CN102171442B - 对射频火花塞的激励频率的监控 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频等离子生成设备，包括控制模块(30)，其在控制频率上生成控制信号(V1)；电源电路(20)，其包括由所述控制信号控制的断路器(M)，该断路器将激励信号(V2)施加于具有由所述控制信号限定的频率的所述电源电路的输出端；谐振器(10)，其呈现大于1MHz的频率，连接到所述电源电路的输出端并且适于生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压(U(t))，其特征在于，该设备包括用于所述控制模块(30)的控制装置(40、50)，该控制装置适于在施加所述激励信号期间以与所述控制信号同步的方式更改所述谐振器的激励信号的频率。

Description

对射频火花塞的激励频率的监控

技术领域

本发明涉及谐振器的射频电源的领域，特别是用于等离子生成器的谐振器。

背景技术

对于等离子生成机动车辆点火的应用而言，其谐振频率大于1MHz的谐振器被安排在火花塞处并且通常以高压供电(例如大于100V)并遭受到强电流(例如大于10A)。

对火花塞的射频高压电源的操作是基于谐振器中的串联谐振现象的，该谐振器的谐振频率是由构成谐振器的电路的本征参数值来确定的。

图1示出了现有技术谐振射频点火系统。对射频火花塞建模的等离子生成谐振器10包括串联的电阻Rs、电感Ls和电容Cs，它们的值在制造期间由几何形状和所用材料的特性来确定，以使得谐振器具有大于1MHz的谐振频率。

谐振器10连接到呈现为用作断路器的功率为M的晶体管MOSFET的电源电路20的输出端，从而将中间电压Vinter施加于具有由借助于控制模块30被施加到MOSFET栅极的控制信号V1所限定的频率的电源电路的输出端。

中间电压Vinter例如在具有由控制信号限定的频率的电源电路的输出端上借助于并联谐振电路而被递送，该并联谐振电路包括与构成变压器T的初级绕组的线圈L_M并联的电容Cp，谐振器10连接到变压器的次级绕组L_P的端子。

因此，控制模块30提供控制信号V1从而在基本上等于等离子生成谐振器的谐振频率的一个频率(例如大约5MHz)上控制晶体管M的开关以向并联谐振器21递送通常在12V至250V之间的电压Vinter，该电压然后被放大。在所施加的控制频率上，产生并联谐振器与射频火花塞的谐振器10之间的能量交换，这使之能够在期望产生火花的媒介的温度和压力下、在谐振器10的输出端获得击穿阈值电压。

控制频率因而被选择成等离子生成谐振器10的谐振频率。

目前，谐振器输出端的火花的形成干扰系统并且使系统失谐。实际上，气体中的火花像任何导电体那样是用电容来表征的。因此，如果没有火花，则由谐振器10的参数Rs、Ls和Cs来单独确定系统谐振频率。这不再是火花形成时的情形；火花的特性实际上更改谐振频率。

具有所形成的火花的谐振器的实际谐振频率与火花塞的射频电源的控制频率之间的差异因而降低了谐振器的品质因数(或过电压系数，其根据施加于谐振器上的频率限定了输出电压幅度与输入电压之比)，其中所述控制频率被选择成火花塞的无负载谐振频率(f₀)，也就是说针对无火花的系统。

同样，能够在谐振器的激励序列内实时地重新校准射频电源的控制频率是有利的，这能够维持火花塞顶端的电压幅度并且因此维持火花的特性，例如其大小和分叉程度。

发明内容

本发明旨在达到该目的而不会降低系统效率。

为了实现该目的，本发明涉及一种射频等离子生成设备，包括：

-控制模块，其以控制频率生成控制信号，

-电源电路，其包括由所述控制信号控制的断路器，该断路器将激励信号施加于具有由该控制信号限定的频率的所述电源电路的输出端，

-谐振器，其呈现出大于1MHz的谐振频率，连接到所述电源电路的输出端并且适于生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压，

