CN109964026A - 带自调功率放大器的电晕点火器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于电晕点火系统的功率放大器电路。该电路包括连接到RF变压器的次级绕组的一端的电感和电容。次级绕组的另一端连接到接地的电流传感器。变压器还有初级绕组,其一端连接到电源,并且另一端连接到一对开关。这些绕组缠绕在磁芯上。从直流电压源流到开关的电流会在磁芯中产生磁通量。通过流过点火器的电流在次级绕组上产生电压。该电压反馈到开关,控制开/关的定时,当进入或离开点火器的电流为零时,电压被提供给电晕点火器或从点火器拉出。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月8日提交的美国部分继续专利申请(序列号)No.15/230,927的权益,该美国申请的内容借此通过引用结合于本申请中。
发明背景
1.技术领域
本发明一般涉及用于点燃汽车应用等中的空气/燃料混合物的点火器,尤其涉及用于电晕点火系统的自调(self-tuning)功率放大器。
2.相关技术
美国专利6883507公开了一种用于电晕放电空气/燃料点火系统的点火器。根据用于启动燃烧的一示例性方法,将电极充电至高射频(“RF”)电压电势,以在燃烧室中产生强RF电场。强电场又使燃烧室中的一部分燃料-空气混合物电离。使燃料-空气气体电离的过程可以是介电击穿的开始。但是可以动态地控制电场,使得介电击穿不会进入电子雪崩的水平,这样的电子雪崩将导致形成等离子体并且电弧从电极撞击到接地的气缸壁或活塞。电场保持在仅一部分燃料-空气气体被电离的水平–这一部分不足以产生先前描述的产生等离子体的电子雪崩链反应。但是,电场保持足够强,以便发生电晕放电。在电晕放电中,电极上的一些电荷通过作为小电流通过气体传递到地面,或通过电离从电离的燃料-空气混合物释放或吸收到电极中而消散,但是电流与电弧放电相比,电极上的电压电势非常小并且电极电压保持很高。足够强的电场引起一部分燃料-空气混合物的电离,以促进燃烧反应。离子化的燃料-空气混合物形成火焰前锋,然后火焰前锋自我维持并燃烧剩余的燃料-空气混合物。
图1示出了电容耦合的RF电晕放电点火系统。该系统被称为“电容耦合”,因为电极40不延伸出将直接暴露于燃料-空气混合物的馈通绝缘体71b的周围介电材料之外。而是,电极40保持被馈通绝缘体71b遮盖,并且取决于穿过部分馈通绝缘体的电极的电场而在燃烧室50中产生电场。
图2是根据本发明一示例性实施例的控制电子设备和初级线圈单元60的功能框图。如图2所示,控制电子设备和初级线圈单元60包括中心抽头(center tapped)的主RF变压器20,其经由线路62接收例如来自DC电源的150伏的电压。提供高功率开关72,以便在期望频率(例如,高压电路30的谐振频率)下在两个相、即A相和B相之间切换施加到变压器20的功率(参见图1)。150伏直流电源还连接到用于控制电子设备和初级线圈单元60中的控制电路的电源74。控制电路电源74通常包括降压变压器,以将150伏直流电源降低到控制电子设备可接受的水平,例如5-12伏。根据本发明的一示例性实施例,如图1和2图中的“A”所示的来自变压器20的输出被用于为容纳在次级线圈单元中的高压电路30供电。
在点A处检测来自变压器20的电流和电压输出,并且分别在例如73和75处执行常规信号调节,以从信号中去除噪声。例如,该信号调节可以包括有源的、无源的或数字的、低通和带通滤波器。然后,分别在77,79处对电流和电压信号进行全波整流和平均。消除信号噪声的电压和电流平均可以用传统的模拟或数字电路来完成。已平均和整流处理的电流和电压信号被发送到分频器80,分频器80通过将电压除以电流来计算实际阻抗。电流和电压信号也被发送到相位检测器和锁相环(PLL)78,其输出频率,该频率是高压电路30的谐振频率。PLL通过调节其输出频率来确定谐振频率,以便电压和电流同相。对于串联谐振电路,当谐振激励时,电压和电流同相。
计算的阻抗和谐振频率被发送到脉冲宽度调制器82,脉冲宽度调制器82输出两个脉冲信号,即A相和B相,每个脉冲信号具有计算的占空比,以驱动变压器20。脉冲信号的频率是基于从PLL 78接收的谐振频率。占空比基于从分频器80接收的阻抗以及从系统控制器84接收的阻抗设定点。脉冲宽度调制器82调节两个脉冲信号的占空比,以使来自分频器80的测量阻抗与从系统控制器84接收的阻抗设定点匹配。
