CN104584684B - 用于电感加热燃料喷射阀门的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电感加热燃料喷射阀门的电路装置，具有：喷射阀门的加热器线圈（LH），所述加热器线圈（LH）的接线端子形成第一连接节点（1）和第二连接节点（2）；电容器（C），其与加热器线圈（LH）并联；第一电感（L1），其接线在供电电压的正极（Vbat）与第一连接节点（1）之间；第二电感（L2），其接线在供电电压的正极（Vbat）与第二连接节点（2）之间；第一可控开关元件（T1），其接线在第一连接节点（1）与供电电压的负极（GND）之间；第二可控开关元件（T2），其接线在第二连接节点（2）与供电电压的负极（GND）之间；以及控制单元（ST），其与可控开关元件（T1，T2）的控制输入端连接并且被设立为在相应开关元件（T1，T2）与其连接的相应连接节点（1，2）处的电压变为0伏时给所述控制输入端施加相应接通电平以及根据预先给定的加热功率测定相应开关元件（T1，T2）的接通时长。

Description

用于电感加热燃料喷射阀门的电路装置

技术领域

本发明涉及用于电感加热燃料喷射阀门的电路装置，具有：喷射阀门的加热器线圈，该加热器线圈的接线端子形成第一和第二连接节点；电容器，其与加热器线圈并联；第一电感，其接线在供电电压的正极与第一连接节点之间；第二电感，其接线在供电电压的正极与第二连接节点之间；第一可控开关元件，其接线在第一连接节点与供电电压的负极之间；以及第二可控开关元件，其接线在第二连接节点与供电电压的负极之间。

背景技术

这样的电路装置在未在先公开的DE102011085085.6中予以了描述。在那里的谐振功率发送级的情况下，开关元件的控制输入端分别通过在流向上极化的二极管与连接节点连接，所述连接节点通过相应另一开关元件与供电电压的负极连接。由此实现的是，在由加热器线圈和电容器构成的并联振荡回路的循环振荡过程（Umschwingvorgang）以后，在分配给要接通的开关元件的连接节点处的电压为大致0伏时,该开关元件被接通并且相应另一开关元件被关断。由此实现的是，开关元件中的损耗非常小，并且谐振功率发送级具有高的效率。

但是在此不利的是，输出的加热器功率随着供电电压增加而平方式地升高。在机动车辆中，供电从车载电源实现，其中在冷的电池和静止的内燃机情况下的12伏的标称车载电源电压可在负载的情况下下降直到9伏，以及可出现高达16伏的最大电压。如果例如在9伏供电电压的情况下将加热器绕组和谐振频率设计为200瓦，则加热器功率在16伏时相应地为620瓦。为了借助调节借助于燃料中的温度来遵守燃料中的特定的预先给定的温度，功率调节可以通过接通或关断末级来进行。这在考虑到加热元件和被加热燃料的比较大的热时间常数的情况下是可接受的，但是末级的功率构件必须根据显著更高的输出功率来设计。该过大尺寸不利地导致功率电子器件的高成本。

发明内容

因此，本发明的任务是避免所述缺点。

该任务通过根据权利要求1所述的用于电感加热燃料喷射阀门的电路装置来解决。有利的改进方案在从属权利要求中加以说明。

以根据本发明的方式，电路装置具有控制单元，该控制单元与可控开关元件的控制输入端连接并且被设立为在相应开关元件与其连接的相应连接节点处的电压变为0伏时给所述控制输入端施加相应的接通电平，并且根据预先给定的加热功率测定相应开关元件的接通时长。

通过省去将开关元件交叉耦合的二极管，防止了谐振的循环振荡，并且替代地由于通过控制单元进行的外部控制而通过有针对性地接通和关断开关元件来激活谐振电路的循环振荡。通过根据本发明外部控制开关元件，可以从最小值出发在宽范围中提高加热器功率。如果加热器功率被设计为例如在16伏供电电压下为200瓦，则加热器功率可以在低至9伏的情况下恒定地保持在200瓦。

