.25Ω·cm。所以，如果采用SiC材料的MOS功率晶体管作为开关晶体管，那么，其N型耐压层105的电阻与Si材料时相比，可以减小到二十分之一。
再者，即使把其他电阻成分也加入N型耐压层105的电阻内进行计算，如果按同一设计规程、同一芯片面积分别计算出Si材料的双极性晶体管或MOS晶体管以及SiC材料的MOS晶体管各自的导通电阻r，那么可以看出，SiC材料的MOS晶体管的导通电阻r约为Si材料的MOS晶体管的二十五分之一，即使与Si材料的双极性晶体管相比也大约为十九分之一。
如上所述，允许最大发热量Qmax根据相对于周围环境等情况的允许温升△T加以规定，若假定r为开关晶体管的导通电阻，Imax为最大励磁电流，则允许最大发热量Qmax为r×Imax2。所以，如上所述，可以减小导通电阻r，这就使得在允许最大发热量Qmax一定时一个芯片上的最大励磁电流Imax大约能增大4-4.5倍(即1/(r0.5))。这意味着能大幅度增加由一个开关晶体管所能控制的最大磁通量Φmax，进而增加车辆用交流发电机的输出功率。当然，增加最大磁通量Φmax时还需要相应增大励磁线圈和励磁铁心，但是，一个开关晶体管能控制这样大的磁通，这的确是很重要优点。
当然，如果把25个Si材料的MOS晶体管并联起来，那么，其导通电阻为二十五分之一，可以达到同样的作用。但是，要把这么多的开关晶体管安装到发电机外壳的端面上是很困难的，即使能够安装，也不可能实现，因为冷却风是通过外壳端面吸入内部的，如果安装这么多晶体管，那么发电机内部就很难通风冷却。
所以，像本发明那样，采用SiC材料的电力用MOS晶体管作为开关晶体管，才能大大提高车辆用交流发电的输出功率。
另一方面，若最大励磁电流Imax相同，车辆用交流发电机的输出功率与过去相同，则如上所述，可使开关晶体管的导通电阻r减小到原来的5%左右。因此，发热量也减小到原来的5%左右，器件温升大大降低，冷却片等冷却结构可以简化。
并且，由于所需面积(空间)也大幅度减小，所以，可扩大外壳端面冷却风吸入口，使冷却性能提高。
另外，若开关晶体管的发热量与过去相同，则可使芯片面积约减小到二十分之一，从而使芯片合格率大幅度提高，并且可使其他电路实现集成化。
再者，以上说明了使用SiC材料的MOS功率晶体管作为开关晶体管时的优点，但是，理所当然，使用SiC材料的双极性功率晶体管和MOS型SIT(静电感应晶体管)等其他功率器件也可达到同样效果。
本发明的上述特性及其他目的优点，通过对附图的简要说明，可清晰地体现出来。
附图的简要说明
图1是本实施例1的车辆用交流发电机的电路图。
图2是图1的车辆用交流发电机剖面图。
图3是表示图1的三相全波整流器的一相部分整流电路的等效电路。
图4是表示构成图1的三相全波整流器MOS功率晶体管一侧的、部分放大断面图。
图5是表示构成图1的三个全波整流器MOS功率晶体管另一侧的、部分放大断面图。
图6是以过去的Si为材料的PN结二极管电压-电流特性图。
图7是以过去的Si为材料的MOS功率晶体管电压-电流特性图。
图8是以本实施例的SiC为材料的MOS功率晶体管电压-电流特性图。
图9是表示图7和图8的MOS功率晶体管耐压强度和沟道电阻关系图。
图10是表示使用Si-MOS功率晶体管式三相全波整流器和SiC-MOS功率晶体管式三相全波整流器时的车辆用交流发电机输出电流和功率与转速间的特性曲线。
图11是表示使用Si-MOS功率晶体管式三相全波整流器和SiC-MOS功率晶体管式三相全波整流器时车辆用交流发电机噪声电压和转速之间的关系。
图12是车辆用交流发电机后部侧视图及三相全波整流器的透视图。
图13是图12的三相全波整流器内部透视平面图。
图14是表示本实施例2的等效电路图。
图15是表示本实施例3的断面图。
图16是表示本实施例4的等效电路图。
图17是本实施例5的车辆用交流发电机电路图。
图18是图17的三相全波整流器19的低端MOS功率晶体管和开关晶体管20b剖面图。
图19是表示车辆用交流发电机转速与输出电流之间的关系的实测特性图，该发电机采用本实施例的SiC-MOS晶体管以及原来的Si-双极性或MOS晶体管作为开关晶体管。
图20是本实施例6的车辆用交流发电机电路图。
图21是表示图20的电路的一部分等效电路。
图22是表示图20的电路的另一部分等效电路图。
图23是本实施例7的车辆用交流发电机电路图。
图24是图23的三相全波整流器19的高端MOS功率晶体管和开关晶体管20d的剖面图。
图25是本实施例8的车辆用交流发电机电路图。
图26是表示把图25的全波整流器和励磁用开关晶体管20e安装在同一散热片31上的状态图。
图27是把本实施例9的续流二极管40a和励磁用开关晶体管41制作在同一芯片上的剖面图。
