DE10321162A1

DE10321162A1 - Rectifier bridge for a three-phase alternator, has rectifier elements like inhibitive/Zener diodes set in advance with a property to differ from the corresponding property of remaining elements

Info

Publication number: DE10321162A1
Application number: DE10321162A
Authority: DE
Inventors: Richard Spitz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2003-12-04

Abstract

Zener/highly inhibitive diodes act as phase diodes (D1-D6) that include plus diodes (D1-D3) as Zener diodes and minus diodes (D4-D6) as highly inhibitive diodes. Rectifier elements set in advance have an electric property that differs from a corresponding property in remaining rectifier elements. This electric property means that REs set in advance are a very inhibitive electrically. An Independent claim is also included for a method for producing a rectifier structure with rectifier elements.

Description

State of the art

Gleichrichter für Kfz-Drehstromgeneratoren werden üblicherweise mit 6 Siliziumdioden ausgestattet, die als Brücke verschaltet sind. Es sind auch Gleichrichter mit 7, 8, 12, 14 oder mehr Dioden im Einsatz. Kennzeichnend ist für alle diese Gleichrichterkonfiguration, dass sie in der Regel entweder nur mit hochsperrenden Dioden, also Dioden ohne Spannungsbegrenzungsfunktion oder Zenerdioden, also Dioden mit Spannungsbegrenzungsfunktion bestückt sind. Es werden dabei aber jeweils nur gleichartige Dioden verwendet. Eine Ausnahme sind Gleichrichter, bei denen ein zusätzliches Paar von Dioden mit dem Sternpunkt der Generatorständerwicklung verbunden sind. Die Sternpunktsdioden sind in diesem Fall aus Kostengründen manchmal als hochsperrende Dioden ausgeführt, die Phasendioden aber als Zenerdioden. Rectifiers for automotive three-phase generators are usually with 6 silicon diodes equipped, which are connected as a bridge. There are also rectifiers with 7, 8, 12, 14 or more diodes in use. Characteristic of all this rectifier configuration, that they are usually either only with high blocking diodes, i.e. diodes without Voltage limiting function or Zener diodes, i.e. diodes with Voltage limiting function are equipped. However, only diodes of the same type are used in each case. An exception are rectifiers, in which an additional pair of diodes with the Star point of the generator stator winding are connected. The star point diodes are in this case sometimes implemented as high blocking diodes for cost reasons Phase diodes but as Zener diodes.

Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Gleichrichteranordnung hat den Vorteil, dass sie sehr kostengünstig ist und gleichzeitig eine sichere Spannungsbegrenzung gewährleistet. Erzielt wird dieser Vorteil, durch die im Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination, nach der eine Gleichrichterbrücke, die mehrere Gleichrichterelemente umfasst, so ausgestaltet ist, dass vorgebbare Gleichrichterelemente wenigstens eine erste Eigenschaft aufweisen, die sich von der entsprechenden Eigenschaft der übrigen Gleichrichterelemente, unterscheidet, wobei diese Eigenschaft in vorteilhafter Weise elektrischer Art ist. The rectifier arrangement according to the invention has the advantage that it is very is inexpensive and at the same time ensures a safe voltage limitation. Is achieved this advantage, by the combination of features specified in claim 1, according to a rectifier bridge, which comprises several rectifier elements, is designed that predeterminable rectifier elements have at least one first property, the the corresponding property of the other rectifier elements, differs, this property is advantageously electrical.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen erhalten. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die Eigenschaf ten der Gleichrichterelemente so ausgewählt werden, dass vorgebbare Gleichrichterelemente eine besonders hohe elektrische Sperrfähigkeit aufweisen und die anderen Gleichrichterelemente Zenereigenschaft mit Spannungsbegrenzungsfunktion aufweisen. Die Auswahl der Gleichrichterelemente mit bestimmten Eigenschaften erfolgt vorteilhafter Weise so, dass die gegenseitige Wechselwirkung zwischen ihnen berücksichtigt wird. Further advantageous embodiments are defined in the dependent claims received specified measures. It is particularly advantageous that the property th of the rectifier elements are selected so that predeterminable Rectifier elements have a particularly high electrical blocking capability and the others Rectifier elements have Zener property with voltage limiting function. The Selection of the rectifier elements with certain properties is more advantageous Way so that the mutual interaction between them is taken into account.

drawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Gleichrichterbrücke mit unterschiedlichen Gleichrichterelementen. Fig. 2 verdeutlicht schematisch die Problematik der durch Zersägen von Wafern verursachten Mikroschädigungen eines pn-Übergangs. An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the description. In particular, FIG. 1 shows an embodiment of a rectifier bridge having different rectifying elements according to the invention. Fig. 2 illustrates schematically the problem of micro-damage caused by sawing wafers of a pn junction.

description

Die Erfindung beschreibt einen kostenoptimierten Gleichrichter für Kfz-Generatoren, speziell Drehstromgeneratoren mit Spannungsbegrenzungsfunktion. The invention describes a cost-optimized rectifier for motor vehicle generators, especially three-phase generators with voltage limiting function.