系统控制器84除了输出阻抗设定点之外,还向脉冲宽度调制器82发送触发信号脉冲。该触发信号脉冲控制变压器20的激活定时,该激活定时控制图1所示的高压电路30和电极40的激活。触发信号脉冲基于从主引擎控制器86(未示出)接收的定时信号61。定时信号61确定何时开始点火序列。系统控制器84接收该定时信号61,然后将适当的触发脉冲序列和阻抗设定点发送到脉冲宽度调制器82.该信息告诉脉冲宽度调制器何时点火,点火多少次,点火多长时间以及阻抗设定点。期望的电晕特性(例如,点火顺序和阻抗设定点)可以在系统控制器84中被硬编码,或者该信息可以通过来自主引擎控制器86的信号63发送到系统控制器84。系统控制器84可以将诊断信息发送到主发动机控制器86,这在现代发动机控制和点火系统中是常见的。诊断信息的示例可以包括欠压/过压供电,由电流和电压信号确定的点火失败等。
发明概要
提供一种功率放大器电路,其具有连接到RF变压器的次级绕组一端的电感器和电容器。次级绕组的另一端连接到电阻器,该电阻器又连接到地。变压器还有一个初级绕组,其一端连接到电源。初级绕组的另一端连接到开关。这些绕组被绕在磁芯上。初级绕组布置成使得从电源流到开关的电流导致在相反的方向上引起磁芯中的磁通量。为了启动电路的振荡,其中一个开关短暂接通,导致电感器和电容器振荡(ring)。结果,在次级绕组和电流传感器上产生电压,并且该电压被馈送到电路,该电路滤除掉所有噪声并在电感器电容器的固有频率下留下电压。电流传感器包括电阻器、二极管、电感器和电容器中的至少之一。该电压被反馈到开关,控制接通和断开的时间。以这种方式,消除了测量和记录固有频率的需要。
在本发明的一个实施例中,存在一种用于电晕点火系统的功率放大器电路,包括:具有围绕磁芯缠绕的初级绕组和次级绕组的RF变压器;连接到次级绕组一端的电感器和电容器;连接到次级绕组另一端的电流传感器,其中在次级绕组中感应的电流在磁芯中在相反的方向上产生磁通量。
在本发明的一个方面,初级绕组的一端连接到可变电源,另一端连接到第一和第二开关,从而控制第一和第二开关的接通和断开的定时。
在本发明的另一方面,次级绕组向电晕点火器提供输出信号。
在本发明的另一方面,次级绕组的端部分别连接到两个开关,这两个开关驱动电路来操作电晕点火系统,从而点燃电晕点火器。
本发明的另一方面提供了一种内燃机,其包括:气缸盖,该气缸盖具有从上表面延伸到包含电晕点火器的燃烧室的点火器开口。该引擎还包括控制电路,该控制电路被配置为从发动机计算机接收信号;和功率放大器电路,用于产生交流电流和电压信号,以便以其谐振频率驱动点火器组件。点火器组件包括形成LCR电路的电感器、电容器和电流传感器,其中电感器的一端通过点火端组件连接到内燃机燃烧室中的电极冠部(electrodecrown)。
在本发明的一个方面中,功率放大器电路包括RF变压器,其具有初级绕组和次级绕组,每个绕组缠绕在磁芯上;电感器和电容器连接在次级绕组的一端;并且电流传感器连接到次级绕组的另一端,其中在次级绕组中感应的电流在磁芯中在相反的方向上产生磁通量。
在本发明的另一个方面,控制电路确定施加到功率放大器电路的电压,功率放大器电路驱动电流通过绕组并提供点火器组件的谐振频率的反馈信号,并且点火器组件以在电容器处的电容、电流传感器处的电阻和电感器处的电感组合时的特定频率而进行谐振。
在本发明的又一方面,初级绕组的一端连接到电源,并且其另一端连接到第一和第二开关,使得第一和第二开关接通和断开的定时受到控制。
在本发明的又一个方面,次级绕组向电晕点火器提供输出信号。
从对示例实施例的详细描述中,本发明的这些和其他特征和优点对于本领域技术人员将变得更加明显。
附图的简要说明
图1示出了现有技术中的一示例性的电晕放电点火系统。
图2示出了根据现有技术系统的控制电子设备和初级线圈单元的功能框图。
图3示出了根据本发明的自调电路。
图4是框图,示出了根据一个示例实施例的图3的电路在电晕点火系统中的实现。
图5是框图,示出了根据另一示例实施例的图3所示电路在电晕点火系统中的实现。
示例实施例的详细描述
一种功率放大器电路,具有连接到RF变压器的输出绕组一端的电感器和电容器。输出绕组的另一端连接到电流传感器,电流传感器又接地。电流传感器包括电阻器、二极管、电感器和电容器中的至少一者。变压器有两个初级绕组。这两个初级绕组的一端连接到可变直流电压源。每个初级绕组的另一端连接到MOSFET。所有三个绕组都缠绕在铁氧体磁芯上。这两个初级绕组布置成使得从直流电压源流到MOSFET的电流在相反的方向上在铁氧体磁芯中引起磁通量。为了启动电路的振荡,其中一个MOSFET被短暂导通,导致电感和电容器振荡。结果,在次级绕组电流传感器上产生电压,该电压被馈送到电路,该电路滤除掉所有噪声并在电感器电容器的固有频率下留下电压。该电压被反馈到MOSFET,控制接通和断开的定时。以这种方式,消除了测量和记录固有频率的需要。