图28是表示图27电路的等效电路图。
实施例1下面根据图2说明一下车辆驱动用交流发电机本实施例的整个构造。
发电机机壳由一对主动机架1及后机架2构成。用多根柱状螺栓15等直接结合。
上述机架1及2的内周固定有定子铁芯3。在定子铁芯3上绕有三相电枢绕相。在机架1及2上所固定的轴承13及14支撑轴9，使它能自由旋转。在轴9上，在定子铁芯3的内周位置固定有转子铁芯6。在转子铁芯6上绕有励磁线圈10。在磁极铁芯7、8的两个端面上设置有冷却用风扇11、12。另外，在后机架2的外部安置内装三相全波整流器19的调压器18。图16是电刷，17是滑环，23是后罩。22a是冷却风(前侧)，24a是冷却风的吸入口(前侧)，25a是冷却风的吹出口(前侧)。
下面利用图1对本实施例的车辆交流发电机的电路构成加以说明。
调压器18由三相全波整流器19及电压调整部20构成。整流器19是三相全波整流器，由以SiC单晶为材料的N沟道增强型MOS功率晶体管19a-19f构成，高端的晶体管19a-19c与三相电枢绕组5的各相输出端及蓄电池21的高电位端相接，低端的晶体管19d-19f则与三相电枢绕组5的各相输出端及电池21的低电位端相接。
电压调整部20通过电刷16、滑环17与励磁线圈10相接，与三相全波整流器19一起装在同一衬底(图中未示出)上。这样的三相全波整流器19与电压调整部20装在同一衬座上就可以使接收缩短。另外，电压调整部20从三相电枢绕组5的各相输出端将各相发电电压输入。根据这些输入信号就可以控制MOS功率晶体管19a-19f各栅极所加的栅压。
下面就其电压控制动作加以简单说明。通过发动机(图中未示出)的作用，转子铁芯6旋转。调压器18的电压调整部20就读出蓄电池21的电压VB。为了使该电压一定而对励磁线圈10进行开关控制。这样一来，在三相电枢绕组5就感应出三相交流电压。以此为基础，通过三相全波整流器19进行全波整流而产生的直流电流就对蓄电池21进行充电。同时，这个电流也被车辆电子装置的负荷所消耗。冷却风扇11、12就旋转，对励磁线圈10、三相电枢绕组5及调压器18等进行冷却。
下面就电压调整部20所产生的对三相全波整流器19各MOS功率晶体管19a-19f的开关控制过程加以说明。
电压调整部20将三相电枢绕组5输出端的电位即各相的电压VU、VV、VW加以读入。从其各线间电压(VU-VV)、(VV-UW)、(VW-VU)之中。选择出比蓄电池21端电压高的线间电压。为了使所选出的该线间电压加在蓄电池21上，就要使高端的MOS功率晶体管19a-19c之中的一个MOS功率晶体管以及低端MOS功率晶体管19d-19f中的一个MOS功率晶体管导通。这样一来，就可以从所选择出的三相电枢绕组向蓄电池21供给充电电流。
另外，电压调整部20与通常的调压器一样，检测蓄电池21的端电压，将所检测出的电压与予先设定的基准电压加以比较，根据其大小，通过开关晶体管对励磁电流进行断续控制，这样做使得蓄电池21的端电压能维持在目标电平上。这一点与过去的做法相同。该开关晶体管也可以是SiC材料的MOS晶体管。
下面进一步根据图3(a)及图5对上述SiC材料的MOS功率晶体管式三相全波整流器的详细工作情况加以说明。但是，图3(d)只是表示此实施例的MOS功率晶体管式三相全波整流器的一相部分的一个整流器电路，而图5则是MOS功率晶体管19a-19f的剖面构造的一部分。
图3(a)的N沟道MOS功率晶体管的整流器电路中，高端的MOS功率晶体管101的漏极D及低端的MOS功率晶体管102的源极S与三相电枢绕组5的一相输出端相接。低端的MOS功率晶体管102的漏极D与蓄电池21的低电位端相接，高端的MOS功率晶体管101的源极S与蓄电池21的高电位端相接。另外，蓄电池充电时充电电流的流向与电子移动的方向相反，源极S指的是在此充电过程中的载流子电荷向沟道注入一方的电极。
在MOS功率晶体管101、102之中，在后面将提到的P型阱区103(即栅极101下面的区)与源极S或漏极D之间，如图所示，可产生源连接一方的寄生二极管Ds以及漏连接一方的寄生二极管Dd，但是由于需要向P型阱区103施加电位，因此，要使P型阱区103及漏极D短路。其理由就是如前所说的。这样一来，源连接一方的寄生二极管Ds就可以阻止从蓄电池21流出的上述逆流。
下面参照图5对本实施例的MOS功率晶体管的剖面结构的一部分加以说明。