Im Gegensatz zu den heute bekannten Lösungen werden als Phasendioden D1 bis D6 Zenerdioden und hochsperrende Dioden gemischt eingesetzt. Es können die Dioden D1 bis D3, die als Plusdioden bezeichnet werden, als Zenerdioden ausgeführt sein, die Dioden D4 bis D6, die als Minusdioden bezeichnet werden, als hochsperrende Dioden oder umgekehrt. Besonders kostenattraktiv ist, nur in einer Phase Zenerdioden zu verwenden und die beiden anderen Phasen in allen Positionen mit hochsperrenden Dioden auszustatten. So können z. B. in einem weiteren, nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel D3 und D6 Zenerdioden sein, D1, D2, D4 und D5 dagegen hochsperrende Dioden. Genauso möglich sind in weiteren Ausführungsbeispielen D1 und D4 oder D2 und D5 als Zenerdioden, die restlichen Dioden als hochsperrende Dioden. In contrast to the solutions known today, phase diodes D1 to D6 Zener diodes and high-blocking diodes mixed. The diodes D1 to D3, which are referred to as plus diodes, are designed as zener diodes, the diodes D4 to D6, which are referred to as minus diodes, as high-blocking diodes or vice versa. It is particularly cost-effective to use Zener diodes in only one phase and equip the other two phases with high blocking diodes in all positions. So z. B. in another, not shown in the drawing Embodiment D3 and D6 be Zener diodes, D1, D2, D4 and D5, however, high-blocking diodes. In further exemplary embodiments, D1 and D4 or D2 and D5 are equally possible as Zener diodes, the remaining diodes as high-blocking diodes.

Die Kosten der vorgeschlagenen Gleichrichterkonfigurationen sind aus den folgenden Gründen niedriger:

- Die Produktion von Zenerdioden ist aufwändiger als die der hochsperrenden Dioden.
- Bei kombiniertem Einsatz mit Zenerdioden können die hochsperrenden Dioden besonders kostengünstig ausgeführt werden.

The cost of the proposed rectifier configurations is lower for the following reasons:

- The production of Zener diodes is more complex than that of the high blocking diodes.
- When used in combination with Zener diodes, the high-blocking diodes can be designed particularly cost-effectively.

Wird ein Gleichrichter nur aus hochsperrenden Dioden aufgebaut, treten z. B. im 14 V- Bordnetz bei Stromunterbrechung im vollerregtem Zustand des Generators (Load Dump) Sperrspannungsspitzen bis zu 150 V auf. Im Fall des 28 V-Bordnetzes sind sogar Spannungen bis 350 V möglich. Die Durchbruchspannungen der Dioden müssen entsprechend hoch ausgelegt sein, mindestens 200 V bei 14 V- bzw. 400 V bei 28 V-Anwendung. Ein Betrieb der Diode im Durchbruch muss ausgeschlossen werden, weil sie sofort durch eine Überlastung ausfällt. Aus diesem Grund muss auch der Sperrstrom der Diode sehr niedrig (ca. 1 Mikroampere) eingestellt werden. Höhere Sperrströme führen in Kombination mit den hohen Spannungen ebenfalls zum Ausfall der Diode. If a rectifier is only made up of high blocking diodes, z. B. in 14 V Vehicle electrical system in the event of a power failure when the generator is fully excited (load dump) Reverse voltage peaks up to 150 V. In the case of the 28 V electrical system, there are even Voltages up to 350 V possible. The breakdown voltages of the diodes must be corresponding be designed high, at least 200 V for 14 V or 400 V for 28 V application. On Operation of the diode in the breakthrough must be ruled out because it can Overload fails. For this reason, the reverse current of the diode must also be very low (approx. 1 microampere) can be set. In combination with higher reverse currents the high voltages also lead to diode failure.