所述设备的特征在于，包括用于所述控制模块的控制装置，该控制装置适于在所述激励信号的施加期间以与所述控制信号同步的方式更改所述谐振激励信号的频率。

优选地，所述控制装置适于控制所述控制信号从第一频率值到小于该第一值的第二频率值的至少一个频率跃变。

有利地，所述控制装置适于控制所述控制信号向所述第二频率值切换的持续时间，其是所述信号在所述第一频率值时的半周期的持续时间的80％到120％。

优选地，所述第一频率值基本上等于所述谐振器没有火花时的谐振频率。

有利地，所述第二频率值在f₀-(Δf/2)至f₀的取值区间内，f₀等于谐振器在没有火花时的谐振频率并且Δf对应于该谐振器的通带。

根据一个实施例，所述控制装置适于在由所述谐振器生成的电压信号的瞬态阶段内控制所述控制信号的频率跃变，该瞬态阶段在所述信号的稳态阶段前面。

优选地，所述控制装置适于基本上在火花形成的时刻控制所述控制信号的频率跃变。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块的控制装置包括压控振荡器和用于调制所述振荡器的控制电压的装置。

本发明还涉及一种内燃机，其特征在于，包括至少一个根据本发明的等离子生成设备。

本发明还涉及一种用于控制内燃机的射频点火的电源的方法，其中，激励信号作为输入而被施加于具有由控制信号限定的第一频率的谐振器，所述谐振器呈现大于1MHz的谐振频率并且能够生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压，所述方法的特征在于，包括在所述激励信号的施加期间以与所述控制信号同步的方式更改该激励信号的频率。

附图说明

参考附图，通过阅读下面给出的说明性而非限制性的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：

-图1示意性地示出了现有技术射频等离子生成设备；

-图2a示出了两个时序图，在火花塞的点火控制期间，在不与激励信号同步的控制信号的频率更改的情况下，它们分别涉及射频电源的断路器MOS的电压控制信号和射频火花塞的谐振器输入端的激励电流信号；

-图2b是根据本发明原理的在与激励信号同步的控制信号的频率更改的情况下的图2a的时序图；

-图3示出了根据等离子生成控制持续时间的谐振器的电压信号U(t)，也就是说被施加于等离子生成谐振器的电容Cs的端子上的信号；

-图4示出了用于控制射频电源的控制信号的频率同步的装置的实施例。

具体实施方式

射频火花塞的火花发展的优化需要成功地对于系统由于形成火花而产生的一部分失谐重新校准，从而尽可能接近该组件的新的谐振条件。

为此，本发明提出实时地更改断路器M的控制信号V1的频率，以在施加射频火花塞的谐振器10的激励信号V2的时期内控制该激励信号被施加到电源电路20的输出端。

一个实施例在于在一个激励序列期间按照基本上在形成火花的时刻(恰好在火花建立之前或之后)所产生的频率突变来更改控制频率。

优选地，这个频率偏移会将电源控制信号的频率从第一频率值减小到第二频率值，该第一频率值在点火控制启动时被确定并且通常对应于系统的无负载谐振频率f₀，该第二频率值优选地在f₀-(Δf/2)至f₀之间，其中Δf对应于RLC电路的通带，其在该情况下是构成谐振器10的RLC电路。作为例子，在本发明中，Δf/2的取值大约是100KHz。

图3示出了针对如上所述的控制条件(即第一频率值f₀被保持到在对应于火花形成时刻的进行控制的时刻t_max所获得的最大电压值，而第二频率值在时刻t_max之后相对于该第一频率值突然减小至f₀-50KHz)的跨谐振器电容Cs端子的信号U(t)的电压包络的例子。

实际上，根据上面给出的例子，引起火花的等效电容通常不会致使谐振器火花塞组件的谐振频率相对于f₀的减小多于100KHz。

这种控制条件能够有利地在形成火花的时刻t_max保持跨谐振器电容Cs端子而施加的电压的最大幅度，并且还能够相对于传统的情形减小并减缓在经过t_max处的最大电压点之后的电压降而无需在施加谐振器激励信号期间进行频率控制。

这种在施加射频火花塞谐振器激励信号期间对控制频率进行的更改，通过使之能够尽可能接近于组件的新谐振条件并且因而使得点火更高效而实现了对火花特性的实时改进。

因此，当电源控制信号的频率根据上述原理而突然改变时，在致使将火花形成考虑在内的激励频率减小以使得对火花塞谐振器的控制适配于新谐振条件的程度上，有利地从起动等离子生成控制时的完全调谐的系统转变到形成火花时的“不完全”失谐的系统。