在SiC的N+型衬底106上，通过外延生长形成了N型耐压层105。在N型耐压层105的表面部分上，通过离子注入铝而形成P型阱区103。另外，在P型阱区103的表面部分上，通过离子注入氮而形成N+型区104。而且，在晶片表面仅使预定形成沟道栅的区开口，利用光刻胶及绝缘膜进行掩模工艺，通过众所周知的反应性离子腐蚀法，在此同时就开出沟道108的槽。在此以后，在沟道108的表面上利用热氧化法，形成由氧化硅膜构成的栅绝缘膜109。然后，在沟道108内进行掺杂，从而形成具有导电性的由多晶硅构成的栅极110。最后，将金属电极111放在N+型区(漏)以及P型阱区的表面104使其接触形成，并将金属电极112放到N+型衬底(源)106的表面使之接触形成，从而完成器件的制造。
由此可见，在本实施例中，在MOS功率晶体管断路的场合下，如果在源极112与漏极111之间施加高电压(例如+300伏)，在N型耐压层105主要是空穴层伸展，从而可做到能够耐这样的高电压。作为其结果，这一N型耐压层105就成为源反馈电阻Rs，如上所述，由于其本身的电阻及沟道电阻增加的效果这两方面的原因而产生功率损耗。
但是，本实施例是以单晶碳化硅(SiC)为材料。因此，N型耐压层105的厚度与以往的硅比较能大幅度减薄。而且其杂质的浓度也可以设计得比较浓。这样就可以大幅度地降低该N型耐压层105的功率损耗。
下面说明在设N型耐压层105的耐压为300伏时N型耐压层105的设计条件。
在硅(Si)的场合下，其击穿的电场强度约为30V/μm。为简单起见，可以考虑这一300伏的耐压是由N型耐压层105所承受。此时，耐压层的必要厚度约为20μm，其杂质浓度为1×1015原子/cm3，电阻率约为5Ω·cm。
另外，在使用碳化硅的场合下，SiC的击穿电场强度为400V/μm，N型耐压层105的必要厚度约为4μm，其杂质浓度为2×1016原子/厘米3，电阻率约为1.25Ω·cm。
显然，以SiC做材料的MOS功率晶体管的N型耐压层105的电阻要比Si做材料的MOS功率晶体管的N型耐压层105的电阻能降低到1/20。
由此可见，本实施例以SiC做材料的MOS功率晶体管中的上述源极的寄生电阻Rs与使用硅材料的场合比较能降低到1/20。另外，与此相应沟道电阻也能大幅度地减少。由于这两方面的相乘效果，就可以制成损耗极低的车辆交流发电机用的三相全波整流器。
也就是说，通过采用SiC作为基本材料，N型耐压层105的击穿电场强度就可以得到改善。就可以制成这样的三相全波整流器19，其效率之高从以往产品是预料不到的。以上的这种情况是很清楚的了。当然，上述情况对于在N型耐压层105上施加300伏以外的其他程度的高电压的场合也是同样的。
图6-图8所示是在同一个芯片尺寸及同样的设计规程下制造的硅二极管、Si-MOS功率晶体管及SiC-MOS功率晶体管的电压·电流特性。不过，这些方面的耐压都设定为250伏，图6所示为硅二极管的特性。图7为Si-MOS功率晶体管的特性，图8是SiC-MOS功率晶体管的试验特性。从图6-图8可以看到，在输出电流为75A的条件下，本实施例的三相全波整流器19与过去的三相全波整流器比较，功率损耗可减少90%以上。
图9所示为MOS功率晶体管的要求耐压变动时，导通电阻率计算结果的一个例子。这一导通电阻率是沟道电阻与N型耐压层105电阻之和，特别是，沟道电阻根据各种因素而变动，但是在高耐压区内，N型耐压层105处的电阻就处于支配地位。也就是说，即使耐压有所增加，沟道电阻本身几乎无变化(不考虑源寄生电阻Rs的增加产生的上述反馈效果所导致的沟道电阻的增加)，N型耐压层105的电阻与耐压值保持正的相关关系，因而有所增加。因此，从图9可知，在Si材料的MOS晶体管中。所要求的耐压值从25伏左右开始增加的同时，导通电阻率也会成比例地增加。但是，如果是SiC材料的MOS晶体管，所要求的耐压在250伏以下时，N型耐压层105的电阻增加几乎可以忽略不计。耐压超过250伏，导通电阻率才开始缓慢增加。因此，从图9可知，作为车辆交流发电机的整流器器件所要求的耐压范围(A)之中，虽然在低耐压领域里使用Si-MOS时在一定范围内，其效果还较好，但如果使用SiC-MOS则在几乎全部范围内(范围C)效果都是好的。
下面图10及图11所示是本实施例的车辆交流发电机采用同一芯片尺寸的SiC-MOS功率晶体管以及Si-MOS功率晶体管构成的三相全波整流器19时的特性。
输出电流大约提高了10%(12极5000转/分时)，另外，由于整流损失几乎可以忽略不计，因此，整流效率也可以大约提高3-5%。
进一步说，由于三相全波整流器19的发热量大幅度下降，因此可以使散热片实现小型化。如图13所示，可以做到将三相全波整流器19及电压调整个20放在同一外壳30之中使之一体化。进而，由于可以把三相全波整流器19及电压调整部20实现一体化，因此可以省略连接两者的接线，也可以使得接线所放射的电磁噪音减少。与以往的发电机比较，如图12所示，冷却风吸入口可以露出不必用直接的外罩覆盖。结果，可以使得这一三相全波整流器19在车辆交流发电机上的搭载空间减小，风阻及通风动力也就可以相应地减少。
