DE102008025208B4

DE102008025208B4 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Laden einer kapazitiven Last

Info

Publication number: DE102008025208B4
Application number: DE200810025208
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Augesky
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: WO2009153130A1; DE102008025208A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Laden einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend:
– einen Schaltknoten (K, K1),
– eine in Reihenschaltung mit der Last (P) angeordnete Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS, T1) zum Bestromen der Last (P) beim Laden, wobei der Ladestrom durch den Schaltknoten (K, K1) fließt,
– eine Messschaltung (14, 15) zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS, T1),
– eine Steuereinrichtung (SE) zur Ansteuerung der Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS), derart, dass der Strom durch die Stromstellereinrichtung (CS) mit Hilfe der Messschaltung geregelt wird,
– und eine Spannungseinstellschaltung (S1, S2, Ch) zum Verändern die Spannung (Uboost, Us) am Schaltknoten (K) während des Ladens der kapazitiven Last.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Laden einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine.
Derartige Schaltungsanordnungen und Verfahren sind beispielsweise aus der DE 199 44 733 A1 , der DE 198 14 594 A1 und der DE 199 52 950 A1 bekannt.
Die DE 10 206 030 818 A1 offenbart eine Piezo-Aktuator-Treiberschaltung, die jeweils zwei parallel geschaltete Lade- und Entladepfade aufweist, wobei jeweils beide Pfade mit derselben Spannung versorgt werden. Das Auf- und Entladen wird durch ein periodisches Taktsignal gesteuert.
Die DE 199 44 249 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes mit einer Ladespannung, die an einer Reihenschaltung eines auf eine vorgegebene Spannung aufgeladenen Ladekondensators und eines Umladekondenstors liegt. Es wird bei Betriebsbeginn und in Ansteuerpausen, also in entladenem Zustand des wenigstens einen Stellgliedes, die Spannung am Umladekondensator mittels einer Konstantstromquelle oder einer invertierenden Ladungspumpe auf einen vorgegebenen Sollwert gebracht und auf diesem bis zum nächsten Ansteuervorgang gehalten. Die Vorrichtung weist zudem eine Umladespule auf. Beim Gegenstand der DE 199 31 234 C1 wird ein kapazitives Stellglied eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraft maschine mit unterschiedlichen Lade- und Entladezeiten geladen oder entladen. Dazu werden die Kapazität eines Umladekondensators oder die Induktivität einer Umladespule durch Reihen- oder Parallelschalten von Umladekondensatoren oder Umladespulen variiert. Die Entladezeiten des Stellgliedes können auch durch Entladen mit Konstantströmen unterschiedlicher Größe variiert werden.
Die DE 199 03 555 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines über einen Piezo-Aktor betätigbaren Einspritzventils mit Auf- und Entlademitteln zum gesteuerten Aufladen und Entladen des Piezo-Aktors auf eine jeweils gewünschte Piezospannung. Die Auf- und Entlademittel weisen eine Spannungsversorgung mit einer Mehrzahl von bereitgestellten Spannungspegeln, die unterschiedlichen Ventilöffnungsstellungen entsprechen, und Schaltmitteln zum gesteuerten Umschalten zwischen den mehreren Spannungspegeln auf, bzw. umfassen die Auf- und Entlademittel eine Spannungsversorgung mit einem Aufladespannungspegel und einem Entladespannungspegel sowie zeitgesteuerte Schaltmittel zum zeitgesteuerten wahlweisen Anlegen des Auflade- oder Entladespannungspegels an den Piezo-Aktor zur Einstellung der jeweils gewünschten Piezospannung.
Die DE 101 20 944 A1 beschreibt eine Steuerschaltung für Piezoaktoren insbesondere Piezoventile, bei der eine Ladestromquelle zur Spannungsaufladung des Piezoaktors und eine Entladestromquelle zur Entladung des Piezoaktors vorgesehen sind. Die beiden Stromquellen sind mit einer Gegentaktschalteinrichtung zur alternativen Aktivierung versehen. Durch die Stromquellen werden Stromspitzen vermieden, und es wird ein sanftes Anlegen des spannungsabhängig sich bewegenden Biegeelements des Piezoaktors erreicht.
Die US 2002/0113563 A1 offenbart ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie in elektromechanischen Motoren, bei dem die Energie bei einer Entladung eines Kondensator zwischengespeichert wird, um sie in bei einer Ladung wieder verwenden zu können. Die erforderlichen Spannungsquellen sind vorzugsweise kapazitive Aufwärts- oder Abwärtswandler, wobei Schalter die Lade- und Entladevorgänge steuern.
Insbesondere die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgasnormen für Motoren haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren mit schnell und verzögerungsfrei ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische Elemente (kurz: Piezoaktoren) als vorteilhaft erwiesen. Derartige Piezoelemente sind üblicherweise als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen zu können.
Beim Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur Betätigung eines Einspritzventils Verwendung findet, d. h. beim Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststromes, werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik gestellt. Ein mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B. Benzin, Diesel etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr hohe Anforderungen an ein exaktes und reproduzierbares Öffnen und Schließen des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektronik gestellt. So müssen dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig Lastströme zum Laden und Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden. Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleichzeitig sollte während dieser Ladevorgänge und Entladevorgänge der Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrolliert zugeführt werden.
Eine Gemeinsamkeit der oben erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen und Verfahren besteht darin, dass mittels geschalteter Speicherinduktivitäten die Energie portionenweise transportiert wird. Damit sind zwar gute Wirkungsgrade erreichbar, allerdings mit sehr großem Bauelementeaufwand. Es treten auch wesentlich höhere kurzzeitige Ströme auf als der Mittelwert des in den Piezoaktor fließenden Stromes. Dies bedingt entsprechend hoch belastbare Bauelemente, beispielsweise Halbleiter-Schaltelemente, Kondensatoren und Induktivitäten.
Dies erfordert vergleichsweise große Baugruppen und stellt zudem erhebliche Ansprüche an die Komponenten- als auch Produktionstechnologien Darüber hinaus bedingt der geschaltete Betrieb der Ansteuerstufen zumeist einen hohen Aufwand für die Filterung/Unterdrückung der dabei entstehenden hochfrequenten Störungen (EMV-Problematik).
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last aufzuzeigen, mittels welchem ein guter Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem schaltungstechnischen Aufwand ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Es wird eine Schaltungsanordnung zum Laden einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung weist einen Schaltknoten und eine in Reihenschaltung mit der Last angeordnete Stromeinstelleinrichtung zum Bestromen der Last beim Laden, auf. Der Ladestrom fließt durch den Schaltknoten. Eine Messschaltung ist zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen. Eine Steuereinrichtung dient zur Ansteuerung der Stromeinstelleinrichtung, derart, dass der Strom durch die Stromstellereinrichtung mit Hilfe einer Messschaltung geregelt wird. Eine Spannungseinstellschaltung ist zum Verändern der Spannung am Schaltknoten während des Ladens der kapazitiven Last vorgesehen.
Ein Ladestrom kann sowohl einen Aufladestrom als auch einen Entladestrom betreffen. Ein Aufladestrom erhöht die Spannung über dem Piezoaktor, während ein Entladestrom die Spannung verringert, wobei der Bezugspunkt für die Spannung die Masse ist.
Bei der Regelung kann der momentane Laststrom während der Aufladung bzw. Entladung gemessen und eingestellt werden. Dadurch kann die an dem Piezoaktor anliegende Spannung trotz geringem Bauteilaufwand genau eingestellt werden. Das Verändern der Spannung am Schaltknoten sorgt dafür, dass die Verlustleistung in der Stromeinstelleinrichtung nicht zu groß wird.
Als Ersatzschaltbild für die Stromeinstelleinrichtung kann ein Widerstand verwendet werden. Wird die über diesem Widerstand abfallende Spannung zu groß, ist auch die Verlustleistung groß. Die Temperatur bzw. die Wärmeabgabe der Piezosteuerung darf nicht zu groß werden, um Ausfälle der Piezosteuerung oder benachbart angeordneter Steuerungen auszuschließen. Deshalb wird durch die Veränderung der Spannung am Schaltknoten der Spannungsabfall über der Stromstelleinrichtung begrenzt.
In einer Ausführungsform ist die Stromstelleinrichtung als ein gesteuerter Widerstand ausgebildet, durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt. Ein gesteuerter Widerstand kann sehr genau über einen großen Widerstandsbereich linear eingestellt werden, sodass während des gesamten Aufladevorgangs beziehungsweise Entladevorgangs die Ladecharakteristik eingestellt werden kann.
Alternativ enthält die Stromeinstelleinrichtung einen Transistor, durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt. Die Verwendung eines Transistors hat den Vorteil, dass er schnell reagieren kann und somit Änderungen in der Last oder in der Versorgung schnell ausgeglichen werden können.
Vorzugsweise wird der Strom beim Laden so angesteuert, dass der Transistor im linearen Arbeitsbereich arbeitet. Die Kennlinie eines Transistors wird in einen linearen Bereich und einen Sättigungsbereich unterteilt. Im linearen Arbeitsbereich kann der Widerstand der Laststrecke kontinuierlich eingestellt werden, was eine genaue Regelung des Stroms erlaubt.