然而，为了对火花塞射频电源进行根据本发明的优化频率控制而要遵守的基本参数是电源控制信号的频率更改与施加于电源电路输出端的火花塞谐振器激励信号同步。

图2a示出了火花塞射频电源控制信号V1的时序图，其中在施加射频火花塞谐振器激励信号V2期间实施了频率更改，该激励信号V2的时序图也与V1的时序图相反地被示出。图2a示出了信号V1的频率更改不与激励信号V2同步的情形。

如图2a所示，射频火花塞谐振器激励信号V2在点火控制的第一部分中是在系统的无负载谐振频率f₀上被控制的，该无负载谐振频率是由控制信号V1来限定的。

在点火控制的一个给定时刻(优选地对应于火花形成时刻，或恰好在其之前或之后)，控制信号V1的频率进行更改，这对应于从初始频率f0到频率f₁的频率跃变，如上文所述，频率f₁被选择成在f₀到f₀-(Δf/2)的频率范围内。控制频率f₁的新值例如被选择成从f₀到f₀-100KHz。

控制信号V1因而经过持续时间t_b的切换阶段，其中它处于低状态，这是在施加新频率f₁之前。

如图2a所示，控制信号V1至新频率f₁的切换持续时间t_b在频率更改之前在信号V1的半周期持续时间内是不固定的，也就是说根据该例子对应于在频率f₀处的信号的半周期。所产生的激励信号V2的频率向新控制频率f₁的更改因而在控制信号V1的切换持续时间t_b内是不同步的。

控制信号V1因而在应用新频率f₁的时刻不再与激励信号V2的振荡同相。

由于这种情形，激励信号V2的振幅在频率更改时减小，并且只能在与新控制频率f₁重新校准的同时逐渐增加，如图2a中的V2的时序图所示的那样。

因此，在过渡期间产生的损耗之后，系统效率降低。此外，存在控制功率电子元件以及特别是MOS断路器在强电流通过时被迫更改状态的风险。实际上，功率晶体管的非同步开关会导致开关不再处于零电压或零电流，这因而会对晶体管造成风险。

图2b示出了本发明情形下的图2a的时序图，其中激励信号V2的频率至新控制频率f₁的更改有利地以与控制信号V1的切换持续时间t_b同步的方式来执行。

在激励信号的频率更改与控制信号同步的这一情形中，控制信号持续地与激励信号的振荡同相，这包括频率更改的时刻。因此，不存在任何谐振损耗并且可以保持最大电压，同时减缓经过最大电压点后的电压降，这对应于在点火控制时刻tmax的火花形成(参见图3)。

这种对谐振器的同步频率控制能够维持射频火花塞的最大品质因数，而不管其运转状态如何，并且因而保持了火花特性。

也可以在对射频火花塞的谐振器施加同一激励信号期间对控制信号的频率进行几次突然更改。

如上文所述，对射频火花塞谐振器激励信号的任何更改必需与控制信号同步。

因此，在应用新控制频率之前控制信号V1经过的切换持续时间t_b必需优选地被控制成基本上等于实施频率更改之前的控制信号半周期持续时间。

然而，对于控制信号向新控制频率切换的持续时间t_b的控制可以存在特定的容许度。因此，已经证实，通常对于涉及从第一频率(可能是f₀)到第二频率f₁(通常在f₀到f₀-(Δf/2)之间)的频率跃变的任何频率更改而言，在应用新频率之前控制信号的切换持续时间t_b必需符合：

$0.8\&times;\frac{1}{2f}<\mathrm{tb}<1.2\&times;\frac{1}{2f}$

换句话说，持续时间t_b必需在频率f处的控制信号半周期持续时间的80％到120％之间(也就是说在应用新频率之前的频率)。

此外，对于射频火花塞谐振器所生成的电压U(t)的幅度的最佳增益而言，控制信号V1的频率更改必需在谐振器电压信号U(t)的瞬态阶段执行(图3中的阶段1)。信号U(t)的这个瞬态阶段是在该信号的同步阶段(阶段2)之前，已知当基本上在火花形成时刻进行频率更改时获得最大增益，也就是说在时刻t_max。