此外，根据本实施例，如图11所示，在将12极、100A规格的发电机以每分钟1万转的速度旋转的情况下，SiC的三相全波整流器19与过去的Si的三相全波整流器比较，整流出来的输出电压中所含噪音电压大约可减少20%。其所以能做到这一点是由于MOS功率晶体管19a-19f的电阻小，MOS功率晶体管19a-19f的开关动作所产生的三相电枢绕组5两端电位变化受到抑制的缘故。
再者，上述的实施例中，三相全波整流器19内部装置的调压器19被放到发电机内部。上述调压器18也可以设置在发电机机壳及远离发电机的机壳位置。三相全波整流器19及电压调整部20也可以个别构成。
图12是对三相全波整流器19内装的电压调整器18从图2所示交流发电机的轴向观看的图形。图13是图12所示三相全波整流器19内装的电压调整器18的内部透视扩大图。在图12、图13中26是直流输出端头，27是键开关信号及蓄电池电压信号等的接线头，29是电枢绕组抽头连接用的抽头基座。另外，22b是冷却风(后侧)，24b是其吸入口，25b是吹出口。
实施例2下面参照图14对本发明的实施例2加以说明。
本实施例中，使用SiC构成的只是三相全波整流器19的高端MOS功率晶体管。低端的半导体功率器件是由过去的一直采用的Si的PN二极管19x、19y、19z构成的。这样一来，与实施例1比较虽然效果有所减少，但可以达到减少损耗及冷却简单化的目的。
当然，用SiC仅构成低端的MOS功率晶体管，而高端的半导体功率器件使用以往的Si构成的PN二极管来组成也是可以的，也可以采用由Si构成的MOS功率晶体管来代替上述二极管。
实施例3下面参照图15对本发明的实施例3加以说明。
在本实施例中，N+型衬座106构成高端各MOS功率晶体管19a-19c的共通源极s(参看图1)。在衬底106上各相的P型阱区103a-103c是个别形成的，但相互之间要充分离开不致于产生击穿现象的距离。另外，在各个P型阱区103a-103c的表面部位上分别形成N+型漏区104a-104c，在各个P型阱区103a-103c的表面部位上，隔着绝缘膜109形成栅极110a-110c。通过栅极110a-110c的作用，各漏区104a-104c分别与耐压层105导通。
这样一来，不用增加任何工序就可以达到在一个晶片上将三个高端MOS功率晶体管组成的半桥电路集成起来这样好的效果。另外，各MOS功率晶体管19a-19c的功率损耗小，因此，尽管实现上述集成化也可以避免使各器件产生高温。
实施例4下面参照图16对本发明的实施例4加以说明。
在本实施例中，对于各相电枢绕组5的输出端，在与蓄电池21的高电位端之间存在SiC-MOS功率晶体管19a-19c。另外，三相电枢绕组的中性点接在蓄电池21的低电位端。
电压调整部20将各相的三相电枢绕组与蓄电池低电位端相对的电压Vu、Vv、Vw读入，从其中选择出比蓄电池21的端电压高的线电压，并使与该相对应的MOS功率晶体管导通。
在这种情况的基础上，对三相交流电流进行半波整流而产生的输出电流就向蓄电池21供电。当蓄电池所连接的负载接线断路而产生高浪涌电压时，如果是全波整流器，电压就加在高端、低端两个串联器件上，而与此相对的，本实施例半波整流器中，高压是加在一个器件上的。因此就需要有大约两倍的耐压。这样一来，就可以看到使用高耐压低损耗的SiC-MOS功率晶体管而达到的损耗降低效果会更加明显。
当然，在蓄电池低电位端有MOS功率晶体管在其中存在，中性点接到蓄电池21的高电位一侧也可以，使之悬浮也可以。另外，本实施例中，电枢绕组不是三相绕组也是可以的。
另外，上述各实施例的MOS功率晶体管19a-19f是以六方晶系的SiC为基本材料，耐压设计值为250伏。下面从理论上说明(参照图9)使用这种SiC材料MOS功率晶体管19a-19f的车辆交流发电机用三相全波整流器19的电阻值及使用Si材料MOS功率晶体管的车辆交流发电机用三相全波整流器19电阻值的分析结果。不过，在这里源寄生电阻Rs的反馈效应所造成的沟道电阻增加可忽略不计。再者，电路的构造可以是图5的纵型构造，芯片面积可做得相同。
晶体管的电阻R是沟道电阻rc及N+型耐压层105电阻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功率晶体管比较，SiC的MOS功率晶体管电阻值只大约为1/15倍。
这里，击穿电场强度Ec，Si的是3×105V/cm，SiC的是3×106V/cm;介电常数值εs，Si的是11.8，SiC的是10.0，面积A两者都是1mm2，Vb的击穿电压(耐压)。