Vorzugsweise ist ein Sollwertgeber zum Vorgeben eines Referenzwertes für den Ladestrom durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen. Anhand eines Vergleichs des Sollwerts mit dem momentan in die Last fließenden Stroms während der Aufladung bzw. Entladung, ermöglicht ein einfacher Istwert/Sollwert-Vergleich, ob die Stromeinsteinrichtung weiter aufgesteuert werden soll oder geschlossen werden soll. Der Referenzwert kann über die Zeit variiert werden, um bestimmte Auf- und Entladekurvenformen zu erzielen, beispielsweise zum Unterdrücken der Piezoresonanzen.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst:

– eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen Versorgungsspannung,
– einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten angeordneten Kondensator, wobei der erste Schaltungsknoten über eine Diode mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten über einen ersten Schalter mit der Spannungsquelle verbindbar ist,
– einen vom ersten Schaltungsknoten zu einem der Lastanschlüsse führenden ersten Strompfad und einen vom zweiten Schaltungsknoten zum anderen der Lastanschlüsse führenden zweiten Strompfad,
– eine in Reihenschaltung mit der Last angeordnete Stromeinstelleinrichtung, über welche die Last beim Aufladen und Entladen bestromt wird, und welche eine im ersten Strompfad und/oder eine im zweiten Strompfad angeordnete Stromquelle umfasst,
– einen zweiten Schalter, über welchen der erste Strompfad mit dem zweiten Schaltungsknoten verbindbar ist, und
– eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Stromeinstelleinrichtung, derart, dass
a) während einer ersten Aufladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last aus der Versorgungsspannung teilweise aufgeladen wird,
b) während einer zweiten Aufladephase der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet ist und die Last aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators weiter aufgeladen wird,
c) während einer ersten Entladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last in den Kondensator teilweise entladen wird, und
d) während einer zweiten Entladephase der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen ist und die Last in die elektrische Masse weiter entladen wird.

Eine Grundidee dieser ersten Ausführungsform besteht darin, die positiven Eigenschaften einer ”linearen Endstufe”, d. h. einer Bestromung der kapazitiven Last aus einer einstellbaren Stromquelle, mit dem hohen Wirkungsgrad einer ”geschalteten Endstufe” (z. B. Nutzung einer Induktivität als Energiespeicher im Zuge einer Umschwingfunktion, bei welcher Energieportionen transportiert werden) zu verbinden.
Wie es aus dem unten noch detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiel hervorgeht, ist die Verwendung einer Speicher- bzw. Umschwinginduktivität entbehrlich. Dennoch ist ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, insbesondere weil ein während der ”ersten Entladephase” fließender Laststrom zur Rückspeisung von elektrischer Energie in den Kondensator genutzt wird. Außerdem können Bauelemente wie der Kondensator und Halbleiter-Schaltelemente mit geringerer Belastbarkeit ausgelegt werden. Dies deshalb, weil eine notwendige maximale Aufladespannung für den Piezoaktor durch eine Spannungswandlung (im Wesentlichen Spannungsverdopplung) mittels des Kondensators erreicht wird.
Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Grundidee ist bei dieser Ausführungsform wichtig, dass jeder Aufladevorgang wie auch jeder Entladevorgang in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen erfolgt, nämlich einer ersten und zweiten Aufladephase bzw. einer ersten und zweiten Entladephase. Während der zweiten Aufladephase wird die Last aus einer Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators auf die gewünschte Endspannung aufgeladen. Während der ersten Entladephase wird die Last in den Kondensator teilweise entladen, wobei vorteilhaft eine Energierückspeicherung in diesen Kondensator erfolgt.
Insbesondere bei einer Anwendung im Bereich der Automobilelektronik (z. B. zur Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils) kann die Spannungsquelle, welche die Versorgungsspannung bereitstellt, z. B. durch einen DC/DC-Spannungswandler gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung (z. B. 12 V oder 24 V) in die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung gewandelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versorgungsspannung beispielsweise größer als 50 V. Die mit der Schaltungsanordnung erzeugte maximale Aufladespannung für den Piezoaktor kann beispielsweise größer als 150% der Versorgungsspannung sein und beispielsweise mehr als 100 V betragen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Stromeinstelleinrichtung eine erste Stromquelle zum Aufladen der Last und separat davon eine zweite Stromquelle zum Entladen der Last auf. Eine Separation der Stromquellen für die Auf- und Entladung hat sich insbesondere im Hinblick auf die schaltungstechnische Realisierung bzw. Einstellbarkeit der Stromquellen als vorteilhaft herausgestellt. Außerdem kann damit die im Bereich der Stromeinstellung entstehende Verlustleistung vorteilhaft in zumindest zwei Zweige aufgeteilt werden.
Eine Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sehr einfach z. B. als Transistor (Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor) ausgebildet sein, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließenden Stromes beaufschlagt wird. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung einer bidirektional betreibbaren Stromquelle, die in einer Richtung zum Aufladen und in der anderen Richtung zum Entladen bei der Einstellung des Laststromes verwendet wird. Eine bidirektionale Stromquelle kann sehr einfach z. B. unter Verwendung von zwei parallel zueinander angeordneten Transistoren realisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zum Aufladen der Last vorgesehene Stromquelle im ersten Strompfad angeordnet und/oder ist eine zum Entladen der Last vorgesehene Stromquelle im zweiten Strompfad angeordnet.
Bevorzugt ist wenigstens einer der Schalter, insbesondere sämtliche der Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden die Schalter (z. B. Transistoren) von einer Steuereinrichtung angesteuert, welche auch die Stromeinstelleinrichtung zur Festlegung des gelieferten Stromes ansteuert (etwa durch Ausgabe von Steuerspannungen für die betreffenden Transistoren).
Wenn wenigstens einer der Schalter als Transistor ausgebildet ist, so kommt in Betracht, diesen Transistor nicht nur zum Schalten zu verwenden, sondern auch als eine Komponente der Stromeinstelleinrichtung. Mit anderen Worten bildet der Transistor dann eine ein- und ausschaltbare Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung, vereinigt also die Funktion der Stromeinstellung und des Schaltens in sich.
Als Transistor, der als Schalttransistor oder als Schalt-/Stromeinstell-Transistor ausgebildet sein kann, kann z. B. ein FET, insbesondere MOS-FET vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Aufladung und/oder die Entladung der Last geregelt. Beispielsweise kann der momentane Laststrom und/oder die momentan an der Last anliegende Spannung (Lastspannung) während der Aufladung bzw. Entladung gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden, wobei auf Basis eines Istwert-/Sollwert-Vergleiches die Ansteuersignale für die Schalter und die Stromquelle(n) erzeugt werden.
Durch die erste Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die Versorgungsspannung aufgeladen. Durch die zweite Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf das Doppelte der Versorgungsspannung aufgeladen. Durch die erste Entladephase wird die Last bevorzugt im wesentlichen auf die Versorgungsspannung entladen. Durch die zweite Entladephase wird die Last bevorzugt im wesentlichen vollständig (auf ”Null” bzw. elektrische Masse) entladen. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass im ersten Strompfad eine Diode angeordnet ist, über welche der Laststrom während der ersten Entladephase fließt. Parallel zu dieser Entladediode kann eine Stromquelle zum Aufladen der Last (in umgekehrter Stromflussrichtung) vorgesehen sein.
Weitere Dioden können vorteilhaft in Reihenschaltung mit dem ersten Schalter und/oder mit dem zweiten Schalter angeordnet werden.
Die Erfindung kann vorteilhaft unter Verwendung einer einzigen Spannungsquelle (z. B. ein DC/DC-Wandler) realisiert werden, deren gelieferte Versorgungsspannung vorteilhaft auf wärtsgewandelt wird, um bei der Aufladung der Last eine etwa doppelt so große Lastspannung erreichen zu können. Hierfür wird mit dem Kondensator gewissermaßen eine ”Hilfsspannungsquelle” zur Spannungsüberhöhung geschaffen, welche in der zweiten Aufladephase der eigentlichen Versorgungsspannung zugeschaltet wird.
Ein zur Erzeugung der Versorgungsspannung eingesetzter DC/DC-Wandler kann auf etwa ”halber Spannung” (im Vergleich zur gewünschten Maximalspannung an der Last) arbeiten, was die Anforderungen an die Schaltungskomponenten verringert und insbesondere den Einsatz von Komponenten mit niedrigerer Maximalspannung ermöglicht. Für niedrigere Spannungen ist ein größeres und somit kostengünstigeres Bauteileangebot nutzbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Kondensator auch als so genannte ”Bootstrap”-Spannungsquelle für Ansteuereinheiten zur Ansteuerung des ersten Schalters und/oder des zweiten Schalters verwendet werden. Wegen der (im Vergleich zur maximalen Lastspannung) relativ geringen Versorgungsspannung können solche Ansteuerungsteile zur Ansteuerung der beiden Schalter mit einfachen Mitteln versorgt werden (lineare Stabilisierung).
Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Erfindung eine schaltungstechnisch einfache, kompakte und verlustarme Realisierung der Auf- und Entladung einer kapazitiven Last bereitgestellt werden. Wesentlich ist die Verwendung von zwei verschiedenen Spannungen, von denen eine als Versorgungsspannung bereitgestellt wird und die andere durch einen Kondensator bereitgestellt wird und gewissermaßen als Hilfsspannung bei jeweils in zwei Phasen ablaufenden Aufladevorgängen bzw. Entladevorgängen fungiert. Eine Verwendung von ”linearen Strom quellen” ermöglicht vorteilhaft nahezu beliebige Auflade- bzw. Entladekurvenformen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst:

– eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen ersten Spannung,
– eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse bezogenen zweiten Spannung, die kleiner als die erste Spannung ist,
– einen Schaltungsknoten, der über einen ersten Schalter mit der ersten Spannung, über einen zweiten Schalter mit der zweiten Spannung und über einen dritten Schalter mit der elektrischen Masse verbindbar ist,
– eine in Reihenschaltung mit der Last angeordnete Stromeinstelleinrichtung, über welche die Last beim Aufladen und Entladen bestromt wird, und
– eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Stromeinstelleinrichtung, derart, dass
a) während einer ersten Aufladephase der zweite Schalter geschlossen ist, um die Last aus der zweiten Spannung teilweise aufzuladen,
b) während einer zweiten Aufladephase der erste Schalter geschlossen ist, um die Last aus der ersten Spannung weiter aufzuladen,
c) während einer ersten Entladephase der zweite Schalter geschlossen ist, um die Last in die zweite Spannung teilweise zu entladen, und
d) während einer zweiten Entladephase der dritte Schalter geschlossen ist, um die Last in die elektrische Masse weiter zu entladen.

