一种汽车发电机主动整流器

邹 颖，申彩英



一种汽车发电机主动整流器

邹 颖，申彩英

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001）

分析了大电流状态下将出现的问题，寻找解决方法。提出了采用MOSFET作为整流器件来降低整流器正向电压的可能性。分析了MOSFET工作在整流状态下需要工作在输出特性的第三象限以及MOSFET输出特性第三象限的特点。分析了工作在整流器状态的MOSFET导通电阻对导通电压的影响，提出采用极低导通电阻作为100 A级整流器需要的MOSFET要求的参数。最后，通过实验验证了提出的方法及理论。

汽车发电机；MOSFET；主动整流器；导通电压

越来越多汽车电子设备的出现，要求汽车的供电电流越来越大。这个供电要求需要由汽车发电机提供。使得汽车发电机输出电流增加到150~200 A。

汽车发电机输出电流的幅度增加，带来的最大问题是整流器散热问题。汽车发电机输出电流150 A状态下，整流器产生的损耗在210~270 W。需要很大的散热能力。在体积有限、散热能力有限的约束条件下表现出散热能力不足的问题。

整流器损耗的产生是由于整流二极管正向电压所致。一般用于整流的硅二极管正向电压降约为0.8~1.0 V。为了降低二极管的正向电压降，一般应用中可以采用正向电压降低仅有0.5 V的肖特基二极管，但是肖特基二极管存在的高温漏电流大的问题抵消了低正向电压降的优点。除此以外，肖特基二极管耐过电流冲击能力也很差。

如何寻求到一种正向电压低于0.3 V、漏电流几乎可以忽略的整流器件，在众多功率半导体器件中，唯功率MOSFET可能具有这样特性。

1 功率MOSFET工作在整流状态下的特殊性

1.1 功率MOSFET的工作状态

一般的N沟道MOSFET工作状态是在导通状态下，漏极电位相对源极电位高，对应的MOSFET中寄生二极管（除续流状态外）处于阳极反向电压的阻断状态。工作在输出特性的第一象限。

功率MOSFET工作在整流器模式下，功率MOSFET导通应该视为常规整流器二极管导通，这时的功率MOSFET的漏极电位低于源极电位。工作在输出特性的第三象限，如图1。

图1 MOSFET（IPLU300N04S4-R8）输出特性

从图1中可以看到，当MOSFET处于导通状态下，在反向二极管导通前，MOSFET反向输出特性与正向输出特性相同，为电阻特性；当MOSFET反向电压接近反向二极管的导通电压，MOSFET反向输出特性趋于反向二极管导通特性。

N沟道增强型MOSFET栅极电压为零或为负状态下，MOSFET正向输出特性为反向二极管反向阻断特性，理论上处于零电流状态。

1.2 功率MOSFET导通电压降

尽管在理论上MOSFET可以作为整流元件，但是必须是在工作电流条件下的电压降处于低于反向二极管正向导通电压的状态，否则没有意义；在实际应用中，MOSFET作用于整流状态下的电压降必须低于0.3 V，否则没有实用价值。图2为一款500 V/24 A的MOSFET。

图2 MOSFET（500 V/24 A）输出特性

图2中，漏极电流超过4 A，就达到了二极管正转折电压。如此低的电流将不具备作为整流元件的价值。

图1中，MOSFET即使工作电流到200 A，电压降也不过0.16 V。这样，即使在最高结温状态下，工作电流为100 A时，电压降仅仅约为0.25 V，符合作为降低整流器正向电压的目标。

因此，选择作为整流元件的MOSFET，其导通电压必须低于0.3 V才有意义。

2 极低导通电阻的MOSFET

利用MOSFET的低导通电阻，使MOSFET在导通状态下流过整流电流，产生远低于硅二极管的正向电压。获得更低的导通损耗。

例如100 A整流输出电流状态下，MOSFET电压降需要低于0.3 V才会有实际应用价值。这就需要MOSFET具有：

需要注意的是，式(1)中的MOSFET导通电阻是最高结温条件下的导通电阻。而大多数MOSFET数据表中是室温条件下的数据。两者之间相差2~3倍。图3为IPLU300N04S4导通电阻与结温关系。

图3 IPLU300N04S4导通电阻与结温关系

该型号室温条件下的导通电阻典型值为0.53 mΩ，对应150 ℃结温将接近0.9 mΩ。

实际应用时需要考虑MOSFET导通电阻的最大值状态下的最高结温的实际导通电阻，对应值为：

当流过100 A电流时，导通压降为0.126 V。在大电流状态下，线路的寄生电阻将变得不可忽视。因此，需要考虑由于线路寄生电阻产生的电压降。综合考虑，式(2)的结果可以满足100 A工作电流的要求。

3 主动整流与被动整流

主动整流(active)是通过控制信号控制整流器件导通与关断。被动整流(passtiv)是交流电源电压使整流元件阳极电压过零变正从而使得整流元件导通，或使整流元件阳极电压过零变负从而使得整流元件关断。主动整流可控，被动整流不可控，这是主动整流与被动整流在受控形式上的差别。

4 实验结果与分析

(1)利用MOSFET作为整流器的实验结果

MOSFET型号：IPLU300N04S4。常温导通电阻最大值0.77 mΩ，壳温25 ℃的额定电流300 A。

整流电路，三相桥式整流电路。

测试仪器与装置：DPS2024隔离通道示波器；250 A磁平衡式霍尔电流传感器，检测电流与输出电压关系25 A/V。

(2)测试结果

测试波形与数据：输出电流与MOSFET电压波形如图4。

图4 输出电流与MOSFET电压波形

图4中，通道2为MOSFET电压；通道4为输出电流，1 V/div。实测电压为3.84 V，对应电流为96 A。

MOSFET正向电压细节波形如图5。

图5 实际测试波形图

图5中，MOSFET导通状态下的正向电压约100 mV。远远低于硅整流器的约1 V的典型电压值。

常温状态下，MOSFET带有很小散热器的壳温为80.6 ℃，如图6。

图6 小散热器时MOSFET壳温

对应的导通损耗为：

5 结论

应用MOSFET作为整流器件可以使整流器件的导通损耗大大降低。作为汽车发电机整流器，不仅可以降低整流器损耗到二极管整流的约76%，同时也可以减小对散热器的要求。

可以采用本文采用的MOSFET型号，以双管并联方式实现200 A输出电流的主动整流器。

在汽车发电机输出电流越来越大的需求下及整流器空间和散热条件有限的条件下，采用MOSFET作为整流器件的主动整流器将是高输出电流汽车发电机整流器的趋势。

[1] 陈永真, 孟丽囡. 高效率开关电源设计与制作[M] . 北京: 科学出版社, 2008: 162-164.

[2] 陈永真, 曹洪奎, 李光林. 现代电子技术[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 2006: 177-183.

[3] 陈之勃, 陈永真. 大学生电子设计竞赛硬件电路设计指导[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013: 168-170.

责任编校：孙 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

邹 颖(1994-)，女(满族)，辽宁鞍山人，硕士生。申彩英(1981-)，女，辽宁锦州人，讲师，博士。