进一步说，μ是电子体的迁移率，其值Si的是1100cm2/(v·s)，SiC的是370cm2/(v·s)，沟道长度L两者都是1μm，沟道宽W两者都是222μm。μs是电子的沟道迁移率，其值Si的是500cm2/(v·s)，SiC的是100cm2/(v·s)。
从上述公式可以看出，耐压为50伏以上时，SiC的电阻值减小。另外，上述计算过程中，衬座就作为漏极，如果衬底就作为源极，由于上面说明过的源寄生电阻Rs的反馈效应而导致的沟道电阻增大，就必然会使硅的电阻增大很多。
由此可见，可以推断出即使设计规格多少有些变化，在耐压100伏以上的情况下，SiC的MOS功率晶体管确实可做到低电阻。
另外，上述各实施例中，P型阱区103是用离子注入法形成的。如果是图5的结构，就也可以通过外延生长来形成这个区。
实施例5下面参照图17对本实施例加以说明调压器18，与实施例1一样，由三相全波整流器19及电压调整部20构成。三相全波整流器19由SiC单晶材料的N沟道增强型MOS功率晶体管19a-19f构成。
电压调整部20由控制电路20a，开关晶体管20b以及续流二极管20C组成。控制电路20a根据蓄电池电压VB对开关晶体管20b进行PWM控制。而且，从蓄电池21经过电刷16、滑环17流经励磁线圈10的励磁电流，通过这一开关晶体管20b而受到控制。
另外，本实施例中，如后面所述，开关晶体管20b是以单晶SiC为基本材料构成的，与三相全波整流器19的低端MOS功率晶体管19d-19f集成在同一个芯片上。
下面参照图17及图18对上述六方晶系SiC单晶N沟道MOS晶体管三相全波整流器以及开关晶体管20b的详细情况加以说明。图18所示为MOS功率晶体管19d、19e及开关晶体管20b的断面构造。
三相全波整流器19的各个MOS功率晶体管19a-19f是由控制电路20a依次开闭进行三相全波整流的。
120是高电阻器，用来向栅极下面的P型阱区103施加电位，高电阻器的电阻值大于150Ω。
高端的MOS功率晶体管19a-19c的高电阻器120与漏接线一侧的寄生二极管Dd并联。低端的MOS功率晶体管19d-19f的高电阻器120，与源接线一侧的寄生二极管Ds并联。
这样一来，高端的MOS功率晶体管19a-19c的共同源极S与P型阱区103之间内可保持一个耐压层105。因此，这些高端的MOS功率晶体管19a-19c，与图15一样，可集成在同一芯片上。
同样地，低端的MOD功率晶体管19d-19f的共同漏D与P型阱区103之间可保持一个耐压层105，因此，这些低端的MOS功率晶体管19d-19f如图18所示，可集成在同一芯片上。另外，由于图示空间的限制，图18中省去了MOS功率晶体管19f的图示。
再者，在本实施例中，由于上述的理由，这些MOS功率晶体管19a-19f以及开关晶体管20b的功率损耗即发热量可大幅度地减少，可减少所需芯片面积，因此，在低端的MOS功率晶体管19d-19f的同一SiC芯片上，可集成开关晶体管20b。这也就是说，三相全波整流器19与开关晶体管20b可集成在两个芯片上。
附带说明的是，在图18中，103是P型阱区，104是N+型源区，105是N型耐压层，106是N+型衬底(共同漏区)。
下面说明一下本实施例的MOS功率晶体管19a-19f以及开关晶体管20b的制造方法。
在六方晶系SiC单晶的N+型衬底106上，通过外延，生长形成N型耐压层105。N型耐压层105的表面部位上，通过离子注入铝而形成P型阱区103。进而，在P型阱区103的表面部位上，通过离子注入氮而形成N+型区104。而且，在晶片表面，仅使预定形成沟道栅的区开口，利用光刻胶及绝缘膜等进行掩模工艺，与此同时，就利用众所周知的反应性离子腐蚀法，开出沟道108的槽。在此以后，在沟道108的表面，利用热氧化法形成氧化硅膜构成的栅极绝缘膜109，在沟道108内形成由导电性多晶硅构成的栅极110。在这以后，将一个金属电极111与N+区(在高端的晶体管方面的漏极、在低端则为源极)104以及P型阱区103的表面接触好，将金属电极112与N+型衬底(高端的晶体管方面的源极，低端则为漏极)106的表面接触好，从而完成器件的制造。
下面在表1中所列的是同一芯片尺寸以及设计规程制造出的Si的双极性功率晶体管，Si的MOS功率晶体管及SiC的MOS功率晶体管各种性能的理论计算例。
但是，计算是以图22的电路为基础进行的。当然，这里假定各器件的有效芯片面积相等(这里假定是16mm2)，两种MOS功率晶体管的设计规程也假定是条件相同。
表1
电压B14伏励磁线圈电阻2.9Ω