Eine Grundidee der zweiten Aufführungsform besteht darin, die positiven Eigenschaften einer ”linearen Endstufe”, d. h. einer Bestromung der kapazitiven Last aus einer einstellbaren Stromquelle, mit dem hohen Wirkungsgrad einer ”geschalteten Endstufe” (z. B. Nutzung einer Induktivität als Energiespeicher im Zuge einer Umschwingfunktion, bei welcher Energieportionen transportiert werden) zu verbinden.
Wie es aus den unten noch detailliert beschriebenen Ausführungsbeispielen hervorgeht, ist bei der Erfindung die Verwendung einer Speicher- bzw. Umschwinginduktivität entbehrlich. Dennoch ist ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, insbesondere weil ein während der ”ersten Entladephase” fließender Laststrom zur Rückspeisung von elektrischer Energie in die ”zweite Spannungsquelle” genutzt wird und weil durch das Umschalten zwischen den beiden unterschiedlichen Spannungen die Verluste in der Stromeinstellrichtung reduziert sind. Damit können Bauelemente wie Kondensatoren und Halbleiter-Schaltelemente mit geringerer Belastbarkeit ausgelegt werden.
Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Grundidee ist von wesentlicher Bedeutung, dass jeder Aufladevorgang wie auch jeder Entladevorgang nicht aus bzw. in eine einzige Spannungsversorgung in einem kontinuierlichen Vorgang erfolgt, sondern in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen. Ein Aufladen und nachfolgendes Entladen, wie es z. B. zur Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine zum Bewirken eines Einspritzvorganges erforderlich ist, gliedert sich gemäß der Erfindung in eine erste Aufladephase, eine zweite Aufladephase, eine erste Entladephase und eine zweite Entladephase. Gemäß einer in der Praxis zumeist vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Übergang zwischen erster und zweiter Ladephase und/oder Entladephase allmählich erfolgt, d. h. dass die betreffenden Schalter nicht abrupt ein- bzw. ausgeschaltet werden. Damit kann z. B. eine beim Schalten entstehende Verlustleistung besser verteilt werden.
Insbesondere bei einer Anwendung im Bereich der Automobilelektronik (z. B. zur Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils) können die beiden Spannungsquellen, welche die erste Spannung und die zweite Spannung bereitstellen, z. B. durch DC/DC-Spannungswandler gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung (z. B. 12 V oder 24 V) in eine oder zwei größere Spannungen gewandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Spannung beispielsweise größer als 100 V und/oder ist die zweite Spannung größer als 50 V. Die zweite Spannung kann beispielsweise kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%, der ersten Spannung vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromeinstelleinrichtung wenigstens eine separat von den Schaltern ausgebildete Stromquelle umfasst. Eine Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann z. B. als Transistor (Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor) ausgebildet sein, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließenden Stromes beaufschlagt wird. Es kann z. B. eine solche separate Stromquelle zum Aufladen während der ersten und zweiten Aufladephase und eine weitere separate Stromquelle zum Entladen zumindest während der ersten und ggf. auch zweiten Entladephase vorgesehen sein.
Alternativ kann auch eine bidirektional betreibbare Stromquelle vorgesehen sein, die in einer Richtung zum Aufladen und in der anderen Richtung zum Entladen bei der Einstellung des Laststromes verwendet wird. Eine bidirektionale Stromquelle kann sehr einfach z. B. unter Verwendung von zwei pa rallel zueinander angeordneten Transistoren realisiert werden.
Wenn die Stromeinstelleinrichtung wenigstens eine separat von den Schaltern ausgebildete Stromquelle umfasst, so ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Schaltungsknoten über diese Stromquelle mit der Last (bzw. einem zum Anschluss der Last vorgesehenen Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung) verbunden ist. Alternativ kann die Last (bzw. ein Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung) über die Stromquelle mit der elektrischen Masse verbunden sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens einer der Schalter, insbesondere sämtliche der Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden die Schalter (z. B. Transistoren) von einer Steuereinrichtung angesteuert, welche auch die Stromeinstelleinrichtung zur Festlegung des gelieferten Stromes ansteuert (etwa durch Ausgabe von Steuerspannungen für die betreffenden Transistoren).
Wenn wenigstens einer der Schalter als Transistor ausgebildet ist, so kommt in Betracht, diesen Transistor nicht nur zum Schalten zu verwenden, sondern auch als eine Komponente der Stromeinstelleinrichtung. Mit anderen Worten bildet der Transistor dann eine ein- und ausschaltbare Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung, vereinigt also die Funktion der Stromeinstellung und des Schaltens in sich. Als Transistor, der als Schalttransistor oder als Schalt-/Stromeinstell-Transistor ausgebildet sein kann, kann z. B. ein FET, insbesondere MOS-FET vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Aufladung und/oder die Entladung der Last geregelt. Beispielsweise kann der momentane Laststrom und/oder die momen tan an der Last anliegende Spannung (Lastspannung) während der Aufladung bzw. Entladung gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden, wobei auf Basis eines Istwert-/Sollwert-Vergleiches die Ansteuersignale für die Schalter und die Stromquelle(n) erzeugt werden.
Durch die erste Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die zweite Spannung aufgeladen. Durch die zweite Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die erste Spannung aufgeladen. Durch die erste Entladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die zweite Spannung entladen. Durch die zweite Entladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen vollständig (auf ”Null” bzw. elektrische Masse) entladen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Spannungsquelle von einem Kondensator gebildet, der beispielsweise die zweite Spannung an einem seiner Anschlüsse bereitstellen kann, wobei bevorzugt dessen anderer Anschluss mit der ersten Spannung verbunden ist.
Bei dieser Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Spannung am Kondensator sich selbsttätig auf ein Gleichgewicht zwischen entnommener und rückgespeister Energie einstellt (wobei dieses Gleichgewicht nahezu im energetischen Optimum liegen kann).
Vorteilhaft erübrigt sich hierbei eine aufwendigere Gestaltung der zweiten Spannungsquelle (z. B. durch einen DC/DC-Wandler). Damit können einerseits die Kosten der schaltungstechnischen Realisierung weiter verringert werden und andererseits die Möglichkeit einer Integration wesentlicher Teile der Schaltungsanordnung bzw. Endstufe in eine die Last aufweisende Komponente (z. B. Piezoinjektor) vereinfacht werden.
Zusammenfassend kann eine schaltungstechnisch einfache, kompakte und verlustarme Realisierung der Auf- und Entladung einer kapazitiven Last bereitgestellt werden. Wesentlich ist die Verwendung von zwei verschiedenen Spannungen, von denen eine ”zweite Spannung” gewissermaßen als Hilfsspannung bei jeweils in zwei Phasen ablaufenden Ladevorgängen bzw. Entladevorgängen fungiert. Eine Verwendung von ”linearen Stromquellen” ermöglicht vorteilhaft nahezu beliebige Auflade- bzw. Entladekurvenformen.
Gemäß einer dritten Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung eine n Vielzahl, n > 2, von Schaltern auf. Jeder dieser n Schalter ist zum Verbinden des Schaltknotens mit einer aus einer n Vielzahl von Spannungen vorgesehen ist. Es hat sich herausgestellt, dass in einigen Konstellationen die Verlustleistung über der Stromeinstelleinrichtung weiter verringert werden kann, wenn der Schaltknoten während des Ladens auf eine Vielzahl von Zwischenspannungen geladen wird.
In einer Ausführungsform wird die Vielzahl von n Spannungen von einer Schaltung bereitgestellt, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren aufweist. Die Reihenschaltung von Kondensatoren ermöglicht, die n Spannungen außerhalb der Ladevorgänge zu erzeugen und anschließend die Energie in den Kondensatoren zu speichern. Während des Ladevorgangs können die einzelnen Spannungen auf den Schaltknoten aufgeschalten werden. Das Aufladen der Kondensatoren kann somit relativ langsam erfolgen, was die Anzahl bzw. die Größe der notwendigen Bauelemente weiter verringert.
In einer Ausführungsform werden die n Spannungen jeweils von einer über einen magnetisierbaren Kern eines Übertragers gewickelten Spule versorgt. Übertrager mit magnetisierbaren Kernen ermöglichen eine Energieübertragung mit geringer Verlustleistung, wodurch bei relativ geringer Wärmentwicklung die Energie von einer Energiequelle auf die Kondensatoren übertragen wird.
Gemäß einer vierten Ausführungsform enthält die Schaltungsanordnung einen Spannungswandler zum Erzeugen eines linearen Anstiegs der Spannung am Schaltknoten beim Aufladen der Last. Für den Anstieg der Spannung am Piezoaktor wird ein möglichst linearer Verlauf angestrebt. Steigt auch die Spannung am Schaltknoten linear an, so kann die über der Stromeinstelleinrichtung abfallende Spannung über lange Zeiträume konstant gehalten werden. Damit variiert die Verlustleistung über den Aufladevorgang nicht so stark und kann insgesamt verringert werden.
Die Verlustleistung kann beim Entladen ebenso verringert werden, indem ein Spannungswandler zum Erzeugen eines linearen Abfalls der Spannung am Schaltknoten beim Entladen der Last vorgesehen wird.
Falls eine Spannungsmessschaltung vorgesehen ist zum Überprüfen, ob die Spannung über der Stromeinstelleinrichtung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, kann jederzeit die durch die Stromeinstelleinrichtung verursachte Verlustleistung abgeschätzt werden und bei Überschreiten des Schwellwertes die Spannung am Schaltknoten wieder angepasst werden.
Gemäß einer fünften Ausführungsform ist ein Messwiderstand im Pfad der Reihenschaltung von Last und Stromstelleinrichtung zur Messung des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen. Der Spannungsabfall über diesen Messwiderstand kann direkt als Regelparameter für die Regelung des Stroms durch die Last verwendet werden.
In einer erweiterten fünften Ausführungsform dient die Schaltungsanordnung auch zum Schalten mindestens einer weiteren kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors. Die Schaltungsanordnung weist eine in Reihenschaltung mit der weiteren Last angeordnete weitere Stromeinstelleinrichtung auf, über welche die weitere Last beim Laden bestromt wird, wobei der Ladestrom durch den Schaltknoten fließt.