图3所示的电路包括变压器,用于驱动变压器的复数个MOSFET,以及用于调节变压器工作频率的反馈电路。在一个示例中,变压器具有铁氧体磁芯,其带有围绕磁芯的四组绕组。电感器L1和L2是初级绕组,它们在连接到直流电压源的点处连接在一起。该电路可以设计成在一定的供电电压范围下工作,在该实施例中,电压将设定为60V的直流电。电感器L1和L2的另一端各自连接到开关,该开关显示为MOSFET。如本领域技术人员容易理解的那样,可以使用其他类型的开关。每个开关也可以称为振荡器。
电感器L3是变压器的次级或输出电感器。L3的一端通过低值电阻连接。另一端连接到电晕点火器的电感器。第四电感器L6是感应电感器,其提供反馈信号以补偿不同长度的附接电缆的变化电容。
该点火系统包括三个子组件:控制电路,功率放大器和点火器组件。
控制电路:该电路接收来自发动机计算机(ECU)的信号,告诉系统何时启动和结束气缸中的电晕。
该电路确定什么电压施加到功率放大器变压器。该电路的一部分产生施加到功率放大器变压器上的直流电压。
功率放大器电路:该电路产生交流电流和电压信号,以便以其谐振频率驱动点火器组件。它接收来自控制电路的命令以开始和结束振荡。功率放大器电路包括用于驱动电流通过变压器的电路,和用以反馈点火器组件的谐振频率的电路。该反馈信号包括与电感器谐振有关的信号,与初级绕组电压有关的信号,以及与次级绕组电压有关的反馈信号。
点火器组件:点火器组件以类似于火花塞的方式连接到气缸盖。该组件包括电感器和点火端子组件,点火端子组件包括燃烧室内的电极。点火器组件具有连接在一起作为LCR组件的电感器、电容器和电流传感器。当电压施加到电感器的一端时,LCR组件谐振。电感器是点火器的一部分。电感器的第二端通过点火端组件连接到燃烧室中的电极冠部。点火端组件和燃烧室形成电容和电阻,该电容和电阻在与电感结合时以特定频率谐振。
在操作中,诸如发动机计算机(ECU)的装置向控制电路发送信号。该信号告诉控制电路何时在每个点火器上启动和结束电晕。控制电路向功率放大器发送正常高信号,该信号变为低电平以启动电晕事件。只要需要电晕,信号就会保持低电平,并返回高电平以结束电晕事件。该信号被施加到节点A,节点A是Q13的点火器(emitter)。A处的这种电压变化导致节点N从高变低。然后将节点N发送到两个地方。
一个目的地是Q12的收集器和Q12和Q7的基极。在N处的这种下降导致Q12和Q7导通,允许电流流到节点Z。第二个目的地是C3,其通过R13和二极管1发送短暂电压降到节点R,即Q9的基极。这又会短暂地降低节点T处的电压。基极的这种下降使QS导通,从节点Z吸取电流,并将节点B从负值升高到正值。这使Q11接通并且Q17断开,这导致Q1导通而Q2断开。这将它们的点火器向上拉,这些点火器通过R16和二极管2连接到节点C,即M1的栅极。节点C从负变为正,接通M1。M1的漏极连接到L2,其源极接地。接通M1导致电流流过L2,这又引起磁通量流过变压器内的铁氧体。
当M1继续保持接通时,电流通过L2传导,直到节点T处的电压回到到关闭QS的值。这使得流过节点Z的电流从R11转移到R18,从而将节点H从负升到正。这会接通Q8并断开Q20,其导致Q4接通而Q3断开。这将它们的点火器向上拉,这些点火器通过i R17和二极管3连接到节点F,即M4的栅极。节点F从负变为正,接通M4。接通M4导致电流流过L1,从而导致磁通量通过变压器内部的铁氧体而在与L2引起的磁通量相反的方向上流动。
变压器铁氧体磁通量产生通过变压器次级绕组L3的电流,该电流又在变压器次级绕组L3的两端产生电压。L3的一端连接到R14,R14接地。L3的另一端连接到点火器组件中的电感器。施加到点火器LCR组件的快速变化的电压引起点火器LCR组件谐振。当电流过过R14时,在节点L处的电压上升。该电压通过R15馈入节点A2中。来自节点A2的电流通过LS,LS连接到C5和R19。这些元件形成低通滤波器,并提供了小于180°的电流相移,并去除感兴趣范围之外的频率。该信号由D7和D8限幅(clipped),然后通过C7以驱动Q10。当Q10接通时,电流流过R18并停止流过R11。这会断开M1并接通M4,反之亦然。
图4示出了根据一个示例实施例的电晕点火系统中的图3电路的实施方式。图4的系统包括脉冲发生器A,比较器块B,开关和D,变压器E,电流传感器F,低通滤波器G和钳位(clamp,或称钳位器件,钳位装置)H。电晕点火器(未示出)连接到变压器E。