在图22中，10是励磁线圈，这里假定其电阻值为2.9Ω。20b是开关晶体管，其导通电阻值，Si的双极性功率晶体管为270mΩ，Si的MOS功率晶体管为350mΩ，SiC的MOS功率晶体管为14mΩ。另外，Si的双极性功率晶体管的270mΩ为实测值。Si的MOS功率晶体管的350mΩ以及SiC的MOS功率晶体管的14mΩ是从图9的耐压300V时的导通电阻率的数值(Si是900mΩ·mm2、SiC为35mΩ·mm2)计算出的。
从这一计算例可知，SiC开关晶体管20b的计算损耗仅为340毫瓦，Si的开关晶体管20b的计算损耗为数瓦，两者相比可知前者能降低很多。
图19所示为以同一设计规程同一芯片面积制造的Si-MOS晶体管、Si双极性晶体管、SiC-MOS晶体管所组成的开关晶体管20b用于车辆交流发电机时，该发电机的转数与输出电流之间关系的实测结果。
从图19可以证实输出电流的增大是能够实现的。
另外，在上述实施例中，三相全波整流器19的低端的MOS功率晶体管19d-19f及开关晶体管20b是集成在一起的，而由于开关晶体管20b发热量的减少，开关晶体管20b及控制电路20a就可以集成在一起，或者说也可以将MOS功率晶体管19d-19f、开关晶体管20b及控制电路20a集成在一起。
另外，在这种场合下，三相全波整流器19最好是由MOS功率晶体管或MOS-SIT构成，因此，控制电路20a也最好是以同样的器件构成。如果这样做，低端的MOS功率晶体管19d-19f与控制电路20a之间的连线就可以省略，连接线产生的电磁放射干扰也就可以减少。
再者，在图18中是使用离子注入法形成P型阱区103的，使用外延生长法也可以形成。
实施例6现将其他实施例参照图20、图21来作一说明。
在本实施例中，励磁电流控制用开关晶体管41可作为调压器20a的一部分，与其他电路组成同一混合集成电路。下面就按图20来说明结构。
1A是发电机，101(B)是输出端，102(IG)是IG端，103(S)是电压输入端，104(L)是充电指示灯驱动端，105(E)是接地端。发电机1A由电枢绕组5，励磁线圈10，调压器20a以及整流器19组成。调压器20a由下列各端子以及元器件组成充电指示灯驱动端401(L)，蓄电池电压检测端402(S)、IG端403(IG)、正B端404(B)、励磁线圈405(F)、电枢绕组相电压输入端406(P)、接地端407(E)以及续流二极管40、励磁电流控制用的且采用SiC(碳化硅)材料制成的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)组成的开关晶体管41，控制集成电路(以下称MIC)42以及充电指示灯驱动用晶体管(SiC MOSFET)44的电热扼流圈驱动用晶体管(SiC MOSFET)43。在图中60是充电指示灯，70是电热扼流圈，21是蓄电池、90是电负荷，100是IG开关。
图20中的MIC42的功能方框图示于图21。
42a是IG输入端，42b是蓄电池电压读出检测端，42c是电热扼流圈驱动用晶体管驱动端，42d是充电指示灯驱动用晶体管驱动端，42e是接地端，42f是电枢绕组相电压输入端，42g是驱动励磁电流控制用晶体管的驱动端。42是MIC(42)驱动用电源，422是发电检测用比较器。比较器工作原理如下当从负端输入电枢绕组电压，而从正端输入可检测是否发电开始之基准电压Vref1(423)，并相电压低于基准电压Vref1(423)时，即可判断为发电未开始，这时比较器(422)输出一个高电平信号，使得晶体管44断开，43导通、充电指示灯(6)点亮。反之，当相电压增大而被证明发电开始时，比较器(422)将输出一个低电平信号，使得晶体管43断开、44导通并向负荷(7)供电。
比较器424是用来控制励磁电流晶体管的。其工作原理如下当负端输入一个与蓄电池电压相当的电压，而从正端输入一个与蓄电池控制目标电压相当的电压(Vref2(425))并蓄电池电压高于目标电压时，比较器输出将变换成低电平，使得励磁电流控制晶体管41断开，反之，当蓄电池电压低于目标电压时，比较器422输出将变换为高电平，使得励磁电流控制用晶体管41导通。
下面叙述本机的工作效率导通电阻低的优点是第1，器件41压降小，其结果，损耗便控制在较小的数值上，因此在提高效率的同时，也可抑制发热，从而实现散热片小型化;第2，由于压降小，于是流入励磁线圈10的外加电压可增大，其结果是励磁电流加大，可提高输出功率。以上查证结果，如上述实施例5中所列的表1所示。