Der Messwiderstand ist so angeordnet ist, dass Ladeströme für die Last und für die weitere Last durch den Messwiderstand fließen. Damit kann der Strom für den Messwiderstand sowohl als Rückkopplungsgröße beim Laden der Last als auch beim Laden der weiteren Last verwendet werden. Gegenüber einer Anordnung mit zwei Messwiderständen hat dies den Vorteil, dass es nicht nötig ist, zwei Messwiderstände zu kalibrieren. Zudem hilft dies auch, die Anzahl der Bauelemente weiter zu verringern.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laden einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine. Zunächst wird eine erste Spannung an einem Schaltknoten bereitgestellt. Ein Ladestrom in die Last wird mit Hilfe einer Stromeinstelleinrichtung als Stellglied geregelt. Dabei ist die Stromeinstelleinrichtung in Reihe mit der Last geschaltet ist und der Ladestrom fließt durch den Schaltknoten.
Während des Ladens der Last wird die Spannung an dem Schaltknoten derart geändert, dass der Betrag der über der Strom einstelleinrichtung abfallende Spannung während des Ladevorgangs einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet.
Dadurch, dass die über der Stromeinstelleinrichtung abfallende Spannung begrenzt wird, wird sichergestellt, dass auch die Verlustleistung der Stromstelleinrichtung begrenzt bleibt.
Falls die Spannung am Schaltknoten in Stufen verändert wird, kann die Änderung der Spannung mittels einer relativ wenig aufwändigen Schaltung erfolgen, die nacheinander unterschiedliche Spannungen auf den Schaltknoten aufschaltet.
Wird dagegen die Spannung am Schaltknoten kontinuierlich verändert, kann die Verlustleistung über den gesamten Ladezeitraum konstant gehalten werden und damit weiter verringert werden.
Vorzugsweise fließt sowohl der Aufladestrom als auch der Entladestrom durch den Schaltknoten, sodass beide Ladevorgänge gleichermaßen hinsichtlich geringerer Verlustleistung verbessert werden können.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend

– Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen Versorgungsspannung mittels einer Spannungsquelle, und
– Einstellung eines Laststromes, der beim Aufladen und Entladen durch die Last fließt, in wenigstens einem von zwei zur Last führenden Strompfaden, wobei die Aufladung und Entladung derart erfolgt, dass
a) während einer ersten Aufladephase (a) eine Nachladung eines Kondensators und eine teilweise Aufladung der Last jeweils aus der Versorgungsspannung erfolgt,
b) während einer zweiten Aufladephase (b) eine weitere Aufladung der Last (P) aus einer Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators (Ch) erfolgt, wobei im Kondensator (Ch) gespeicherte Energie teilweise zur Last (P) übertragen wird,
c) während einer ersten Entladephase (c) eine teilweise Entladung der Last (P) in den Kondensator (Ch) erfolgt, so dass Energie von der Last (P) in den Kondensator (Ch) rückgespeist wird, und
d) während einer zweiten Entladephase (d) eine weitere Entladung der Last in die elektrische Masse erfolgt.

Die Erfindung ist auch realisiert in einem Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend

– Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen ersten Spannung,
– Bereitstellung einer auf die elektrische Masse bezogenen zweiten Spannung, die kleiner als die erste Spannung ist,
– Einstellung eines Stromes, der beim Aufladen und Entladen durch die Last fließt, und
– Ansteuerung von Schaltern und der Stromeinstellung derart, dass
a) während einer ersten Aufladephase die Last aus der zweiten Spannung teilweise aufgeladen wird,
b) während einer zweiten Aufladephase die Last aus der ersten Spannung weiter aufgeladen wird,
c) während einer ersten Entladephase die Last in die zweite Spannung teilweise entladen wird, und
d) während einer zweiten Entladephase die Last in die elektrische Masse weiter entladen wird.

Der Vorteil des Verfahrens liegt in der Realisierung ohne große und teure passive Leistungsbauteile wie Induktivitäten und Kapazitäten, wie sie bei üblichen, auf Schaltwandlerkonzepten beruhenden, Ansteuerstufen für kapazitive Lasten notwendig sind. Gleichzeitig kann aber trotzdem ein vergleichbarer Wirkungsgrad erreicht und die Nachteile der Schaltwandler hinsichtlich EMV und Steuerbarkeit (Energiepakete mit endlicher Größe) vermieden werden.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher veranschaulicht. Dabei zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
2 den zeitlichen Verlauf einiger Größen im Betrieb der Schaltungsanordnung von 1,
3 eine Endstufe zur Ansteuerung mehrerer Piezoaktoren unter Verwendung der Schaltungsanordnung von 1,
4 eine zweite Ausführungsform Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
5 den zeitlichen Verlauf einiger Größen im Betrieb der Schaltungsanordnung von 4,
6 eine Schaltungsanordnung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
7 den zeitlichen Verlauf einiger Größen im Betrieb der Schaltungsanordnung von 3,
8 eine vierte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
9 den zeitlichen Verlauf der Spannungen beim Aufladen des Piezoaktors,
10 den zeitlichen Verlauf der Spannungen beim Entladen des Piezoaktors,
11 eine fünfte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
12 den zeitlichen Verlauf der Spannungen beim Aufladen des Piezoaktors in der fünften Ausführungsform,
13 die Erzeugung der Spannung in der fünften Ausführungsform,
14 eine sechste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
15 ein Prinzipschaubild einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 zur Ansteuerung eines Piezoaktors P eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen Versorgungsspannung Ub. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt Ub z. B. etwa 100 V.
Zwischen einem ersten Schaltungsknoten K1 und einem zweiten Schaltungsknoten K2 ist ein Kondensator Ch angeordnet, wobei der erste Schaltungsknoten K1 über eine Diode D1 mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten K2 über einen ersten Schalter S1 mit der Spannungsquelle verbindbar ist. Die Diode D1 ist hierbei so gepolt, dass ein Strom von der Spannungsquelle zum Schaltungsknoten K1 fließen kann.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem eine Diode D3 in Reihenschaltung zu dem ersten Schalter S1 angeordnet.
Zu Ausgangsanschlüssen A1 und A2 der Schaltungsanordnung 10, die mit den beiden Lastanschlüssen des Piezoaktors P verbunden sind, führt ausgehend vom Schaltungsknoten K1 ein erster Strompfad bzw. ausgehend vom Schaltungsknoten K2 ein zweiter Strompfad.
Der erste Strompfad wird von einer ersten Stromquelle CS1 und der zweite Strompfad von einer zweiten Stromquelle CS2 gebildet. Parallel zur ersten Stromquelle CS1, mittels welcher ein Stromfluss vom Schaltungsknoten K1 zum Ausgangsanschluss A1 eingestellt werden kann, ist eine Diode D2 mit entgegengesetzter Flusspolung angeordnet. Mit der zweiten Stromquelle CS2 kann ein Stromfluss vom Schaltungsknoten K2 zum Ausgangsanschluss A2 eingestellt werden, der mit der elektrischen Masse GND verbunden ist. Die beiden Stromquellen CS1 und CS2 bilden eine in Reihenschaltung mit dem Piezoaktor P angeord nete Stromeinstelleinrichtung, über welche der Piezoaktor beim Aufladen und Entladen bestromt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst diese Stromeinstelleinrichtung die erste Stromquelle CS1 im ersten Strompfad und die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad.
Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 10 einen zweiten Schalter S2 (mit einer Diode D4 in Reihenschaltung dazu), über welchen der erste Strompfad (zwischen der ersten Stromquelle CS1 und dem Ausgangsanschluss A1) mit dem zweiten Schaltungsknoten K2 verbindbar ist. Die Schaltvorgänge im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden unten noch detailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür Steuersignale s1 (für den Schalter S1) und s2 (für den Schalter S2) erzeugt und ausgibt.
Wenngleich dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, so sind die Schalter S1 und S2 bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalttransistoren (z. B. FETs) gebildet, deren Steueranschlüsse (z. B. Gates) mit dem Ansteuersignal s1 bzw. s2 versorgt werden.
Die Stromquellen CS1 und CS2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls jeweils als ein Transistor ausgebildet, dessen Steueranschluss mit einem Ansteuersignal sip1 bzw. sip2 beaufschlagt wird, welches ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale s1 und s2 wird mit den Ansteuersignalen sip1 und sip2 kein Einschalten und Ausschalten der betreffenden Transistoren bewirkt, sondern jeweils ein bestimmter Laststrom Ip1 bzw. Ip2 beim Aufladen und Entladen im ersten bzw. zweiten Strompfad eingestellt.
Nachfolgend wird unter Heranziehung auch der 2 die Ansteuerung des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben.
2 zeigt am Beispiel eines Ansteuerzyklus (eine Aufladung und eine nachfolgende Entladung) die Verläufe verschiedener Größen im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 in Abhängigkeit von der Zeit t.
Im oberen Teil von 2 sind die Verläufe einer ersten Knotenspannung Uboost (zwischen K1 und GND), einer zweiten Knotenspannung Uh (zwischen K2 und GND) und der Last- bzw. Piezospannung Up eingezeichnet. Im unteren Teil von 2 ist der Verlauf des Laststromes Ip dargestellt, der beim Aufladen des Piezoaktors P vom Strom Ip1 und beim Entladen des Piezoaktors P vom Strom Ip2 gebildet wird. Die Aufladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Aufladephase ”a” und einer sich unmittelbar daran anschließenden zweiten Aufladephase ”b” zusammensetzt.
Die Entladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Entladephase ”c” und einer zweiten Entladephase ”d” zusammensetzt. Die in 2 außerdem eingezeichneten Phasen S1on und S2on bezeichnen diejenigen Zeitspannen, in denen die Schaltelemente S1 bzw. S2 eingeschaltet sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll der dargestellte, insgesamt trapezförmige Verlauf der Piezospannung Up bewerkstelligt werden. Die einzelnen Phasen lassen sich wie folgt beschreiben: Während der ersten Aufladephase ”a” sind beide Schalter S1, S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird aus der Versorgungsspannung Ub teilweise aufgeladen. Dabei steigt die Piezospannung Up kontinuierlich an. Der konkrete Verlauf ist durch entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS1 einstellbar. Am Ende dieser Phase ist die Piezospannung Up auf die Versorgungsspannung Ub abzüglich einer für die Funktion der Stromquelle CS1 notwendigen Mindestspannung (ΔUip) angestiegen.