Im kostengünstigsten Fall einer Diode mit offenem pn-Übergang werden die unstrukturierten Siliziumwafer nach der Diffusion und der Metallisierung durch Sägen zerteilt. Die durch das Sägen verursachte Mikroschädigung des pn-Übergangs, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, generiert inakzeptabel hohe Sperrströme. Die Mikroschäden müssen daher durch Ätzen entfernt werden. Des weiteren müssen die Seitenflächen des Siliziumchips nach dem Ätzen durch eine Passivierungsschicht vor Verschmutzung geschützt werden. In the most cost-effective case of a diode with an open pn junction, the unstructured silicon wafers are cut by sawing after diffusion and metallization. The micro damage to the pn junction caused by the sawing, which is shown schematically in FIG. 2, generates unacceptably high reverse currents. The micro-damage must therefore be removed by etching. Furthermore, the side surfaces of the silicon chip must be protected from contamination by a passivation layer after the etching.

Der Aufwand für Ätzen und Passivieren beansprucht unter Berücksichtigung der Ausbeute einen hohen Annteil der Produktionskosten der Diode (beispielsweise 25%). Diese Kosten können eingespart werden wenn in einem Gleichrichter Zenerdioden vor Spannungssitzen schützen. Die maximalen Spannungen können unter 35 V (14 V- Anwendung) bzw. 60 V (28 V-Anwendung) gehalten werden. The effort for etching and passivation takes into account the Yield a high proportion of the production costs of the diode (for example 25%). This Costs can be saved if Zener diodes are installed in a rectifier Protect voltage seats. The maximum voltages can be below 35 V (14 V- Application) or 60 V (28 V application).

Die Durchbruchspannung der hochsperrenden Dioden kann bei Einsatz von Dioden mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften niedriger eingestellt werden, als bei herkömmlichen Systemen, z. B. auf 100 V. Die Sperrströme können höher liegen als bei herkömmlichen Systemen, z. B. bei 100 Mikroampere. Ätzen und Passivieren können entfallen. Die Produktionskosten werden dadurch signifikant abgesenkt. Werden z. B. in einem Gleichrichter mit 6 Dioden nur 3 bzw. 2 Zenerdioden eingesetzt, werden diese beim Load Dump wesentlich stärker beansprucht als bei voller Ausstattung mit Zenerdioden (6 Stück). The breakdown voltage of the high blocking diodes can be used when using diodes different properties, especially different electrical Properties are set lower than in conventional systems, e.g. B. to 100 V. The reverse currents can be higher than in conventional systems, e.g. B. at 100 Microamps. Etching and passivation can be omitted. The production cost will be thereby significantly lowered. Are z. B. in a rectifier with 6 diodes only 3 or 2 Zener diodes are used, they become much stronger with the load dump claimed than when fully equipped with Zener diodes (6 pieces).

Bei voller Bestückung mit Zenerdioden wird jede Zenerdiode beim Load Dump etwa während eines Drittels der Dauer einer Wechselstromperiode mit hoher Leistung in Sperrrichtung belastet. Die Leistung lässt sich minimieren durch möglichst eng selektierte Zenerspannungen innerhalb eines Gleichrichters. Im günstigsten Fall, wenn alle Zenerspannungen gleich sind, nimmt jede Diode nur die halbe Last auf. Zu jedem Zeitpunkt teilt sich der Strom in Sperrrichtung jeweils zur Hälfte auf eine Plus- und eine Minusdiode auf. In der Praxis wird eine maximale Zenerspannungsdifferenz von z. B. 1 Volt pro Gleichrichterelement eingestellt. Die Diode mit der niedrigsten Zenerspannung im Gleichrichter nimmt dann etwa 70% der Leistung auf. Da eine Zenerspannungstoleranz von 1 V mit vernünftiger Ausbeute nicht hergestellt werden kann, werden die Dioden beim Endmessen in Spannungsklassen sortiert. Der erhöhte Logistikaufwand ist ein Teil der höheren Produktionskosten der Zenerdioden im Vergleich zu hochsperrenden Dioden. When fully loaded with Zener diodes, every Zener diode becomes about the same with the load dump during a third of the duration of a high power AC period in Blocking direction loaded. The performance can be minimized by selecting as closely as possible Zener voltages within a rectifier. At best, if all Zener voltages are the same, each diode only absorbs half the load. Anytime the current in the reverse direction is divided in half between a plus and a Minus diode on. In practice, a maximum Zener voltage difference of e.g. B. 1 volt per Rectifier element set. The diode with the lowest Zener voltage in the Rectifier then consumes about 70% of the power. Because a Zener voltage tolerance The diodes cannot be produced from 1 V with reasonable yield sorted into voltage classes during final measurement. The increased logistics effort is part the higher production costs of the Zener diodes compared to high blocking diodes.