关于表1详细评述如下如图22所示，磁线圈10与开关器件41是串联的，在两端上的施加电压(正B)14V，励磁线圈10的阻值为2.9Ω，器件41的导通电阻以现用的耐压300V器件作为基准，双极性晶体管阻值为270mΩ(正向压降1.2V实测值)，Si-MOSFET阻值是根据图9中的Si和SiC耐压与导通电阻的关系，在耐压300v时，SiC-MOSFET的导通电阻是Si-MOSFET导通电阻的1/25，因此SiC-MOSFET的导通阻值算出了14mΩ。其结果，各器件的导通电阻、压降(Vs)、励磁线圈外加电压(Vr)、励磁电流(IF)、器件损耗(W)均如表1所示。对励磁电流而言，与双极性晶体管相比，励磁电流提高9%，与Si材料制成的MOSFET相比提高12%。损耗也分别降低到1/16和1/19。由于励磁电流增大而所期待的输出必定升高，如图19所示，要比双极性晶体管，输出可增大约6%，要比Si-MOSFETT，可增大约9%。
此外，简化了开关晶体管41的冷却结构，使发电机后部的通风阻力减少了，从而提高电枢绕组和励磁线圈的冷却性能。
实施例7图23和24表示实施例7。本实施例7，三相全波整流器19的高端MOS功率晶体管19a-19c以及励磁用开关晶体管20d是集成在同一芯片上的。在这种情况下，开关晶体管20d是与蓄电池高电位端相接的。
实施例8图25和图26表示实施例8。本实施例中，励磁用开关晶体管20e和全波整流器19g-19i以及19x-19z均装在同一散热片31上。经过这样的处理，如用开关晶体管控制发热部的励磁电流，从热结构上与电压调整部加以分开，则SiC的高耐热性特点将使效果更佳。
另外，经过开关晶体管材料改用为SiC后，将会实现高温动作，并且与产生高温(约170℃-200℃)的全波整流器共用散热片，从而提高了冷却效率。在这种情况下，与发热部的开关晶体管分离开的电压调整部的温度到不了高温，于是冷却风可以分给电枢绕组等，从而进一步提高了发电机效率。
此外，如果只把SiC材料制成的且能高温下动作的励磁用开关晶体管内装发电机内，而采用不宜在高温下动作的以往的Si-IC等的开关晶体管(一般在150℃以下)控制电路装在发电机外侧，例如控制盒内，则发电机的冷却性能将会进一步提高，可靠性也提高。
实施例9图27和图28表示实施例9。本实施例中，续流二极管40a由MOS晶体管组成，励磁电流控制晶体管41由SiC材料制成的同一芯片组成。
这种MOS晶体管组成的续流二极管是通过控制晶体管栅极(G)电压来进行工作，以使循环电流流入励磁线圈10。然而，由于用同一芯片组成，因此，提高了组装作业性能的同时，由于用导通电阻较低的SiC材料制成的MOS晶体管代替续流二极管，从而降低了循环电流损耗。
以上从种种的实施例角度详细评述本发明，但本发明不限于上述实施例。在不脱离发明宗旨的条件下，对同行业人员来说，有可能去实现种种不同的实施例。
权利要求
1.一种用于驱动车辆的交流发电机，其特征是发电机备有绕制在上述发电机电枢铁心上的、能产生交流电压的电枢绕组；向车辆电负荷供电的蓄电池；连接上述电枢绕组输出端和上述蓄电池高电位端的半导体器件，以及连接上述电枢绕组输出端和上述蓄电池低电位端的半导体功率器件，在这两者中至少配有其中的任一个器件并把上述电枢绕组的交流电压变换成直流电压后，向上述蓄电池供电的电力变换器；向上述电枢绕组提供磁场的励磁线圈；通过带有开关晶体管的励磁电流控制器来控制励磁线圈中的励磁。该交流发电机的特征是上述电力变换器的半导体功率器件和上述励磁电流控制器的开关晶体管，在这两者中至少有一方是采用硅(Si)和碳(C)的化合物，即由电阻率比硅(Si)低的碳化硅(SiC)材料制成。
2.根据权利要求1所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器的半导体功率器件是MOS型功率晶体管。
3.根据权利要求1所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器的半导体功率器件是PN结二极管。
4.根据权利要求2所述的车辆用交流发电机中，该发电机有三相电枢绕组，该三相电枢绕组各端与上述蓄电池高电位端进行并联的高端的MOS型功率晶体管和上述三相电枢绕组各端与上述蓄电池低电位端进行并联的低端的MOS型功率晶体管，这两者中至少配有其中任一个器件，而上述MOS型功率晶体管是用上述碳化硅(SiC)材料制成。
5.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器备有上述高端和低端的MOS型功率晶体管，其中至少有一端的MOS型功率晶体管是用上述碳化硅(SiC)材料制成。
6.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中上述电力变换器仅在高端或在低端中的任何一端才备有上述MOS型功率晶体管，而上述高端或低端的另一方(端)是PN结二极管，上述MOS型功率晶体管是利用上述碳化硅(SiC)材料制成。