以有利的方式，外部控制借助于两个开关元件的两个反相的操控信号来进行，其中关断时长对应于由电路装置形成的振荡电路的循环振荡时长。在此，谐振频率由电容器的电容、加热器线圈的电感、有效加热器电阻和第一和第二电感来确定。而接通时长以根据本发明的方式根据供电电压的当前值来确定。在例如16伏的最大电压的情况下，所述接通时长对应于关断时长，使得外部控制的信号具有50％占空比。在此，频率对应于上述振荡电路的谐振频率。在此，开关元件的控制周期时长通过接通和关断时长之和得出。

在本发明的一个有利的构造方式中，控制单元被设立为在第二开关元件的半个控制周期时长期满的时刻生成第一开关元件的接通电平并且反之亦然。通过该推挽操控，实现了供电电流的电流波纹的减小。

通过根据本发明地外部控制电路装置，可以随着供电电压降低而在关断时长不变的情况下提高接通时长。

由此，第一和第二电感被充电到较高的电流值，使得在谐振的循环振荡过程中在下面的关断阶段期间将更多能量传输到谐振电路中并因此传输到加热器电感中。因此，以根据本发明的方式，可以通过延长接通阶段来在宽范围中提高加热器功率。在此，保持了高效率所需的谐振循环过程，因为在相应开关元件与其连接的相应连接节点处的电压变为0伏时才给开关元件施加接通电平。

在电路装置的一个有利的改进方案中，在供电电压的正极与第一和第二电感的连接点之间布置第三可控开关元件，利用该第三可控开关元件可以断开连接节点到供电电压的正极的电连接。由此，可以以有利的方式防止：在用来将加热器线圈与连接点连接的线路之一短路的情况下，由于第一和第二电感而可能对地导致高电流。如果探测到这样的短路，可以通过操控第三开关元件来中断进一步的电流。

在根据本发明的电路装置的另一改进方案中，在第一和第二电感的连接点与供电电压的负极之间布置第一二极管作为电感的空转二极管。该二极管用于在正常运行中在中断第一和第二开关元件的供电的情况下实现电感的去磁化。

在电路装置的另一改进方案中，在供电电压的正极与第一和第二电感的连接点之间将具有衬底二极管的场效应晶体管布置为使得衬底二极管在导通方向上极化。由此实现极性变化保护。也就是说，在不经意地交换电池端子的情况下产生从地经过第一和第二开关装置（如果它们实现为功率场效应晶体管）的衬底二极管以及第一和第二电感朝向由此是负的电池电位的电流路径。在此，出现的高电流也将肯定会损坏电子构件。但是由于在正常情况下极性变化的场效应晶体管的衬底二极管现在截止，因此该电流肯定被中断并且损害被避免。

在根据本发明的电路装置的一个改进方案中，在供电电压的正极与第一电感之间布置第四可控开关元件并且在供电电压的正极与第二电感之间布置第五可控开关元件。此外，分别在截止方向上在第四开关元件的连接点与供电电压的负极之间布置第二二极管并且在第五开关元件的连接点与供电电压的负极之间布置第三二极管。控制单元与第四和第五开关元件的控制输入端连接，并且被设立为在预先给定的时刻根据要向加热器线圈传输的功率给所述第四和第五开关施加相应的关断电平。

第四和第五可控开关元件与第二和第三二极管和第一和第二电感一起分别形成降压调节器。由此，在合适的操控情况下，可以将对第一和第二开关装置可用的有效供电电压从最大电压下降直到0伏。由此，相应地可以将加热器功率从由供电电压预先给定的最大值下降直到近似0瓦。在此，第四和第五开关元件的控制输入端处的信号优选地具有相同的频率，并且还具有相同的占空比，但是其相位位移180度，以便将供电电流的电流波纹保持得小。与第一和第二开关元件的外部控制信号的同步也是合理的。