系统的操作由外部源(例如发动机控制单元)所使用的命令信号或“启用信号”1启动。“启用信号”我对应于图3的电路中的点A。“启动”脉冲发生器A接收启用信号1并发送非反相输出2,该非反相输出2响应于启用信号1而启动流过系统并流过电晕点火器的电流的振荡。脉冲发生器A对应于图3所示电路的元件C3,R13,R12和D1。
比较器块B接收启用信号1,以及来自脉冲发生器A的非反相输入2,和来自低通滤波器G和钳位H的反相输入3。由比较器块B的反相输入3接收的信号表示电晕点火器的电流的相。非反相输入2对应于Q9,反相输入3对应于图3的Q10。然后,比较器块B产生用于开关C和D的控制信号。由比较器块B提供的控制信号基于启用信号1、非反相输入2和反相输入3中的信息。反相输入3也被称为来自低通滤波器G和钳位H的反馈信号。比较器块B将控制信号作为正常输出4和反相输出5提供给开关C和D。正常输出4对应于点H,并且反相输出5对应于图3的点G。比较器块B的输出5和4也对应于图3的Q5和Q6。
开关C和D接收正常输出4和反相输出5。第一开关C接收正常输出4,第二开关D接收反相输出5。第一开关C对应于图3中的Q3,Q4,Q9,Q22和Q101,而第二开关D对应于Q1,Q2,Q11,Q17和Q102。响应于输出4和5,开关C和D各自通过信号6和7向变压器E施加电压,变压器E通过输出9连接到电晕点火器,从而引起电晕点火器的电流振荡。
变压器E接收来自开关C和D的电压,并且除了引起电晕点火器的振荡之外,变压器E还增加电晕点火器的驱动电压。当电路接通时,始终从变压器E向电晕点火器施加电压。每当电流流入电晕点火器时都应施加正电压,每当电流流出电晕点火器时都应施加负电压。从正到负或从负到正的切换应尽可能接近零电流。在一种可能的方案中,变压器E具有围绕磁芯12缠绕的三个绕组,对应于图3的L1,L2和L3。有两个初级绕组L1和L2,每个初级绕组的一端连接到电源,另一端连接到开关C,D中的一个;一个次级绕组的一端连接到电晕点火器,另一端连接到电流传感器F。L1和L2设置有开关C和D,使得它们在通电时在磁芯12中产生相反的磁场。由变压器E产生的电压输出是平衡的方波输出,关于零点对称。
系统的电流传感器F通过信号10接收变压器E输出端的电流,并测量变压器E输出端的电流,该电流也是电晕点火器的电流。电流传感器F包括电阻器,二极管,电感器和电容器中的至少一者。图3的电流传感器F是位于R14处的电阻器。由电流传感器F获得的电流测量最终用于控制次级绕组L3的电压,使得次级绕组的电压与电晕点火器的电流“同相”。术语“同相”意味着电压和电流同时达到峰值,这意味着电晕点火器在谐振频率下工作。更具体地,块比较器B使用电流传感器F所获得的信息来指示开关C、D在一定时间将电压施加到变压器E的初级绕组。施加到初级绕组L1,L2的电压被定时,使得它导致后级绕组L3具有与电晕点火器的电流同相的电压。
更具体地,当电流从变压器E传输到电晕点火器时,电流传感器F感测传输到电晕点火器的电流。作为响应,电流传感器F最终传输信号到第二开关D,以施加正电压,从而将更多电流从变压器E推入电晕点火器。从电流传感器F到开关D的信号表示传输到点火器的电流经过零的时间。开关D接通,使得变压器E提供正电压,从而为电晕点火器提供更多电流,这正好是在流入电晕点火器的电流处于零值或接近零时。从正电压到负电压或从负电压到正电压的切换应尽可能接近零电流进行。
同样,当电流从电晕点火器流出,通过变压器E并接地时,流出电晕点火器的电流也被电流传感器F感测到。作为响应,电流传感器F发送信号,最终到达第一开关C,导致该开关关闭合并施加负电压,因此从电晕点火器中牵引出更多电流。从电流传感器F到开关C的信号表示从点火器流出的电流经过零的时间。开关C接下来闭合,使得变压器E施加负电压,并且因此恰好在从电晕点火器流出的电流处于或接近零时从电晕点火器中牵引出更多的电流。
在电流在名义上为零时,在向电晕点火器传输电流与从电晕点火器牵引出电流之间进行切换,这允许系统以共振频率操作。在图3和图4的示例中,当电流行进到电晕点火器时,电流传感器处的电压为负;并且,当电流从电晕点火器流出时,电流传感器处的电压为正。另外,图3的R1,L6和C6补偿电路与电晕点火器之间的电缆的长度。
系统的低通滤波器G接收表示来自变压器E的电流的电压信号,并去除或滤除不需要的频率或感兴趣范围之外的频率。低通滤波器G还在电流中产生至少120°但小于180°相移。如上文所提及,低通滤波器G还将反馈信号最终提供给比较器块B,比较器块B包括电晕点火器的电流的相位,指示电流是正、是负还是零。低通滤波器G对应于图3的L5,C5,R9和R10。
