CN104819062B - 喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块，包括与微控制器脉冲信号输出端连接的场效应管驱动芯片，场效应管驱动芯片的高、低边脉冲驱动信号输出端分别与对应的高、低边功率场效应管栅极电阻连接；高边功率场效应管漏极与高压电源连接，高压电源通过分压电阻与自举二极管正极连接，自举二极管负极与场效应管驱动芯片高电位输出端连接；低边功率场效应管的漏极与二极管正极连接，二极管负极与高压电源连接；喷油器电磁阀线圈连接于高边功率场效应管源极与低边功率场效应管漏极之间；自举电容正极与自举二极管负极连接。本发明优点在于通过改变PWM保持波的占空比，以达到最优的能量利用效果。

Description

喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块

技术领域

本发明涉及发动机喷油器驱动电路模块，尤其是涉及喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块。

背景技术

发动机喷油器是按规定的喷油时刻、喷油规律及喷油量将燃油在一定的温度和压力下喷入燃烧室的装置，其工作性能的优劣直接影响到燃油的雾化燃烧效率，进而影响发动机包括排放性、动力性、经济性在内的多种性能指标。

电控喷油器的核心部件是电磁阀，在电磁感应的作用下产生磁场，喷油器内部衔铁受到磁场力的作用，当衔铁受到的磁场力大于预紧弹簧的预紧力时带动针阀上移，此时喷油嘴打开燃油喷出；当喷油器断电后，针阀失去电磁力的作用，或者喷油器内部电磁线圈通过的电流减小到产生的磁场力不足以克服预紧弹簧的预紧力时，针阀在弹簧预紧力的作用下下移，喷油嘴关闭，喷油停止。

喷油器工作过程中电磁阀高速开闭，为满足其动态响应特性，理想的喷油器驱动电路采用峰值和保持驱动方式（Peak & Hold）。峰值和保持驱动方式可以通过不同的驱动电路来实现。如图2所示（图2中，If为峰值电流，Iw为保持电流），为峰值和保持驱动方式的驱动电流I随时间t变化的示意图，由图2可见，喷油器工作过程可分为三个阶段，依次为：开启阶段、保持阶段、关闭阶段。

开启阶段：采用较高的驱动电压使电磁线圈有较大的电流通过，从而产生较大的电磁力保证电磁阀快速开启。

保持阶段：当喷油器电磁阀完全打开后，磁路气隙减小，磁阻降低，较小的电流就可以维持喷油器电磁阀处于打开状态，而过高的电流会导致发热并烧毁喷油器。因此，需要将驱动电压降低以减小驱动电流，在保持阶段应尽量保证电流平稳，电流的较大波动可能会使电磁阀关闭。

关闭阶段：此阶段应该迅速释放电磁线圈内的电势能，从而将电磁线圈内电流降为0，使得电磁阀快速关闭，达到精确控制喷油器的目的。

值得注意的是，在开启阶段向保持阶段过度中，电流变化应尽量缓慢，否则有可能关闭电磁阀；在关闭阶段，电磁线圈内电流下降越快越好，以保证电磁阀迅速关闭，提高喷油器控制精度。

因此，电控喷油器的性能很大程度上取决于驱动电路的性能。目前的电控喷油器驱动电路存在以下不足之处：1、无法实现喷油器电磁阀的快速放电（10微秒以下），使得喷油器响应不及时，控制精度低；2、喷油器电磁阀能量以电阻发热的形式释放掉，造成能量不必要的浪费和放电电阻易发热烧毁从而造成驱动电路的损坏。

发明内容

本发明目的在于提供一种喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块，以实现电控喷油器的快速开启及关闭，并实现对电磁阀放电过程中电能的回收。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块，包括与微控制器脉冲信号输出端连接的MOS场效应管驱动芯片，所述MOS场效应管驱动芯片的高边脉冲驱动信号输出端HO与对应的高边功率场效应管Q1的栅极电阻R4连接，所述MOS场效应管驱动芯片的低边脉冲驱动信号输出端LO与对应的低边功率场效应管Q2的栅极电阻R3连接；所述高边功率场效应管Q1的漏极与高压电源UH连接，所述高压电源UH通过分压电阻R1与自举二极管D1正极连接，所述自举二极管D1负极与MOS场效应管驱动芯片的高电位输出端Vb连接；所述低边功率场效应管Q2的漏极与二极管D4正极连接，所述二极管D4负极与高压电源UH连接，低边功率场效应管Q2的源极经采样电阻R5接电源地；所述喷油器的电磁阀线圈L连接于高边功率场效应管Q1的源极与低边功率场效应管Q2的漏极之间；MOS场效应管驱动芯片的低电位输出端Vs与自举电容C1负极、二极管D2正极、二极管D3负极和高边功率场效应管Q1的源极连接，所述自举电容C1正极与自举二极管D1负极连接，所述二极管D2负极与高边功率场效应管Q1栅极连接，所述二极管D3正极与低压电源UL连接。