Während der zweiten Aufladephase ”b” ist der erste Schalter S1 geschlossen und der zweite Schalter S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators Ch weiter aufgeladen. Das Schließen von S1 hebt nämlich das Spannungsniveau am Eingang der Stromquelle CS1 mittels des auf die Versorgungsspannung Ub aufgeladenen Kondensators Ch auf etwa das Doppelte der Versorgungsspannung Ub. Der konkrete Verlauf der weiter ansteigenden Piezospannung Up bzw. des in den Piezoaktor fließenden Laststromes wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS1 festgelegt.
Während der ersten Entladephase ”c” sind beide Schalter S1, S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird teilweise in den Kondensator Ch entladen. Diese teilweise Entladung erfolgt über die Diode D2 im ersten Strompfad und über die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad. Dabei wird Energie aus dem Piezoaktor P in den Kondensator Ch zurückgeliefert. Der konkrete Verlauf der Piezospannung Up bzw. des Laststromes Ip2 wird durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS2 festgelegt. Diese teilweise Entladung kann solange fortgesetzt werden, bis die Knotenspannung Uh auf die für die Funktion der Stromquelle CS2 notwendige Mindestspannung (ÄUip) gesunken ist oder die Piezospannung Up auf das Niveau der Versorgungsspannung Ub gesunken ist.
Während der zweiten Entladephase ”d” ist der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen und wird der Piezoaktor P in die elektrische Masse GND weiter entladen. In dieser Phase ist der Piezoaktor P über die Diode D4, den Schalter S2 und die Stromquelle CS2 mit elektrischer Masse GND verbunden. Dies ermöglicht eine vollständige Entladung des Piezoaktors P. Am Ende (Zeitspanne Tn) dieser zweiten Entladephase wird auch das zuvor im Kondensator Ch entstandene ”Ladungsdefizit” (Lade/Entlade-Wirkungsgrad in der Praxis ungleich 1) wieder ergänzt, wodurch (bei unverändertem Strom Ip2) die Steilheit des Piezoentladestromes abgeflacht wird. Ist dieser Abflachungseffekt nicht erwünscht, so kann dies durch eine entsprechende Erhöhung des Entladestromes in dieser Schlussphase kompensiert werden.
Durch die beim Übergang von der ersten Ladephase zur zweiten Ladephase erfindungsgemäß vorgesehene Umschaltung der an der Stromquelle CS1 liegenden Spannung (von Ub auf Ub zuzüglich der Kondensatorspannung) ergibt sich für den Ladevorgang der Vorteil einer deutlich reduzierten Verlustleistung in der Stromquelle CS1. Eine entsprechende Wirkungsgradverbesserung ergibt sich auch für den Entladevorgang. Damit kann insgesamt ein Wirkungsgrad erzielt werden, der vergleichbar mit dem Wirkungsgrad bekannter Endstufenkonzepte ist.
Ein noch wesentlicherer Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung bzw. des damit bewerkstelligten Ansteuerverfahrens liegt im Kostenbereich. Es lassen sich nämlich deutliche Einsparungen bei teuren Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungshalbleitern erzielen. Insbesondere kann auf Grund der mittels der Schaltungsanordnung realisierten Spannungsüberhöhung bzw. Spannungsverdopplung ein DC/DC-Wandler, welcher die Versorgungsspannung Ub bereitstellt, auf etwa ”halber Spannung” (im Vergleich zur gewünschten Maximalspannung am Piezoaktor) arbeiten, was die Verwendung kostengünstigerer Schal tungskomponenten (einschließlich derjenigen des DC/DC-Wandlers) gestattet.
Viele Komponenten der Schaltungsanordnung müssen nur auf etwas mehr als die Versorgungsspannung Ub und nicht auf die volle maximale Piezospannung Up ausgelegt werden. Außerdem stellt die Schaltungsanordnung geringere Bauraumanforderungen und besitzt eine hohe Robustheit, was insbesondere bei so genannter ”Vorort-Elektronik” (z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeugs) von großer Bedeutung ist.
Eine Anordnung für mehrere kapazitive Lasten, beispielsweise mehrere piezobetätigte Kraftstoff-Einspritzventile bei einem Kraftfahrzeug, lässt sich in einfacher Weise z. B. durch masseseitige ”Auswahlschalter” realisieren. Eine solche Schaltungsanordnung bzw. Endstufe zur Ansteuerung einer Mehrzahl von Piezoaktoren ist in 3 dargestellt.
3 zeigt eine Endstufe 100 umfassend eine Schaltungsanordnung 10', die beispielsweise identisch zu der oben beschriebenen Schaltungsanordnung 10 ausgebildet sein kann und dementsprechend zwei Ausgangsanschlüsse A1 (versorgungsseitig) und A2 (masseseitig) aufweist.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist der Ausgangsanschluss A1 mit jeweils einem der beiden Lastanschlüsse sämtlicher Piezoaktoren P1, P2, verbunden, wohingegen der jeweils andere Lastanschluss dieser Piezoaktoren über einen jeweils zugeordneten Auswahlschalter (Transistoren T1, T2,) mit dem Ausgangsanschluss A2 verbunden ist. In diesem Verbindungspfad (zwischen A2 und den Auswahlschaltern) ist außerdem noch ein Strommesswiderstand Rs angeordnet, mittels welchem der momentane Laststrom des jeweils ausgewählten Piezoaktors gemessen werden kann. In an sich bekannter Weise wird hierfür der Spannungsabfall am Messwiderstand Rs gemessen, wofür die Schaltungsanordnung 10' mit einem Eingangsanschluss E1 versehen ist, über welchen der gemessene Spannungsabfall der entsprechenden Steuereinrichtung innerhalb der Schaltungsanordnung 10' zur Auswertung bzw. Berücksichtigung bei der Ansteuerung zugeführt wird. Der zu messende Spannungsabfall ist mit Uirs bezeichnet.
Die Schaltungsanordnung 10' lässt sich somit vorteilhaft auch zum Aufladen und Entladen einer Mehrzahl von Piezoaktoren verwenden. Ansteuersignale für das Schalten der Auswahlschalter T1, T2, können ebenfalls von der betreffenden Steuereinrichtung erzeugt und ausgegeben werden (nicht dargestellt).
Bemerkenswert ist, dass bei der Endstufe 100 die Auswahlschalter T1, T2, ... vorteilhaft auch die Funktion einer Stromeinstellung übernehmen können, wie Sie in 1 beispielsweise durch die Stromquelle CS1 realisiert ist. Damit kann z. B. eine der Stromquelle CS1 entsprechende gemeinsame Stromquelle des Schaltungsteils 10' ersetzt werden oder eine bei einer solchen Stromeinstellung auftretende Verlustleistung besser verteilt werden.
4 zeigt eine Schaltungsanordnung (Endstufe) 10 zur Ansteuerung eines Piezoaktors P eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen ersten Spannung Ub und eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse GND bezogenen zweiten Spannung Uh, die kleiner als die erste Spannung Ub ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt Ub z. B. etwa 200 V und Uh etwa 100 V.
Ein Schaltungsknoten K ist über einen ersten Schalter S1 mit der Spannung Ub, über einen zweiten Schalter S3, S4 mit der Spannung Uh und über einen dritten Schalter S2 mit der Masse GND verbindbar.
Die Schaltvorgänge im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden unten noch detailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür Steuersignale s1 (für den Schalter S1), s2 (für den Schalter S2), s3 und s4 (für den Schalter S3, S4) erzeugt und ausgibt. Wenngleich dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, so sind die Schalter bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalttransistoren (z. B. FETs) gebildet.
Die Schalter S1 und S2 sind jeweils von einem Transistor gebildet, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit dem Ansteuersignal s1 bzw. s2 versorgt wird. Der Schalter S3, S4 ist in der Figur als Reihenschaltung zweier Einzelschalter S3 und S4 eingezeichnet. Dies deshalb, weil dieser Schalter tatsächlich aus einer Reihenschaltung von zwei FETs gebildet ist, um einen Strom in beiden entgegengesetzten Richtungen schalten zu können. Wird S3 eingeschaltet, so kann ein Strom über S3 und die ”intrinsische Source-Drain-Diode” von S4 in einer Richtung (in 4 von rechts nach links) fließen. Der umgekehrte Stromfluss (in 4 von links nach rechts) lässt sich dementsprechend durch Einschalten von S4 freigeben. Die zum Schalten der Einzelschalter S3 und S4 erforderlichen und von der Steuereinrichtung SE gelieferten Ansteuersignale sind mit s3 bzw. s4 bezeichnet.
Der Piezoaktor P ist an Ausgangsanschlüssen A1 und A2 an die Schaltungsanordnung 10 angeschlossen. In Reihenschaltung mit dem Piezoaktor P ist eine Stromeinstelleinrichtung in Form einer Stromquelle CS vorgesehen, über welche der Piezoaktor P beim Aufladen und Entladen bestromt wird.
Die Stromquelle CS ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als ein Transistor ausgebildet, dessen Steueranschluss mit einem Ansteuersignal sip beaufschlagt wird, welches ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale s1 bis s4 wird mit dem Ansteuersignal sip kein Einschalten und Ausschalten des betreffenden Transistors bewirkt, sondern ein bestimmter Laststrom Ip beim Aufladen und Entladen eingestellt. Abweichend von der dargestellten ”versorgungsseitigen” Anordnung der Stromquelle CS zwischen dem Schaltungsknoten K und dem Ausgangsanschluss A1 ist in der Praxis oftmals eine Variante von besonderem Vorteil, bei welcher die Stromquelle CS ”masseseitig”, also zwischen der elektrischen Masse GND und dem Ausgangsanschluss A2 angeordnet ist.
Nachfolgend wird unter Heranziehung auch der 5 die Ansteuerung des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben.