钳位H接收来自低通滤波器G的反馈信号,并在将反馈信号(即反相输入3)发送到比较器块B之前截断信号。提供给比较器块B的反馈信号仅提供过零电流检测。在图3中,钳位H位于D7和D8。
现在将更详细地描述系统的操作以及在系统元件之间发送的信号。最初,在通过将启用信号1发送到比较器块B来开始系统操作之前,停用比较器块B,并且断开正常输出4和反相输出5。此时,HV电源8被启用,并准备好为变压器E提供电力。HV电源8位于系统外部。在图3中,HV电源连接到COM+。但是,在系统操作开始之前,变压器E中没有电流流过。
如上所述,系统的操作开始于启用信号1提供电力给比较器块B。启用信号1还使脉冲发生器A产生非反相输入2,其包括迫使比较器B不平衡的短脉冲。这导致正常输出4短暂地启用第一开关C,这使得电流从HV电源8流过变压器E的初级绕组并流到信号7。变压器E的输出9被驱动为负,并且电流继续流过变压器E和电流传感器F而接地。
流过变压器E和电流传感器F而接地的电流导致电压在信号10处上升,这反映了电晕点火器的电流。然而,信号10处的电压包括由于系统中(特别是在连接电缆中)的寄生电容的充放电引起的高频分量。滤波器块G消除了这些不需要的频率并提供相移。相移为至少120°,并且优选接近但小于180°。因此,低通滤波器G在11处提供了净正弦电流信号,其反映了电晕点火器的电流但几乎与该电晕点火器的电流反相。通过使用比较器块B的反相输入3提供了进一步180°的相移。比较器块B和开关C和D中的不可避免的延迟使得总相移为360°。这是稳定振荡所需的条件。
钳位H限制电流信号11的大小并将信号11转换为方波。该方波被馈送到反相输入3,即反馈信号,并馈送到比较器块B。相移使得提供给比较器块B负输入的反相输入3成为围绕整个环路的正反馈。该正反馈是系统和电晕点火器振荡所需的条件。
此时,由于通过信号9连接到变压器E的电晕点火器的谐振LC作用,流过信号9的电流进入电晕点火器峰值,回落到零,然后经过零。这使得从变压器E到电流传感器F的信号10处的电压其符号反向。反向信号使比较器块B改变正常输出4和反相输出5的状态,将电导从第一开关C交换到第二开关D,并使流过系统的电流反向。该电流以另一种方式驱动,在信号10处产生负半波。该过程继续,直到“启用”信号1被移除。
在第一周期之后,获得稳态操作,并且来自非反相输入2中所提供的脉冲发生器A的短脉冲结束,并且非反相输入2处的电压处于静止电平。反相输入3处的电压描述了静态电平周围的小振幅方波,并且小振幅方波与电晕点火器中的电流反相。
通过开关C、D以及变压器E的电流和施加的电压的相位迫使电晕点火器的电流和电压同相。这提供了串联LC电路谐振所需的条件,例如电晕点火器,它是串联LC电路。因此,根据图4的系统,图3所示电路的实施方式迫使电晕点火器以共振频率操作,并迫使电晕点火系统以电晕点火器的共振频率操作。
图5示出了根据另一示例实施例的电晕点火系统中的图3的电路的实施方式。图5的系统被称为模拟实现和全桥。与图4的系统类似,图5的系统也包括脉冲发生器A,比较器块B,开关C1,C2,D1,D2,变压器E,电流传感器F,低通滤波器G和钳位H。电晕点火器(未示出)连接到变压器E。
在图5的系统中,开关C1,C2,D1,D2是成对的FET,这里指的是沿对角线相对的成对FET,它们被激活以将单个初级绕组L1的相对两端连接到Vin并且接下来接地。例如,右上/左下的一对开关将允许电流从初级绕组L1的顶部流到底部;并且右下/左上的一对开关将在相反的方向上提供电流。而且,在该系统中,初级绕组L1侧的电容器C是可选的。由于更好地使用了芯12,图5的系统的优点包括更简单的变压器E。此外,只有Vin出现在FET上,因此可以使用更好和更便宜的FET。而且,单个FET故障不会导致短路。此外,漏电感中捕获的能量可以被安全地导回初级绕组L1中。
系统的操作由外部源(例如发动机控制单元)所断言的命令信号或“启用信号”1启动。“启用信号”1,也称为命令信号,对应于图3的电路中的点A。“启动“脉冲发生器A用于在启用信号1被断言时启动振荡。”启动“脉冲发生器A接收启用信号1并发送非反相输出2,该反相输出2响应于启用信号1而启动流过系统并流过电晕点火器的电流的振荡。脉冲发生器A对应于图3的电路的元件C3,R13,R12和D1。