所述低边功率场效应管Q2的源极通过放大电路、比较电路与微控制器采样信号输入端连接。

本发明优点在于采用PWM（即：Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制）驱动方式对喷油器电磁阀进行驱动，其驱动信号如图3所示，驱动信号采用由主脉宽、零脉宽和PWM保持波组成，主脉宽使电磁线圈电流迅速达到25A而使喷油器电磁阀快速吸合，PWM保持波使喷油器电磁阀线圈工作于足以维持电磁阀开启的较小电流，零脉宽根据电流从峰值电流下降到维持电流的过渡时间确定(一般为20us)，通过改变PWM保持波的占空比，可以灵活调节喷油器电磁阀线圈的维持电流，以达到最优的能量利用效果。同时，本发明驱动电路简单，电磁阀线圈上电及时放电迅速使喷油迅速开启闭合实现了喷油量的精确控制，在零脉宽阶段电磁阀线圈电流迅速下降实现了小电流的精确控制，同时在放电期间不断地对高压电源充电，节约了电能。

附图说明

图1是本发明的电路原理结构示意图。

图2是本发明所述峰值和保持驱动方式的驱动电流I随时间t变化的波形图。

图3是本发明所述高边脉冲驱动信号Gm和低边脉冲驱动信号Dm的逻辑时序波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块，包括与微控制器U1（MCF5233：其内部嵌有eTPU；eTPU为自带处理器内核和单独存储器的可编程I/O端口控制器。）脉冲信号输出端连接的MOS场效应管驱动芯片U2（IR2101S），MOS场效应管驱动芯片U2的高边脉冲驱动信号输出端HO、低边脉冲驱动信号输出端LO分别与对应的高边功率场效应管Q1（IRF3415S）、低边功率场效应管Q2（IRF3415S）的栅极电阻R4、R3连接；高边功率场效应管Q1的漏极与高压电源UH（直流48伏）连接，高压电源UH通过分压电阻R1与自举二极管D1正极连接，自举二极管D1负极与MOS场效应管驱动芯片U2的高电位输出端Vb连接；低边功率场效应管Q2的漏极与二极管D4正极连接，二极管D4负极与高压电源UH连接，低边功率场效应管Q2的源极经采样电阻R5接电源地，并通过放大电路、比较电路与微控制器U1采样信号输入端连接；喷油器的电磁阀线圈L连接于高边功率场效应管Q1的源极与低边功率场效应管Q2的漏极之间；MOS场效应管驱动芯片U2的低电位输出端Vs与自举电容C1负极、二极管D2正极、二极管D3负极和高边功率场效应管Q1的源极连接，自举电容C1正极与自举二极管D1负极连接，二极管D2负极与高边功率场效应管Q1栅极连接，二极管D3正极与低压电源UL（直流24伏）连接。

本发明电路原理简述如下：

如图1所示，高压电源UH为直流48V，低压电源UL为直流24伏，由高压电源UH分压后得到。在喷油器不喷油时，即MOS场效应管驱动芯片U2的HIN端和LIN端输入为低电平时，MOS场效应管驱动芯片U2的低电位输出端Vs的电压是24V而高电位输出端Vb是36V，此时，36V经自举二极管D1给自举电容C1充电到36V，这时自举电容C1等效于一个电压源。

当喷油时，MOS场效应管驱动芯片U2的HIN端和LIN端输入如图3所示的驱动信号逻辑时序波，MOS场效应管驱动芯片U2 HIN端的输入控制信号经高压电平位移后转换为浮置电位的高边脉冲驱动信号，经高边脉冲驱动信号输出端HO输出；由于MOS场效应管的一个重要特点就是电容输入特性，也就是通过提供一定电荷给栅极（也即栅极和源极维持一定电势差）而导通，而不是通过连续电流导通。此时，自举电容C1上的电荷经电阻R1给高边功率场效应管Q1提供栅电荷，则高边功率场效应管Q1导通，导通后高边功率场效应管Q1的源级电压等于漏极电压，也即Vs=48V，二极管D2截止，由于自举电容C1两端的电压不能突变，因此Vb端的电位突升为48V+12V=60V，自举二极管D1截止。自举电容C1作为一个浮动的电源继续驱动高边功率场效应管Q1，当高边脉冲驱动信号结束后，高边功率场效应管Q1的栅极电荷经电阻R4释放而关闭，低压电源UL经自举二极管D1给自举电容C1充电，迅速给自举电容C1补充电荷。这种自举供电方式就是利用MOS场效应管驱动芯片U2的低电位输出端Vs的电平在高、低电平之间不停地浮动来实现的。