在前述电路装置的另一有利的改进方案中，在供电电压的正极与第四和第五开关元件的连接点之间布置具有衬底二极管的场效应晶体管，使得衬底二极管在导通方向上极化，以便在此也设置极性变化保护。

附图说明

下面将借助于附图根据实施例进一步阐述本发明。在此，

图1示出了根据本发明的电路装置的第一原理图，

图2示出了根据图1的电路装置的一个有利的改进方案，

图3示出了根据本发明的电路装置的第二实施例，

图4示出了根据本发明的具有控制信号的占空比为50%的电路装置的信号变化曲线；以及

图5示出了相同信号在较小占空比情况下的变化曲线。

具体实施方式

在图1中，在用于电感加热燃料喷射阀门的电路装置中，在供电电压的正极Vbat与负极GND之间接线有第一串联电路和第二串联电路，该第一串联电路由第一电感L1和被构造成n沟道场效应晶体管的第一开关装置T1构成，该第二串联电路由第二电感L2和同样被构造成n沟道场效应晶体管的第二开关元件T2构成。第一电感L1与第一开关装置T1以及第二电感L2与第二开关装置T2之间的连接点被表示为第一或第二连接节点1、2。

第一和第二连接节点1、2之间一方面接线有电容器C并且另一方面接线有加热器线圈L，与该加热器线圈L串联有用于表示有效损耗的欧姆电阻R。第一和第二开关装置T1、T2的控制接线端子与示意性示出的控制单元ST连接，这通过要从控制单元ST到开关装置传送的控制信号S1和S2来标示。

在图4和图5中针对控制信号S1、S2的不同时间流程示出了第一和第二开关装置T1、T2的控制输入端处的控制信号以及连接节点1和2处的由此得出的电压电平。如果第一控制信号S1通过合适的接通电平（其在图4和5的所示示例中在第一开关装置T1的所选n沟道场效应晶体管的情况下为高电平），则第一开关装置T1被切换为导通，并且同时第二开关装置T2通过互补信号电平（其在所示示例中为低电平）被关断。由此，电容器C可以通过第二电感L2被充电，使得第二连接节点2处的电压U2如可从图4中看出地那样上升。在第二连接节点2处的电压U2已经达到其最大值以后，电容器C通过加热器线圈LH放电，使得其中装入有加热器线圈LH的燃料喷射阀门以及因此还有其中包含的燃料升温。

在电容器C已经放电并且因此第二连接节点2处的电压达到0伏的时刻（这例如可以通过与第二开关装置T2串联的合适分流电阻来确定），第一开关装置T1通过相应的低电平被关断并且第二开关装置T2通过与之互补的加热电平被接通。该时刻时的切换实现了具有高效率的运行，因为通过这种方式仅仅消散了开关装置T1、T2中的少量能量。由于该切换，电容器C现在通过第一电感L1充电，使得第一连接节点1处的电压U1升高，直到其在达到最大值以后再次下降，因为电容器C又通过加热器线圈LH放电。在第一连接节点1处的电压又达到零伏以后，开关装置T1、T2通过相应的接通和关断电平再次被接通或关断。只要应当被加热，该过程就周期性地继续。图4中所示的循环振荡过程的时长是由开关装置的谐振频率——尤其是电容器C、加热器线圈LH以及有效加热电阻RL和第一和第二电感L1、L2的值——确定的。

在具有50％占空比并且反相的控制信号S1、S2的所示示例中，该流程对应于谐振的循环振荡，该循环振荡如通过经由开关装置T1、T2的二极管的交叉耦合而从现有技术中已知。