7.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中，上述MOS型功率晶体管备有构成源区的N+型衬底、在上述衬底上形成的N型耐压层、在上述耐压层表面部位形成的P型阱区、上述P型阱区的表面部位上形成并构成漏区的N+型漏区以及在上述P型阱区的表面部位隔着绝缘膜形成栅极。该栅极使形成上述漏区和上述耐压层之间导通的N型沟道。
8.根据权利要求7所述的车辆用交流发电机中，上述N+型漏区和上述P型阱区在电气上是短路的。
9.根据权利要求8所述的车辆用交流发电机中，上述衬底构成高端各相的上述MOS型功率晶体管共同源区，在上述衬底上各相的上述P型阱区是分别形成的，在上述各P型阱区的表面部位上各上述N+型阱区是分别形成的，并在上述P型阱区的表面部位隔着绝缘膜分别形成栅极，以使将上述各漏区及上述耐压层分别导通的沟道。
10.根据权利要求2和4所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器与对上述MOS功率晶体管进行开关控制的电压调整电路可集成在同一芯片上。
11.根据权利要求2和4所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器将构成全波整流器及半波整流器。
12.根据权利要求2和4所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器的上述MOS型功率晶体管的源极和漏极之间的耐压强度设定为50V以上。
13.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中，所述电力变换器的MOS型功率晶体管的源极和漏极之间的耐压强度设定为100V以上。
14.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器的MOS型功率晶体管和励磁电流控制器的开关晶体管采用单晶的碳化硅(SiC)材料。
15.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中，上述励磁电流控制器的开关晶体管由MOS型功率晶体管构成。
16.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中，上述励磁电流控制器的开关晶体管与功率变换器的高端或低端的MOS型功率晶体管集成在同一个碳化硅(SiC)芯片上。
17.根据权利要求2或4所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器的MOS型功率晶体管安装在该交流发电机的外壳上。
18.根据权利要求1所述的车辆用交流发电机中，上述励磁电流控制器的开关晶体管，与励磁电流控制器的控制电路部分分离开进行安装。
19.根据权利要求18所述的车辆用交流发电机中，上述励磁电流控制器的开关晶体管与上述电力变换器的半导体功率器件安装在同一散热片上。
20.根据权利要求18所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器的半导体功率器件和上述励磁电流控制器的开关晶体管安装在该交流发电机的外壳。
21.根据权利要求18所述的车辆用交流发电机中，上述励磁电流控制器的控制电路部分安装在该交流发电机的外部，对安装在交流发电机内部的上述开关晶体管进行控制。
22.根据权利要求1所述的车辆用交流发电机中，上述电力变换器和上述励磁电流控制器装入同一个盒子内，然后安装到该交流发电机的外壳上。
23.根据权利要求1或4所述的车辆用交流发电机，使励磁电流进行回流的MOS型晶体管与上述励磁线圈并联，该MOS型晶体管与上述励磁电流控制器的开关晶体管集成在同一个碳化硅(SiC)芯片上。
全文摘要
本发明交流发电机备有将交流电压变换成直流电压后，向蓄电池供电的电力变换器，及励磁电流控制器，且功耗小，冷却简便。该励磁电流控制器具有开关晶体管。电力变换器的半导体功率器件及开关晶体管中，至少有一方所采用的材料是SiC材料，其电阻率低于Si。并且，上述半导体功率器件由MOS型功率晶体管构成。电力变换器的组成有两种发电机电枢绕组输出与蓄电池高电位端并联的高端MOS型功率晶体管及与蓄电池低电位端并联的低端MOS型功率晶体管。
文档编号H02P9/48GK1109648SQ9411949
公开日1995年10月4日 申请日期1994年12月7日 优先权日1993年12月7日
发明者梅田敦司, 户川雅俊, 川合淳司, 佐藤博英, 户仓规仁 申请人:日本电装株式会社