MOS场效应管驱动芯片U2 的LIN端输入控制信号时，经MOS场效应管驱动芯片U2内部的施密特触发器、或非门和反向器后输入到MOS场效应管驱动芯片U2的低边脉冲驱动信号输出端LO，驱动低边功率场效应管Q2的栅极。当低边脉冲驱动信号输出端LO为高电平时，电阻R3给低边功率场效应管Q2提供栅电荷，驱动低边功率场效应管Q2导通，保持喷油器打开状态继续喷油；当低边脉冲驱动信号输出端LO为低电平和低边脉冲驱动信号结束后，低边功率场效应管Q2栅电荷经经电阻R3释放而关闭，完成一次喷油。

本发明工作原理简述如下：

脉冲宽度调制（PWM）驱动信号逻辑时序波形图如图3所示（图3中：Tm为主脉冲宽度；Ti为零脉宽，即主脉冲与PWM保持波的间隔时间；Tp为PWM保持波持续时间；k为PWM保持波持波的频率；f为PWM保持波的占空比），当喷油器开始喷油时，如图1所示，高、低边脉冲驱动信号同时输出高电平，经信号调理电路使高、低边功率场效应管Q1、Q2的漏源极都导通，高压电源UH电流经高边功率场效应管Q1、电磁阀线圈L和低边功率场效应管Q2接地构成上电回路，电磁阀线圈L中的电流迅速上升，形成电磁力，吸合电磁阀衔铁打开喷孔，喷油器射出高压柴油。由于当电磁阀衔铁吸合后，只需要较小的电流即可维持电磁阀衔铁吸合，经过Tm时间，高、低边脉冲驱动信号同时输出为零使高、低边功率场效应管Q1、Q2漏源极断开，电磁阀线圈L产生的自感电动势正极通过低压电源UL经二极管D2正向导通钳位,因此避免了对MOS场效应管驱动芯片U2低电位输出端Vs引脚负过冲造成芯片损坏；自感电动势负极经二极管D4导通，通过高压电源UH钳位避免了正过冲对低边功率场效应管Q2造成损坏；同时经低压电源UL、二极管D2、电磁阀线圈L、二极管D4和高压电源UH构成放电回路，电磁阀线圈L中的电磁能对高压电源UH迅速放电而使电磁阀线圈L中的电流迅速降低。经过Ti时间周期（零脉宽），电磁阀线圈L中的电流下降到保持电流时，低边脉冲驱动信号再次输出高电平使低边功率场效应管Q2导通，低压电源UL经二极管D2、电磁阀线圈L和低边功率场效应管Q2接地形成充电回路使电磁阀线圈L逐渐上升，经过Tp（k,f）时间，低边脉冲驱动信号再次输出低电平使低边功率场效应管Q2的漏源极断开，电磁阀线圈L产生自感电动势再次经二极管D4向高压电源UH充电；如此反复，以Tp（k,f）周期和占空比，低边脉冲驱动信号不断的进行高、低电平切换，从而在上电期间使电磁阀线圈L电流上升使喷油器电磁线圈L的电流维持在保持电流，并在放电期间产生的自感电动势向高压电源UH充电，直至持续到保持波Tp时间结束。

Claims (2)

1.一种喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块，其特征在于：包括与微控制器脉冲信号输出端连接的MOS场效应管驱动芯片，所述MOS场效应管驱动芯片的高边脉冲驱动信号输出端HO与对应的高边功率场效应管Q1的栅极电阻R4连接，所述MOS场效应管驱动芯片的低边脉冲驱动信号输出端LO与对应的低边功率场效应管Q2的栅极电阻R3连接；所述高边功率场效应管Q1的漏极与高压电源UH连接，所述高压电源UH通过分压电阻R1与自举二极管D1正极连接，所述自举二极管D1负极与MOS场效应管驱动芯片的高电位输出端Vb连接；所述低边功率场效应管Q2的漏极与二极管D4正极连接，所述二极管D4负极与高压电源UH连接，低边功率场效应管Q2的源极经采样电阻R5接电源地；所述喷油器的电磁阀线圈L连接于高边功率场效应管Q1的源极与低边功率场效应管Q2的漏极之间；MOS场效应管驱动芯片的低电位输出端Vs与自举电容C1负极、二极管D2正极、二极管D3负极和高边功率场效应管Q1的源极连接，所述自举电容C1正极与自举二极管D1负极连接，所述二极管D2负极与高边功率场效应管Q1栅极连接，所述二极管D3正极与低压电源UL连接。

2.根据权利要求1所述的喷油器双电源双边驱动钳压续流电路模块，其特征在于：所述低边功率场效应管Q2的源极通过放大电路、比较电路与微控制器采样信号输入端连接。