比较器块B接收启用信号1并提供补充的输出,其对应于图3的Q12,Q7,QS,Q6,Q9和Q10。然后,比较器块B基于启用信号1和反馈信号而产生用于切换的控制信号。更具体地,比较器块B接收启用信号1,以及来自脉冲发生器A的非反相输入2,以及来自低通滤波器G和钳位H的反相输入3。由比较器块B的反相输入3接收的信号代表电晕点火器的电流的相位。非反相输入2对应于09(Q9b)的输入,反相输入3对应于图3的Q10的输入。然后,比较器块B为开关C1,C2,D1,D2产生控制信号。由比较器块B提供的控制信号基于启用信号1,非反相输入2和反相输入3中的信息。反相输入3也被称为来自低通滤波器G和钳位H的反馈信号。比较器块B将控制信号作为正常输出4和反相输出5提供给开关C1,C2,D1,D2。正常输出4对应于点H,反相输出5对应于图3的点B。比较器块B的输出5和4也对应于图3的Q5和Q6。启用信号1也对应于图3的G。
图5的系统包括两对开关,包括第一开关C1,C2和第二开关D1,D2,它们向变压器E施加电压以产生电晕点火器的振荡。第一开关C1和C2成对地接通而同时第二开关D1,D2断开,反之亦然。例如,开关C1接收正常输出4,并且开关D1接收反相输出5。或者,开关C2接收正常输出4,并且开关D2接收反相输出5。响应于输出4和5,开关C1和D1或C2和D2各自通过信号6和7向通过输出端9与电晕点火器连接的变压器E施加电压,从而引起电晕点火器的电流的振荡。
变压器E增加驱动电压并产生关于零点对称的平衡方波输出。对于一种可能的补偿方案,变压器E还包括对应于图5的L1的单个初级绕组和对应于图5的L3的单个次级绕组。具有图5的单个初级绕组L1的变压器E不同于包括两个初级绕组L1,L2和一个次级绕组L3的图4的变压器。更具体而言,图5的变压器E接收来自开关C1,C2,D1,D2的电压,并且除了引起电晕点火器的振荡之外,变压器E还增加了电晕点火器的驱动电压。当电路接通时,始终从变压器E向电晕点火器施加电压。每当电流流入电晕点火器时都应施加正电压,每当电流流出电晕点火器时都应施加负电压。从正到负或从负到正的切换应尽可能接近零电流地进行。在该示例中,变压器E具有围绕磁芯12缠绕的一个初级绕组L1。初级绕组L1的一端通过开关D1和C2连接到电源或者接地,初级绕组L1的另一端通过开关C1和D2接地或者连接到电源。一个次级绕组L3的其中一端连接到电晕点火器,而其另一端连接到电流传感器F。如上所述,由变压器E产生的电压输出是关于零点对称的平衡方波输出。
图5的系统的电流传感器F测量变压器E(因此以及电晕点火器)的输出中的电流,电流传感器F还控制切换以提供谐振操作。更具体地,电流传感器F通过信号10接收变压器E的输出端的电流,并测量变压器E的输出端的电流,该电流也是电晕点火器的电流。电流传感器F包括电阻器、二极管、电感器和电容器中的至少一者。图3的电流传感器F是位于R14的电阻器。由电流传感器F获得的电流测量最终用于控制次级绕组L3的电压,使得次级绕组的电压与电晕点火器的电流“同相”。术语“同相”意味着电压和电流同时达到峰值,这意味着电晕点火器在谐振频率下工作。更具体地,块比较器B使用由电流传感器F获得的信息来指示开关C1,C2,D1,D2在一定时间内将电压施加到变压器E的初级绕组L1。施加到初级绕组L1的电压被定时,使得它导致次级绕组L3具有与电晕点火器的电流同相的电压。
更具体地,当电流从变压器E传输到电晕点火器中时,电流传感器F感测到传输到电晕点火器的电流。作为响应,电流传感器F发送信号最终传输到第二开关D1或D2以施加正电压,从而将更多电流从变压器E推到电晕点火器中。从电流传感器F到开关D1或D2的信号指示传输到点火器的电流经过零的时间。开关D1或D2接通,使得变压器E提供正电压,并且因此恰好在流入电晕点火器的电流处于或接近零时,提供更多的电流到电晕点火器。从正到负或从负到正的切换应尽可能接近零电流地进行。
同样,当电流从电晕点火器流出,通过变压器E并接地时,流出电晕点火器的电流也被电流传感器F感测到。作为响应,电流传感器F发送信号最终到达第一开关C1或C2,导致开关闭合并施加负电压,从而从电晕点火器中引出更多电流。从电流传感器F到开关C1或C2的信号指示从点火器流出的电流经过零的时间。开关C1或C2接下来接通,导致变压器E施加负电压,并因此恰好当从电晕点火器流出的电流处于或接近零时,从电晕点火器引出更多电流。
在电流标称为零时,在向电晕点火器传输电流与从电晕点火器引出电流之间的切换,允许系统以共振频率操作。在图3和图5的示例中,当电流行进到电晕点火器时,电流传感器F处的电压为负;并且当电流从电晕点火器流出时,电流传感器F处的电压为正。另外,图3的R1,L6和C6补偿电路和电晕点火器之之间的电缆的长度。