但是现在通过根据本发明地主动操控开关装置T1、T2可能的是，根据图5延长相应开关装置T1、T2的接通阶段，使得在两个开关装置T1、T2被激活的时间期间可以将附加的能量存储在第一或第二电感L1、L2中，所述电感在开关装置T1或T2的关断阶段期间进行的循环振荡过程期间导致到加热器线圈LH的提高的能量传输，这在图5中可以从连接节点1或2处的较高的电压U1、U2看出。

在图5中，控制信号S1和S2被选择为反相的，这导致由电容器C和加热器线圈LH构成的反谐振电路中的均匀的循环振荡。由此，实现了由供电电压Vbat提供的电流中的波纹的减小。

如果控制信号S1和S2的根据图4的信号形状在最大供电电压Vbat的情况下被选择，则可以通过延长开关装置T1、T2的接通阶段来实现要传输到加热器线圈LH中的功率的提高，使得通过根据本发明地操控根据本发明的电路装置可能的是，在小供电电压Vbat的情况下将要传输的功率保持恒定。

图2示出了将根据图1的电路装置扩展第三开关装置T3，该第三开关装置T3布置在供电电压Vbat的正极与第一和第二电感L1、L2的连接点之间。由此可能的是，借助于控制单元ST和合适的信号“开/关”来激活或去激活电路装置。这是必需的，因为否则在到加热器线圈LH的连接线路短路的情况下可能从连接节点1或2对地通过电感L1或L2流动高电流并且由此可能损坏部分电子器件。这可以通过探测这样的短路以及接着去激活电路装置来防止。

此外，在图2中示出了与第三开关装置T3串联、被实施成具有本征（未示出）二极管的p沟道场效应晶体管的第六开关装置T6，该第六开关装置T6被“极性变化地”接线，使得在关断状态下在电池极性变化和接线端子Vbat处的相应负电势的情况下没有电流能够流经第一和第二电感L1、L2以及同样具有衬底二极管的第一和第二开关装置T1、T2。以有利的方式，第三和第六开关装置T3、T6的控制接线端子彼此连接，使得它们可以共同地被接通和关断。

为了在正常运行中、也即当在两个开关装置T1、T2之一被接通时在借助于第三开关装置T3去激活的情况下能够实现存储在第一和第二电感L1、L2中的磁场的减小，在第一和第二电感L1、L2的连接点与供电电压的负极GND之间在截止方向上布置第一二极管D1。该第一二极管针对这种情况充当第一和第二电感L1、L2的空转二极管。

在图3中示出了对根据图1的电路装置的根据本发明的扩展。在那里，第一电感L1一方面与第一连接节点1连接并且另一方面通过在截止方向上极化的第二二极管D2与供电电压的负极GND连接并且通过在所示示例中被构造成p沟道场效应晶体管的可控的第四开关装置T4与供电电压的正电势Vbat连接。以相同方式，第二电感L2一方面与第二连接节点2连接并且另一方面通过在截止方向上极化的第三二极管D3与供电电压的负极连接，并且通过同样被构造成p沟道场效应晶体管的第五开关装置T5与供电电压的正极Vbat连接。第四和第五开关装置T4、T5的控制输入端被控制单元ST施加控制信号S3、S4。这在图3中示意性地通过相应符号来示出。在第四和第五开关装置T4、T5的连接点与供电电压的正极Vbat之间以与在图2的实施例中相同的方式“极性变化地”“接线”有p沟道场效应晶体管T6作为极性变化保护，使得所述p沟道场效应晶体管T6在关断状态下在供电电压极性变化的情况下将会截止并且电路装置的运行会是不可能的。所述p沟道场效应晶体管T6的控制接线端子与控制单元ST连接，以便被施加信号S5。

一方面第四开关装置T4、第二二极管D2和第一电感L1以及另一方面第五开关装置T5、第三二极管D3和第二电感L2形成第一或第二降压变换器，通过所述降压变换器可以通过其控制输入端处的合适控制信号S3和S4实现输送给开关装置的功率的减小，以便能够通过这种方式附加地影响输送给加热器线圈LH的能量。控制信号S3和S4优选地具有相同的频率，并且还具有相同的占空比，但是其相位位移180度，以便将来自供电电压源的电流的电流波纹保持得小。与第一和第二开关装置T1、T2的控制信号S1和S2的同步也是合理的。