5 zeigt am Beispiel eines Ansteuerzyklus (eine Aufladung und eine nachfolgende Entladung) die Verläufe verschiedener Größen im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 in Abhängigkeit von der Zeit t.
Im oberen Teil von 5 sind die Verläufe einer Knotenspannung Us (zwischen dem Schaltungsknoten K und der elektrischen Masse GND), und der Last- bzw. Piezospannung Up eingezeichnet. Im unteren Teil von 5 ist der Verlauf des Laststro mes Ip dargestellt ist. Die Aufladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Aufladephase ”a” und einer sich unmittelbar daran anschließenden zweiten Aufladephase ”b” zusammensetzt. Die Entladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Entladephase ”c” und einer zweiten Entladephase ”d” zusammensetzt.
Die in 5 außerdem eingezeichneten Phasen S1on, S2on, S3on und S4on bezeichnen diejenigen Zeitspannen, in denen die Schaltelemente S1, S2, S3 bzw. S4 eingeschaltet sind. Im dargestellten Ansteuerungsbeispiel soll der dargestellte, insgesamt trapezförmige Verlauf der Piezospannung Up bewerkstelligt werden. Die einzelnen Phasen lassen sich wie folgt beschreiben:
Während der ersten Aufladephase ”a” ist der zweite Schalter S3, S4 (genau genommen: S4) geschlossen, um den Piezoaktor P aus der Spannung Uh teilweise aufzuladen. Dabei steigt die Piezospannung Up kontinuierlich an. Der konkrete Verlauf ist durch entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS einstellbar. Am Ende dieser Phase ist die Piezospannung Up auf die ”Hilfsspannung” Uh abzüglich der für die Funktion der Stromquelle CS notwendigen Mindestspannung (ΔUip) angestiegen.
Während der zweiten Aufladephase ”b” ist alternativ oder zusätzlich der erste Schalter S1 geschlossen, um den Piezoaktor P aus der (höheren) Spannung Ub weiter aufzuladen. Dabei steigt die Piezospannung Up weiter an, etwa bis auf die doppelt so hohe Versorgungsspannung Ub. Der konkrete Verlauf wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS festgelegt.
Während der ersten Entladephase ”c” ist der zweite Schalter S3, S4 (genau genommen: S3) geschlossen, um den Piezoaktor P in die Spannung Uh teilweise zu entladen. Dabei wird Energie aus dem Piezoaktor P in die Spannungsversorgung zurückgeliefert. Der konkrete Verlauf der Piezospannung Up bzw. des Laststromes Ip wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS festgelegt. Am Ende dieser Phase erreicht die Piezospannung Up das Niveau der Spannung Uh zuzüglich der für die Funktion der Stromquelle CS notwendigen Mindestspannung (ΔUip).
Während der zweiten Entladephase ”d” ist alternativ oder zusätzlich der dritte Schalter S2 geschlossen, um den Piezoaktor P in die elektrische Masse GND weiter zu entladen. Der konkrete Entladungsverlauf wird wieder durch die Ansteuerung der Stromquelle CS definiert. Die Entladung kann vollständig (bis auf Up = 0) vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Umschaltung der an der Stromquelle CS liegenden Spannung (von Ub auf Uh bzw. umgekehrt) ergibt sich der Vorteil einer deutlich reduzierten Verlustleistung in der Stromquelle. Damit kann ein Wirkungsgrad erzielt werden, der vergleichbar dem Wirkungsgrad bekannter Endstufenkonzepte ist.
Ein noch wesentlicherer Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung bzw. des damit bewerkstelligten Ansteuerverfahrens liegt im Kostenbereich. Es lassen sich nämlich deutliche Einsparungen bei teuren Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungshalbleitern erzielen. Außerdem stellt die Schaltungsanordnung geringe Bauraumanforderungen und besitzt eine hohe Robustheit, was insbesondere bei so genannter ”Vorort-Elektronik” (z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeuges) von großer Bedeutung ist.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können die beiden erforderlichen Spannungen Ub und Uh insbesondere als Ausgangsspannungen von zwei DC/DC-Spannungswandlern einer Automobilelektronik vorgesehen sein. Nachfolgend wird ein modifiziertes Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die 6 und 7 beschrieben, welches die Einsparung eines DC/DC-Spannungswandlers ermöglicht.
6 zeigt eine Schaltungsanordnung 100, die in Aufbau und Funktion im wesentlichen der oben beschriebenen Schaltungsanordnung 10 entspricht. Einander entsprechende Schaltungskomponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Modifikation der Schaltungsanordnung 100 besteht darin, dass die zweite Spannung bzw. ”Hilfsspannung” Uh in sehr einfacher Weise innerhalb der Schaltungsanordnung 100 erzeugt wird (letztlich aus der zugeführten ersten Spannung Ub). Es ist ein Kondensator Ch vorgesehen, der wie in 6 ersichtlich einerseits mit der Spannung Ub verbunden ist und andererseits mit dem Schalter S3, S4 verbunden ist. Der mit S3, S4 verbundene Kondensatoranschluss bildet gewissermaßen die Quelle der ”zweiten Spannung” Uh.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung 100, der genauso wie oben für die Schaltungsanordnung 10 beschrieben erfolgt, stellt sich am Kondensator Ch selbsttätig ein Gleichgewicht zwischen entnommener und rückgespeister Energie ein, wodurch sich eine eigene Spannungserzeugung an dieser Stelle vorteilhaft erübrigt. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der Kondensator Ch anstatt mit der ersten Spannung Ub auch mit einer anderen festen Spannung, insbesondere z. B. der elektrischen Masse GND verbunden sein.
7 ist eine Zeitverlaufsdarstellung ähnlich der 5, jedoch für den Betrieb der in 6 dargestellten Schaltungsanordnung 100.
8 zeigt eine Schaltanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform. Die Schaltungsanordnung weist wie in den vorherigen Schaltungsanordnungen einen Schaltknoten K, eine Stromeinstelleinrichtung CS1 und die Last P. Allerdings ist die Spannungseinstellschaltung 30 zum Ändern der Spannung Uk am Schaltknoten K unterschiedlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Die Spannungseinstellschaltung 30 enthält eine Batterie B, einen Primärschalter SP1, einen Übertrager 20, eine Reihenschaltung von Kondensatoren C1, C2, C3, C4 und C5 sowie Auswahlschalter S10, S11, S12, S13 und S14.
Die Batterie B ist mit ihrem negativem Pol mit der Masse verbunden, während ihr positiver Pol mit einem ersten Anschluss des Primärschalters SP1 verbunden ist. Der Übertrager 20 enthält eine Primärspule 21, einen magnetisierbaren Kern 23 und Sekundärspulen 220, 221, 222, 223 und 224, wobei die Primärspule 21 und die Sekundärspulen 220, 221, 222, 223 und 224 um den Kern 23 gewickelt sind.
Die Primärspule 21 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Primärschalters SP1 und die Masse vorgesehen. Die Sekundärspulen 220, 221, 222, 223 und 224 sind in Reihe geschaltet, wobei ein Endpunkt dieser Reihenschaltung von Sekundärspulen mit einem der Endpunkte der Reihenschaltung von Kondensatoren und gleichzeitig mit Masse verbunden sind. Der zweite Endpunkt der Reihenschaltung der Sekundärspulen ist mit dem zweiten Endpunkt der Reihenschaltung der Kondensatoren über die Diode D14 gekoppelt, wobei die Anode dieser Diode D14 mit zweiten Endpunkt der Reihenschaltung der Sekundärspulen und die Kathode mit zweiten Endpunkt der Reihenschaltung der Kondensatoren verbunden ist.
Die Verbindungspunkte zwischen den Sekundärspulen 220, 221, 222, 223 und 224 sind jeweils über eine der Dioden D10, D11, D12, D13 mit einem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1 bis C5 derart gekoppelt, dass die Anode der jeweiligen Diode D10 bis D13 mit den Anschlüssen der Sekundärspulen 220, 221, 222, 223, 224 und die Kathode mit den Anschlüssen der Kondensatoren C1, C2, C3, C4, C5 verbunden ist.
Durch periodisches Öffnen und Schließen des Primärschalters SP1 wird Strom in der Primärspule 21 erzeugt, die das Magnetfeld des Kerns 23 verändert und somit eine Spannung in den Sekundärspulen 220, 221, 222, 223, 224 induziert. Dadurch wird jeweils ein Strom erzeugt, der über die Dioden D10 bis D14 fließt und die in den Kondensatoren C1 bis C5 gespeicherten Ladungen erhöht. Dadurch werden auch die von den Kondensatoren bereitgestellten Spannungen erhöht. Je nach Aufladezustand des Piezo wird selektiv über die Schalter S10, S11, S12, S13, S14 eine der von der Reihenschaltung von Kondensatoren bereitgestellten Spannungen auf den Schaltknoten K geschaltet.
Eine Idee dieser Ausführungsform beruht darauf, anstelle einer konstanten Spannung die Versorgungsspannung der Stromquelle CS1 in mehreren Stufen, entsprechend dem Anstieg der Spannung am Piezo P, zu erhöhen. Anstelle einer Stromquelle CS1 kann auch ein gesteuerter Widerstand verwendet werden, dies ist nur eine Frage der Steuercharakteristik.
Die mittlere Differenzspannung ΔUb sinkt damit deutlich ab und damit auch die Verlustleistung in der Stromquelle CS1. Je höher die Anzahl der Stufen, umso kleiner kann die an der Stromquelle abfallende Differenzspannung ΔUb und damit die Verlustleistung gehalten werden.
Die sinnvolle Anzahl der Stufen resultiert aus dem vertretbaren Schaltungsaufwand und der erreichbaren Reduktion der Verlustleistung. In der Praxis wird die Anzahl der Zwischenstufen zwischen 2 und etwa 5 liegen, wobei eine Zwischenstufe eine Spannung zwischen der geringsten Spannung Masse und der maximalen Spannung bezeichnet. Bei weiterer Erhöhung der Zwischenstufen wurde keine signifikante Verbesserung mehr ermittelt.