图5的系统的低通滤波器G去除感兴趣范围之外的频率,并在反馈信号中产生相移。更具体地,低通滤波器G接收表示来自变压器E的电流的电压信号,并去除或滤除掉不需要的频率或感兴趣范围之外的频率。低通滤波器G还在电流中产生至少120°但小于180°的相移。如上所述,低通滤波器G还将反馈信号最终提供给比较器块B,其包括电晕点火器的电流的相位,指示电流是正,是负,还是零。低通滤波器G对应于图3的L5,C5,R10和R9。
图5的系统的钳位H减小仅用于过零检测的反馈信号的幅度。最初,比较器块B被停用,正常输出4和反相输出5被断开。HV电源8已经被启用,并且没有电流流过变压器E。在操作期间,钳位H接收来自低通滤波器G的反馈信号并在将反馈信号(即反相输入3)发送到比较器块B之前截断信号。提供给比较器块B的反馈信号仅用于过零电流检测。在图3中,该系统的钳位H位于节点J和C7附近。
现在将更详细地描述系统的操作以及在系统的元件之间发送的信号。最初,在系统操作开始之前,启用信号1被发送到比较器块B,比较器块B被停用,并且正常输出4和反相输出5断开。此时,HV电源8被启用,并准备好为变压器E提供电力。HV电源8位于系统的外部。在图3中,HV电源连接到COM+。但是,在系统的操作开始之前,变压器E中没有电流流过。
如上所述,系统的操作开始于启用信号1向比较器块B供电。启用信号1还导致脉冲发生器A产生非反相输入2,其包括迫使比较器块B不平衡的短脉冲。这使得正常输出4短暂地启用第一开关C1或C2,这使得电流从高压电源8流到信号6和7并流过变压器E的初级绕组L1。变压器E的输出9被驱动为负,电流继续从输出9流过变压器E和电流传感器F而接地。
流过变压器E和电流传感器F而接地的电流导致电压在信号10处上升,这反映了电晕点火器的电流。然而,信号10处的电压包括由于系统中(特别是在连接电缆中)的寄生电容的充放电引起的高频分量。滤波器块G消除了这些不需要的频率并提供相移。相移为至少120°,并且优选接近但小于180°。因此,低通滤波器G在11处提供了净正弦电流信号,其反映了电晕点火器的电流但几乎与该电晕点火器的电流反相。通过使用比较器块B的反相输入3提供了进一步180°的相移。比较器块B和开关C1,C2,D1,D2中的不可避免的延迟使得总相移为360°。这是稳定振荡所需的条件。
钳位H限制电流信号11的大小并将信号11转换为方波。该方波被馈送到反相输入3,即反馈信号,并馈送到比较器块B。由于180°的相移,因此提供给比较器块B负输入的反相输入3成为围绕整个环路的正反馈。该正反馈是系统和电晕点火器振荡所需的条件。
此时,由于通过信号9连接到变压器E的电晕点火器的谐振LC作用,流过信号9的电流进入电晕点火器峰值,回落到零,然后经过零。这使得从变压器E到电流传感器F的信号10处的电压其符号反向。该反向信号使比较器块B改变正常输出4和反相输出5的状态,将电导从第一开关C1或C2交换到第二开关D1或D2,并使整个过程反向,其中电流从HV电源8流到信号7和信号6。电流以另一种方式驱动,在信号10处产生负半波。该过程继续,直到“启用”信号1被移除。
在第一周期之后,获得稳态操作,并且来自非反相输入2中所提供的脉冲发生器A的短脉冲结束,并且非反相输入2处的电压处于静止电平。反相输入3处的电压描述了静态电平周围的小振幅方波,并且小振幅方波与电晕点火器中的电流反相。
通过开关C1,C2,D1,D2和变压器E的电流和施加的电压的相位意味着,在输出端9处观察电晕点火器时,电晕点火器的电流和电压被迫同相。这提供了串联LC电路谐振所需的条件,例如电晕点火器,它是串联LC电路。因此,根据图5的系统,图3的电路的实施强制电晕点火器以共振频率操作,并迫使电晕点火系统以电晕点火器的共振频率操作。
对于本领域技术人员来说,对所公开实施例的变化和修改可以变得显而易见,并且确实落入本发明的范围内。因此,本发明提供的法律保护范围只能通过研究所附权利要求来确定。可以预期,所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合,只要这种组合不会彼此矛盾。
Claims (17)
1.一种用于电晕点火系统的功率放大器电路,包括:
具有初级绕组和次级绕组的RF变压器,所述初级绕组和次级绕组缠绕在磁芯上;
连接到所述次级绕组一端的电感器和电容器;和
连接到所述次级绕组另一端的电流传感器,其中
通过所述次级绕组的电流在所述磁芯中在相反的方向上产生磁通量。