具有本发明的上述特性的频率跃变的实现对于车载应用而言因而需要使用高频微处理器或实时逻辑元件，例如FPGA(现场可编程门阵列)或AS1C(专用集成电路)。

图4示出了提供射频电源控制信号V1的控制模块的根据本发明的频率控制装置的示例性实施例。该控制装置因而适于更改电源控制信号的频率，即从初始控制频率到新控制频率，从而更改与控制信号同步的谐振器的激励信号的频率。这样，在施加激励信号的整个时期内，控制信号与谐振器激励信号的振荡保持同相。

根据图4的例子，所述控制装置包括压控振荡器VCO 40，其输出端连接到控制模块30以提供控制信号V1，并且因此控制输入端41连接到控制电压源50，该控制电压源适于通过调制适于控制在晶体管M栅极上提供的控制信号的频率更改的控制电压来操纵VCO。

因此，根据本发明的射频火花塞的火花发展的优化需要通过在火花塞的激励序列内部实时地控制频率更改，来成功地重新校准电源系统的一部分失谐，同时遵守该更改与控制信号同步这一条件。

这种实时同步频率控制模式可以扩展到使用LC或RLC谐振系统的任何类型的应用，该谐振系统的本征参数在任何物理效应(例如制造火花)下随时间演变，这因而改变了其初始谐振频率f₀(增大或减小)。

在这些条件下，按照上面针对具有等离子生成的机动车辆点火应用所进行的描述，谐振系统激励频率的更改应当在控制信号向新控制频率值切换的时期t_b内被同步，以限定新的激励频率。

新的激励频率还应当在f₀到f₀+/-(Δf/2)(根据谐振频率是增大还是降低)的取值范围内，Δf对应于谐振系统的通带。

谐振系统的谐振频率更改可以通过测量谐振系统的特征量来实时地检测，例如品质因数。只要检测到谐振频率的变化大于通带Δf的10％，就应当优选地执行系统激励频率的更改。

Claims (8)

1.一种射频等离子生成设备，包括：

-控制模块（30），其在控制频率上生成控制信号（V1），

-电源电路（20），其包括由所述控制信号控制的断路器（M），该断路器将激励信号（V2）施加于具有由所述控制信号所限定的频率的所述电源电路的输出端，

-谐振器（10），其呈现大于1MHz的频率，连接到所述电源电路的输出端并且适于生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压（U(t)），

所述射频等离子生成设备包括用于所述控制模块（30）的控制装置（40、50），该控制装置适于在施加所述激励信号期间以与所述控制信号同步的方式更改所述谐振器的激励信号的频率，

所述控制装置适于控制所述控制信号从第一频率值（f₀）到小于该第一频率值的第二频率值（f₁）的至少一个频率跃变，

其特征在于，所述控制装置适于控制所述控制信号向所述第二频率值的切换持续时间（t_b），该切换持续时间是在所述第一频率值处的所述控制信号的半周期持续时间的80%到120%之间。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一频率值基本上等于所述谐振器在没有火花时的谐振频率。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第二频率值的取值范围是在f₀到f₀-(Δf/2)之间，f₀等于所述谐振器在没有火花时的谐振频率并且Δf对应于所述谐振器的通带。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制装置适于在由所述谐振器生成的电压信号（U(t)）的瞬态阶段中控制所述控制信号的频率跃变，该瞬态阶段是在所述电压信号的稳态阶段之前。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制装置适于基本上火花形成的时刻控制所述控制信号的频率跃变。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制模块的控制装置包括压控振荡器（40）和用于调制所述振荡器的控制电压的装置（50）。

7.一种内燃机，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1至6中任一项的等离子生成设备。

8.一种用于控制内燃机的射频点火的电源的方法，其中，激励信号（V2）作为输入而被施加于具有由控制信号（V1）限定的第一频率的谐振器（10），所述谐振器呈现出大于1MHz的谐振频率并且能够生成用于在其被所述激励信号激励时产生火花的电压（U(t)），该方法包括以与所述控制信号同步的方式在施加所述激励信号期间更改该激励信号的频率，以及控制所述控制信号从第一频率值（f₀）向小于该第一频率值的第二频率值（f₁）的至少一个频率跃变，其特征在于，该方法还包括控制所述控制信号向所述第二频率值的切换持续时间（t_b），该切换持续时间是在所述第一频率值处的所述控制信号的半周期持续时间的80%到120%之间。

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