Werden nur die 3 Plusdioden oder die 3 Minusdioden oder 1 Diodenphasenpaar als Zenerdioden ausgeführt, ist eine Klasseneinteilung nicht mehr notwendig. Jede wird beim Load Dump mit der vollen Leistung beansprucht und zwar während eines Drittels der Dauer einer Wechselstromperiode bei 3 Zenerdioden bzw. während der halben Periodendauer bei 2 Zenerdioden. Die Belastung ist damit deutlich höher als beim Einsatz von 6 Zenerdioden pro Gleichrichter und das Ausfallrisiko steigt. Um das zu verhindern, müssen die Zenerdioden im Gleichrichter besonders gekühlt werden. Bisher wird jeder Diode im Gleichrichter etwa die gleiche Kühlblechfläche zugeordnet. Im Fall eines Gleichrichters mit nur einem Diodenpaar als Zenerdioden sollte diesen etwa die doppelte Kühlblechfläche im Vergleich zu den hochsperrenden Dioden zur Verfügung stehen. Are only the 3 plus diodes or the 3 minus diodes or 1 pair of diode phases as With Zener diodes, a division into classes is no longer necessary. Each is at Load Dump consumed at full capacity for a third of the time Duration of an alternating current period with 3 Zener diodes or during half Period duration with 2 Zener diodes. The load is therefore significantly higher than when using 6 Zener diodes per rectifier and the risk of failure increases. To prevent that, the Zener diodes in the rectifier must be specially cooled. So far, every diode assigned approximately the same heat sink area in the rectifier. In the case of one Rectifiers with only one pair of diodes as Zener diodes should double this Heat sink area compared to the high blocking diodes are available.

Die Betriebstemperatur der hochsperrenden Dioden steigt dadurch an und damit der Sperrstrom. Da aber die maximale Sperrspannung an den hochsperrenden Dioden durch die Zenerdioden begrenzt wird, kann eine höhere Temperatur zugelassen werden, ohne das Ausfallrisiko zu erhöhen. As a result, the operating temperature of the high-blocking diodes rises and thus the Reverse current. But because of the maximum reverse voltage across the high blocking diodes the Zener diodes is limited, a higher temperature can be allowed without to increase the risk of default.

Bei einem Gleichrichter mit 3 Zenerdioden sollte die Gleichrichterhälfte ausgewählt werden, die die niedrigere Temperatur aufweist. Je nach Konstruktion und Anordnung des Gleichrichters im Generator kann das das Plus- oder das Minuskühlblech sein. Temperaturunterschiede von 10°C bis 20°C zwischen den Gleichrichterhälften sind heute bereits üblich und können genutzt werden. In the case of a rectifier with 3 Zener diodes, the rectifier half should be selected which has the lower temperature. Depending on the construction and arrangement of the Rectifier in the generator can be the plus or minus heat sink. There are already temperature differences of 10 ° C to 20 ° C between the rectifier halves usual and can be used.

Claims

1. Rectifier arrangement, in particular rectifier bridge for a three-phase generator, which comprises a plurality of rectifier elements, characterized in that predeterminable rectifier elements have at least one first property which differs from the corresponding property of the other rectifier elements.

2. Rectifier arrangement according to claim 1, characterized in that the Property of electrical nature.

3. Rectifier arrangement according to claim 2, characterized in that the The property is such that predeterminable rectifier elements have a high electrical Locking ability and the other rectifier elements Zenere property with Have voltage limiting function.

4. Rectifier arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the Selection of the rectifier elements with predefinable properties is carried out in such a way that the mutual interaction between the rectifier elements is taken into account.

5. Rectifier arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized that in a rectifier bridge with six rectifier elements three rectifier elements with the first property and three with the second Property can be used.

6. Rectifier arrangement according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized characterized that in a rectifier bridge with six rectifier elements two rectifier elements with the first property and four with the second Property can be used.

7. Rectifier arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the rectifier elements are connected to cooling plates and the distribution of the rectifier elements on the cooling plates is chosen so that the heat sink surface is different for different rectifier elements.

8. Rectifier arrangement according to claim 7, characterized in that the as Zener diodes designed rectifier elements get a larger cooling area than the rectifier elements with high electrical blocking resistance.

9. Rectifier arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the rectifier elements designed as Zener diodes in a Rectifier arrangement with two Zener diodes get a cooling surface twice as large as that Rectifier elements with high electrical blocking resistance.

10. Rectifier arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized that the cooling plates are the plus or minus cooling plates of a generator are.

11. Method for producing a rectifier arrangement, the several Rectifier elements comprises, according to one of the preceding claims characterized in that when selecting the rectifier elements used with respect to the high blocking capacity and the level of the breakdown voltage and thus the Voltage limitation of the rectifier elements takes minimal requirements into account become.