8 zeigt eine Spannungsvervielfachung. Die gewünschte Spannung Uk kann aber auch durch Umschaltung auf mehrere konstante Versorgungsspannungen erreicht werden.
9 zeigt den Spannungsverlauf der Spannung Uk am Schaltknoten K über der Zeit beim Aufladen. Die Spannung, die an den Kondensatorplatten mit dem jeweils höheren Potential anliegt, wird für die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 als Uh1, Uh2, Uh3 und Ub bezeichnet.
Die Spannung Uk hat am Anfang den Wert Uh1, in dieser Phase ist der Sekundärschalter S10 geschlossen und die restlichen Schalter S2, S11, S12, S13, S14 und S15 sind geschlossen. In der darauffolgenden Phase wird der Sekundärschalter S10 geöffnet und der Sekundärschalter S11 geschlossen. Dadurch steigt die Spannung Uk auf den Wert Uh2 an. Anschließend wird der Sekundärschalter S11 wieder geöffnet und der Sekundärschalter S12 geschlossen, woraufhin die Spannung Uk auf Uh3 ansteigt. Am Ende des Ladevorgangs wird der Sekundärschalter S12 geschlossen und der Sekundärschalter S13 geschlossen, wo durch die Spannung Uk am Schaltknoten auf die Endspannung Ub ansteigt.
In das Diagramm ist die über der Last anliegende Spannung Up ebenfalls eingezeichnet. Diese Spannung hat aufgrund der Regelung des Ladestroms einen kontinuierlichen Verlauf. Die Spannung Uk muss stets größer als Up sein, da die Last aus dem Schaltknoten K aufgeladen wird. Die Differenzspannung ΔUb = Uk –Up ist so eingestellt, dass ein bestimmter Schwellwert nicht überschritten wird, um die Verlustleistung der Stromeinstelleinrichtung CS1 zu begrenzen. Gemäß 8 ist eine Spannungsmessschaltung 40 vorgesehen, die während der Auflade- und Entladevorgänge die Spannung ΔUb misst.
10 zeigt das entsprechende Verfahren für die Entladung des Piezo. Dabei muss in diesem Fall die Bezugsspannung Uk für die Entladestromquelle immer tiefer als die Spannung Up am Piezo liegen. Die Energie wird in die Versorgung rückgespeist. Die Schalter S12, S10 S10 und S2 werden nacheinander jeweils einzeln geöffnet, so dass sich der gezeigte Spannungsverlauf mit den Spannungsstufen Uh3, Uh2, Uh1, 0 V ergibt.
11 eine Schaltungsanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform. Die Last P, der Schaltknoten K und die Stromquelle CS1 entsprechen in Anordnung und Funktion den vorherigen Figuren. Die Spannungseinstellungsschaltung 30 weist eine Batterie B, eine Spule L, einen ersten Schalter S1, eine erste Diode D1, eine zweite Diode D2, einen zweiten Schalter S2 und einen Kondensator C auf.
Die Batterie B ist mit ihrem negativen Pol mit der Masse verbunden, während ihr positiver Pol mit einem ersten Anschluss der Spule L verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem Zwischenknoten ZK verbunden ist. Die erste Diode ist mit ih rer Kathode an den Zwischenknoten ZK und ihrer Anode an die Masse angeschlossen. Der erste Schalter S1 ist als NMOS Feldeffekttransistor ausgebildet, der mit seiner Drain mit dem Zwischenknoten ZK und mit seiner Source mit der Masse verbunden ist.
Die zweite Diode D2 ist mit ihrer Anode mit dem Zwischenknoten ZK und mit ihrer Kathode mit dem Schaltknoten K verbunden. Der Kondensator C mit seinen Anschlüssen an den Schaltknoten K und die Masse angeschlossen. Der zweite Schalter S2 ist mit einem seiner Source- und Drain-Anschlüsse mit dem Schaltknoten K und mit dem anderen der Source- und Drain-Anschlüsse mit dem Zwischenknoten ZK verbunden.
Alternativ kann z. B. die Aufladung an dem Zwischenkreiskondensator C durch mittels LC-Schwingkreis erzeugt werden. Wichtig ist nur, dass diese Speisespannung immer eine ausreichende, aber nicht zu große Differenz ΔUb zur Spannung am Piezo zur Verfügung stellt.
Die 12 zeigt den Spannungsverlauf der am Schaltknoten K anliegenden Spannung Uk über der Zeit. Die Einspeisung erfolgt mit einer zeitlich invarianten, sich kontinuierlich ändernden, aber den gewünschten Verlauf der Spannung am Piezo nicht wiedergebenden Spannung.
13 veranschaulicht anhand von vier Diagrammen, wie der Anstieg beziehungsweise das Abfallen der Spannung Uk realisiert wird. Die oberen zwei Diagramme zeigen das Aufladen des Kondensators C. Der erste Schalter S1 wird geschlossen, während der zweite Schalter S2 geöffnet bleibt. Der Strom IL durch die Spule L steigt beginnend von 0 linear an, wodurch eine Spannung über der Spule aufgebaut wird und Energie im Magnetfeld der Spule gespeichert wird. Wenn der erste Schal ter S1 wieder geöffnet wird, steigt die Spannung am Zwischenknoten ZK an, sodass der Strom durch die Diode D2 abfließt. Der Strom IL fließt durch die zweite Diode zum Schaltknoten K, wo der Kondensator C aufgeladen wird.
Im zweiten Diagramm wird der Verlauf der Spannung Uk gezeigt. Während der ersten Phase, in der der erste Schalter S1 geschlossen ist, bleibt die Spannung konstant, wogegen sie in der zweiten Phase bei geöffnetem Schalter in Form einer Sinusviertelwelle ansteigt. Die Spannung Uk wird in einem Zyklus auf- bzw. wieder abgebaut.
In den zwei unteren Diagrammen werden die Verläufe des Stroms IL durch die Spule L und die Spannung Uk beim Entladen des Kondensators C gezeigt. Beim Entladen bleibt der Schalter S1 stets geöffnet. Während der ersten Phase ist der Schalter S2 geschlossen und der Strom fließt durch den Schalter S2 und die Spule L in die Batterie zurück. In der zweiten Phase wird der Schalter S2 geöffnet. Die sich am Zwischenknoten ZK sich ergebene negative Spannung wird durch einen Stromfluss durch die Spule L und die erste Diode D1 abgebaut. Während der ersten Phase wird die Spannung UK am Kondensator C verringert.
14 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern mehrerer Lasten. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Schalter S1, einen zweiten Schalter S2, einen Messwiderstand Rs, eine Entladesteuerung 15, eine Aufladesteuerung 14, eine Last P, eine weitere Last P2, einen ersten Auswahlschalter T1, einen zweiten Auswahlschalter T2, einen ersten Sollwertgeber 16 und einen zweiten Sollwertgeber 17 auf. Der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 sind in Reihe zwischen die Versorgungsspannung Ub und der Masse geschaltet, wobei der Verbindungsknoten zwischen den beiden Schaltern S1 und S2 der Schaltknoten K ist.
Die Last P und die weiter Last P2 sind jeweils mit einem Anschluss mit dem Schaltknoten K verbunden, während ihre zweiten Anschlüsse mit einem ersten Anschluss des Auswahlschalters T1 beziehungsweise T2 verbunden sind. Die zweiten Anschlüsse der beiden Auswahlschalter T1 und T2 sind gemeinsam mit einem ersten Anschluss des Messwiderstands Rs verbunden, dessen zweiter Anschluss mit der Masse verbunden ist. Der erste Anschluss eines Auswahlschalters T1 oder T2 und der zweite Anschluss desselben Auswahlschalters bilden die Laststrecke, wobei die Höhe des durch die Laststrecke fließenden Stroms durch die Steuereingänge der Auswahlschalter T1 und T2 bestimmt werden. Die Auswahlschalter T1 und T2 sind als MOSFET-Transistoren ausgebildet. Es können auch IGBT mit paralleler Diode verwendet werden.
Die Aufladesteuerung 14 und die Entladesteuerung 15 empfangen jeweils die über dem Messwiderstand Rs abfallende Spannung, um die Ströme durch den zweiten Schalter S2 und die Auswahlschalter T1 und T2 zu steuern, indem ihre Steuereingänge entsprechend angesteuert werden. Die Aufladesteuerung 14 und die Entladesteuerungen 15 empfangen von dem Sollwertgeber 16 bzw. 17 jeweils einen Sollwert für den Ladestrom.
Die ohnehin vorhandenen masseseitigen Halbleiterschalter T1 und T2 zur Auswahl des aktiven Injektors P und P2 werden gleichzeitig zur Stromsteuerung bei der Aufladung des jeweiligen Injektors benutzt. Dabei kann der in der Masseleitung liegender gemeinsamer Strommesswiderstand Rs sowohl für die Steuerung der Aufladung als auch für jene der Entladung benutzt werden. Die Stromregelkreise müssen daher eingangsseitig nicht umgeschaltet werden.
Für die Aufladung ist nur ein Stromregelkreis notwendig, der innerhalb der Steuereinheit auf den jeweils aktiven Transistor geschalten wird. Alle nicht aktiven können über ihren Steuereingang fest auf Masse geschalten werden. Damit erreicht man neben der Verlagerung der Aufladestromquelle in den leicht zu beherrschenden Massepfad vor allem auch eine Aufteilung der Aufladeverluste auf mehrere ohnehin notwendige Leistungshalbleiter. Wegen des Lade/Entladewirkungsgrades des Piezo sind die Aufladeverluste deutlich höher als die Verlustleistung in der Entladestromquelle.
Die Entladung kann ebenfalls unter Nutzung desselben Strommesswiderstandes gegen Massebezug erfolgen, was die Realisierung in einem gemeinsamen ASIC ermöglicht. Es bleibt lediglich die Notwendigkeit eines Schalters S1, der die Versorgungsspannung der Endstufe während der Entladung abtrennt.