如果两个控制信号S3和S4在图3中所选择的p沟道场效应晶体管的情况下具有低电平，使得晶体管被接通，则有供电电压可用并且加热功率可以达到最大值。如果两个控制信号S3和S4具有高电平，则被构造成p沟道场效应晶体管的第四和第五开关装置T4、T5被静态地关断并且加热器功率为零。除此之外，因此可以在没有附加成本的情况下实现对地的短路保护。通过在合适时刻适当地关断第四和第五开关装置T4、T5，可以以预先给定的方式影响加热器功率以及供电电流中的电流波纹。

Claims (7)

1.用于电感加热燃料喷射阀门的电路装置，

具有喷射阀门的加热器线圈，所述加热器线圈的接线端子形成第一连接节点（1）和第二连接节点（2）,

具有电容器（C），其与加热器线圈并联，

具有第一电感（L1），其接线在供电电压的正极（Vbat）与第一连接节点（1）之间，

具有第二电感（L2），其接线在供电电压的正极（Vbat）与第二连接节点（2）之间，

具有第一可控开关元件（T1），其接线在第一连接节点（1）与供电电压的负极（GND）之间，

具有第二可控开关元件（T2），其接线在第二连接节点（2）与供电电压的负极（GND）之间，以及

具有控制单元（ST），其与可控开关元件（T1，T2）的控制输入端连接并且被设立为

在相应开关元件（T1，T2）与其连接的相应连接节点（1，2）处的电压变为0伏时给所述控制输入端施加相应的接通电平，以及

根据预先给定的加热功率测定相应开关元件（T1，T2）的接通时长。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，开关元件（T1，T2）的关断时长通过电路装置的谐振振荡的周期时长来确定，

开关元件（T1，T2）的控制周期时长通过接通和关断时长之和得出，以及

控制单元（ST）被设立为在第二开关元件（T2）的半个控制周期时长期满的时刻生成第一开关元件（T1）的接通电平并且反之在第一开关元件（T1）的半个控制周期时长期满的时刻生成第二开关元件（T2）的接通电平。

3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，在供电电压的正极（Vbat）与第一和第二电感（L1，L2）的连接点之间布置第三可控开关元件（T3），利用所述第三可控开关元件（T3）能够中断连接节点（1，2）到供电电压的正极（Vbat）的电连接。

4.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，在第一和第二电感（L1，L2）的连接点与供电电压的负极（GND）之间布置第一二极管（D1）。

5.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，在供电电压的正极（Vbat）与第一和第二电感（L1，L2）的连接点之间布置具有衬底二极管（T6）的场效应晶体管，使得所述衬底二极管在导通方向上极化。

6.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，

在供电电压的正极（Vbat）与第一电感（L1）之间布置第四可控开关元件（T4）并且在供电电压的正极（Vbat）与第二电感（L2）之间布置第五可控开关元件（T5），

在截止方向上分别在第四可控开关元件（T4）的连接点与供电电压的负极（GND）之间布置第二二极管（D2）并且在第五可控开关元件（T5）的连接点与供电电压的负极（GND）之间布置第三二极管（D3），以及

控制单元（ST）与第四和第五可控开关元件（T4，T5）的控制输入端连接，并且被设立为

在预先给定的时刻根据要传输到加热器线圈的功率给所述控制输入端施加相应的关断电平。

7.根据权利要求6所述的电路装置，其特征在于，在供电电压的正极（Vbat）与第四可控开关元件（T4）和第五可控开关元件（T5）的连接点之间布置具有衬底二极管（T6）的场效应晶体管，使得所述衬底二极管在导通方向上极化。