2.根据权利要求1所述的功率放大器,其中,所述初级绕组具有连接到电源的一端,和连接到第一和第二开关的另一端,从而控制所述第一和第二开关的接通和断开定时。
3.根据权利要求2所述的功率放大器,其中,所述次级绕组向电晕点火器提供输出信号。
4.根据权利要求1所述的功率放大器,其中,所述电流传感器是电阻器、二极管、电感器和电容器中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的功率放大器,包括具有谐振频率的电晕点火器,振荡器和低通滤波器,其中,所述低通滤波器提供至少120°且小于180°的电流相移并滤除不需要的频率,并且提供经滤波的反馈信号以使所述振荡器维持在所述电晕点火器的共振频率下。
6.一种电晕点火系统,包括:
初级绕组,其具有接收来自电源的电力的一端;
一对开关,每个开关连接到所述初级绕组的另一端,用于向所述初级绕组施加电压;
次级绕组,其在与所述初级绕组相对的方向上设置在所述磁芯周围,并且其一端连接到电晕点火器;
电流传感器,其连接到所述次级绕组的另一端并最终连接到所述开关,所述电流传感器获得所述次级绕组的电流,并使用所述次级绕组的电流来最终指示所述开关一次将所述电压施加到所述初级绕组,从而使所述次级绕组的电压与电晕点火器的电流同相。
7.根据权利要求6所述的电晕点火器,包括比较器块,用于接收代表从所述电流传感器获得的电流的信号,并指示所述开关一次将所述电压施加到所述初级绕组,从而使所述次级绕组的电压与所述电晕点火器的电流同相。
8.根据权利要求7所述的电晕点火系统,包括低通滤波器,用于接收代表来自所述电流传感器的电流的信号并从所述电流中去除不需要的频率,并在将所述信号最终传输到所述比较器块之前在所述电流信号中产生至少120°且小于180°的相移。
9.根据权利要求8所述的电晕点火系统,包括钳位器件,用于接收代表来自低通滤波器的电流的信号,并在将所述信号发送到所述比较器块之前截断所述信号。
10.一种操作电晕点火器谐振频率的方法,包括步骤:
从连接到电晕点火器的次级绕组获得电流,所述次级绕组的电流标示所述电晕点火器的电流,并且所述次级绕组连接到初级绕组;和
指示开关一次向所述初级绕组施加电压,而使所述次级绕组的电压与所述电晕点火器的电流同相。
11.根据权利要求10所述的方法,包括,将表示电流的信号发送到比较器块,并且其中,所述比较器块指示所述开关将所述电压施加到所述初级绕组。
12.根据权利要求11所述的方法,包括,从表示所述电流的所述信号中去除不需要的频率,并在发送到所述比较器块之前在该信号中产生至少120°且小于180°的相移。
13.根据权利要求12所述的方法,包括,在将该信号发送到所述比较器块之前,截断表示所述电流的所述信号。
14.根据权利要求10所述的方法,其中,从所述次级绕组获得电流的所述步骤包括,检测进入所述电晕点火器的电流,并且当进入所述电晕点火器的所述电流名义上为零时,向所述电晕点火器施加正电压。
15.根据权利要求10所述的方法,其中,从所述次级绕组获得电流的步骤包括,检测从所述电晕点火器流出的电流,并且当从所述电晕点火器流出的电流名义上为零时向所述电晕点火器施加负电压。
16.一种功率放大器电路,包括:
RF变压器,其包括初级绕组和次级绕组,所述初级绕组和次级绕组中的每一个都缠绕在芯上,所述次级绕组包括电阻器;
所述初级绕组具有连接到电源的一端和连接到开关的另一端,其中电流从直流电压源流到所述开关;
电感器和电容器,其连接到所述RF变压器的所述次级绕组的一端;
电阻,其连接到所述次级绕组的另一端并接地;
其中,从所述直流电压源流到所述开关的电流在所述芯中产生磁通量,并在所述次级绕组的所述电阻器上产生电压,其中,该电压被反馈到上述开关以控制所述开关的接通和断开的定时。
17.一种操作功率放大器电路的方法,包括:
提供RF变压器,其包括初级绕组和次级绕组,所述初级绕组和次级绕组中的每一个都缠绕在磁芯上,所述次级绕组包括电阻器,并且所述初级绕组具有连接到电源的一端和连接到开关的另一端,其中电流从直流电压源流到所述开关;
提供连接到所述RF变压器的所述次级绕组一端的电感器和电容器;
提供连接到所述次级绕组另一端并接地的电阻;
将电流从所述直流电压源传输到所述开关,以在所述芯中产生磁通量,并在所述次级绕组的所述电阻器上产生电压;和
将所述次级绕组的所述电阻器上产生的所述电压反馈到所述开关,以控制所述开关的接通和断开定时。
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