15 zeigt eine Übersicht der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Eine Stromquelle CS1 ist in Reihe mit der Last P geschaltet. Die Reihenschaltung ist zwischen die Masse und eine Spannungseinstellungsschaltung 30 geschaltet, die eine Spannung bereitstellt, die abhängig von U_P die Verlustleistung über der Spannungsquelle CS1 möglichst gering hält.

Claims

Schaltungsanordnung zum Laden einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend: – einen Schaltknoten (K, K1), – eine in Reihenschaltung mit der Last (P) angeordnete Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS, T1) zum Bestromen der Last (P) beim Laden, wobei der Ladestrom durch den Schaltknoten (K, K1) fließt, – eine Messschaltung (14, 15) zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS, T1), – eine Steuereinrichtung (SE) zur Ansteuerung der Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS), derart, dass der Strom durch die Stromstellereinrichtung (CS) mit Hilfe der Messschaltung geregelt wird, – und eine Spannungseinstellschaltung (S1, S2, Ch) zum Verändern die Spannung (Uboost, Us) am Schaltknoten (K) während des Ladens der kapazitiven Last.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstelleinrichtung ein gesteuerter Widerstand ist, durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromeinstelleinrichtung einen Transistor (T1) enthält, durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (T1) beim Laden so angesteuert wird, dass der Transistor (T1) im linearen Kennlinienbereich arbeitet.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diode (D2) parallel zur Laststrecke des Transistors geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwertgeber (16, 17) zum Vorgeben eines Referenzwertes für den Ladestrom durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch – eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse (GND) bezogenen Versorgungsspannung (Ub), – einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten (K1) und einem zweiten Schaltungsknoten (K2) angeordneten Kondensator (Ch), wobei der erste Schaltungsknoten (K1) über eine Diode (D1) mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten (K2) über einen ersten Schalter (S1) mit der Spannungsquelle verbindbar ist, – einen vom ersten Schaltungsknoten (K1) zu einem der Lastanschlüsse führenden ersten Strompfad und einen vom zweiten Schaltungsknoten (K2) zum anderen der Lastanschlüsse führenden zweiten Strompfad, – eine in Reihenschaltung mit der Last (P) angeordnete Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS2), über welche die Last beim Aufladen und Entladen bestromt wird, und welche eine im ersten Strompfad und/oder eine im zweiten Strompfad angeordnete Stromquelle umfasst, – einen zweiten Schalter (S2), über welchen der erste Strompfad mit dem zweiten Schaltungsknoten (K2) verbindbar ist, und – eine Steuereinrichtung (SE) zur Ansteuerung der Schalter (S1, S2) und der Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS2), derart, dass a) während einer ersten Aufladephase (a) beide Schalter (S1, S2) geöffnet sind und die Last aus der Versorgungsspannung (Ub) teilweise aufgeladen wird, b) während einer zweiten Aufladephase (b) der erste Schalter (S1) geschlossen und der zweite Schalter (S2) geöffnet ist und die Last (P) aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators (Ch) weiter aufgeladen wird, c) während einer ersten Entladephase (c) beide Schalter (S1, S2) geöffnet sind und die Last (P) in den Kondensator (Ch) teilweise entladen wird, und d) während einer zweiten Entladephase (d) der erste Schalter (S1) geöffnet und der zweite Schalter (S2) geschlossen ist und die Last (P) in die elektrische Masse (GND) weiter entladen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS2) eine erste Stromquelle (CS1) zum Aufladen der Last (P) und separat davon eine zweite Stromquelle (CS2) zum Entladen der Last (P) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei eine zum Aufladen der Last (P) vorgesehene Stromquelle (CS1) im ersten Strompfad angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine zum Entladen der Last (P) vorgesehene Stromquelle (CS2) im zweiten Strompfad angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei im ersten Strompfad eine Diode (D2) angeordnet ist, über welche der Laststrom (Ip) während der ersten Entladephase (c) fließt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungseinstellschaltung – eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse (GND) bezogenen ersten Spannung (Ub), und – eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse (GND) bezogenen zweiten Spannung (Uh), die kleiner als die erste Spannung (Ub) ist, aufweist, wobei der Schaltungsknoten (K) über einen ersten Schalter (S1) mit der ersten Spannung (Ub), über einen zweiten Schalter (S3, S4) mit der zweiten Spannung (Uh) und über einen dritten Schalter (S2) mit der elektrischen Masse (GND) verbindbar ist, und eine Steuereinrichtung (SE) zur Ansteuerung der Schalter (S1 bis S4) und der Stromeinstelleinrichtung (CS), derart, dass a) während einer ersten Aufladephase (a) der zweite Schalter (S3, S4) geschlossen ist, um die Last (P) aus der zweiten Spannung (Uh) teilweise aufzuladen, b) während einer zweiten Aufladephase (b) der erste Schalter (S1) geschlossen ist, um die Last (P) aus der ersten Spannung (Ub) weiter aufzuladen, c) während einer ersten Entladephase (c) der zweite Schalter (S3, S4) geschlossen ist, um die Last (P) in die zweite Spannung (Uh) teilweise zu entladen, und d) während einer zweiten Entladephase (d) der dritte Schalter (S2) geschlossen ist, um die Last (P) in die elektrische Masse (GND) weiter zu entladen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Ansprüche, wobei die zweite Spannungsquelle von einem Kondensator (Ch) gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die zweite Spannung (Uh) an einem Anschluss des Kondensators (Ch) bereitgestellt wird, dessen anderer Anschluss mit der ersten Spannung (Ub) oder mit elektrischer Masse (GND) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine n Vielzahl, n > 2, von Schaltern vorgesehen ist, wobei jeder der n Schalter zum Verbinden des Schaltknotens (K) mit einer aus einer n Vielzahl von Spannungen vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von n Spannungen von einer Schaltung (20) bereitgestellt wird, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren (C1, C2, C3, C4, C5) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die n Spannungen jeweils von einer über einen magnetisierbaren Kern (23) eines Übertragers (20) gewickelten Spule (220, 221, 222, 223, 224) erzeugt werden.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für n gilt: 2 < n < 7.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Spannungswandler zum Erzeugen eines linearen Anstiegs der Spannung am Schaltknoten (K) beim Aufladen der Last (P).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungswandler zum Erzeugen eines linearen Abfalls der Spannung am Schaltknoten (K) beim Entladen der Last (P).
Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsmessschaltung (40) vorgesehen ist zum Überprüfen, ob die Spannung über der Stromeinstelleinrichtung einen vorbestimmten Schwellwert (ΔUb) überschreitet.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwiderstand (Rs) im Pfad der Reihenschaltung von Last (P) und Stromstelleinrichtung (T1) zur Messung des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung (T1) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung auch zum Schalten mindestens einer weiteren kapazitiven Last (P2), insbesondere eines Piezoaktors, dient, und – eine in Reihenschaltung mit der weiteren Last (P2) angeordnete weitere Stromeinstelleinrichtung (T2) aufweist, über welche die weitere Last (P2) beim Laden bestromt wird, wobei der Ladestrom durch den Schaltknoten (K) fließt, – wobei der Messwiderstand (Rs) so angeordnet ist, dass Ladeströme für die Last (P) und für die weitere Last (P2) jeweils durch den Messwiderstand (Rs) fließen.
Verfahren zum Laden einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer ersten Spannung (Uboost, Uk) an einem Schaltknoten (K), b) Regeln des Ladestroms in die Last (P) mit Hilfe einer Stromeinstelleinrichtung (CS) als Stellglied, wobei die Stromeinstelleinrichtung (CS) in Reihe mit der Last (P) geschaltet ist, und wobei der Ladestrom durch den Schaltknoten (K) fließt, c) während des Ladens der Last (P), Verändern der Spannung an dem Schaltknoten (K) derart, dass der Betrag der über der Stromstelleinrichtung (CS) abfallenden Spannung (ΔU8) während des Ladevorgangs einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Spannung (U_K) am Schaltknoten (K) in Stufen verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Spannung (U_K) am Schaltknoten (K) kontinuierlich verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Aufladestrom als auch der Entladestrom durch den Schaltknoten (K) fließt.
Verfahren nach Anspruch 24, umfassend – Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse (GND) bezogenen Versorgungsspannung (Ub) mittels einer Spannungsquelle, und – Einstellung eines Laststromes (Ip), der beim Aufladen und Entladen durch die Last (P) fließt, in wenigstens einem von zwei zur Last führenden Strompfaden, wobei die Aufladung und Entladung derart erfolgt, dass a) während einer ersten Aufladephase (a) eine Nachladung eines Kondensators (Ch) und eine teilweise Aufladung der Last (P) jeweils aus der Versorgungsspannung (Ub) erfolgt, b) während einer zweiten Aufladephase (b) eine weitere Aufladung der Last (P) aus einer Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators (Ch) erfolgt, wobei im Kondensator (Ch) gespeicherte Energie teilweise zur Last (P) übertragen wird, c) während einer ersten Entladephase (c) eine teilweise Entladung der Last (P) in den Kondensator (Ch) erfolgt, so dass Energie von der Last (P) in den Kondensator (Ch) rückgespeist wird, und d) während einer zweiten Entladephase (d) eine weitere Entladung der Last (P) in die elektrische Masse (GND) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 24, umfassend – Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse (GND) bezogenen ersten Spannung (Ub), – Bereitstellung einer auf die elektrische Masse (GND) bezogenen zweiten Spannung (Uh), die kleiner als die erste Spannung (Ub) ist, – Einstellung eines Stromes (Ip), der beim Aufladen und Entladen durch die Last (P) fließt, und – Ansteuerung von Schaltern (S1 bis S4) und der Stromeinstellung (CS), derart, dass a) während einer ersten Aufladephase (a) die Last (P) aus der zweiten Spannung (Uh) teilweise aufgeladen wird, b) während einer zweiten Aufladephase (b) die Last (P) aus der ersten Spannung (Uh) weiter aufgeladen wird, c) während einer ersten Entladephase (c) die Last (P) in die zweite Spannung (Uh) teilweise entladen wird, und d) während einer zweiten Entladephase (d) die Last (P) in die elektrische Masse (GND) weiter entladen wird.