DE102012216414A1

DE102012216414A1 - Weiches Einschalten bei einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102012216414A1
Application number: DE102012216414A
Authority: DE
Inventors: Calogero Andrea Trecarichi; Giovanni Luca Torrisi; Donato Tagliavia
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2032-09-15
Also published as: ITMI20111669A1; US20130068204A1; US9013224B2; DE102012216414B4

Abstract

Geschaffen wird ein Schaltsystem (115) zur Verwendung bei einem Zündsystem (105) eines Verbrennungsmotors (100). Das Schaltsystem weist eine Schaltvorrichtung (125) auf, die zwischen einem Akkumulationszustand (zum Akkumulieren von Energie in einem ersten Bereich des Zündsystems) und einem Übertragungszustand (zum Übertragen der Energie von dem ersten Bereich des Zündsystems zu einem zweiten Bereich des Zündsystems) umschaltbar ist, um mindestens ein Zündelement (110) des Verbrennungsmotors zu aktivieren. Das Schaltsystem weist ferner eine Steuerlogik (120) auf mit einer Einrichtung (505, 510) zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Steuern der Schaltvorrichtung. Das Steuersignal variiert zwischen einem Übertragungswert, der dem Übertragungszustand entspricht, und einem Akkumulationswert, der dem Akkumulationszustand entspricht. Die Steuerlogik weist ferner eine Einrichtung (520A, 520B, 530A, 530B) zum Messen eines Fortschrittindikators, der einen Fortschritt eines einleitenden Schaltvorgangs der Schaltvorrichtung von dem Übertragungszustand in den Akkumulationszustand anzeigt, sowie eine Einrichtung (505, 510) auf, um das Steuersignal zu veranlassen, sich während eines ersten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs mit einer ersten Änderungsrate zu ändern, bis der Fortschrittindikator einen ersten Wert erreicht, der einen ersten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs nach dem Akkumulationszustand anzeigt. Bei der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Steuerlogik ferner eine Einrichtung (505, 510) auf, um das Steuersignal zu veranlassen, sich mit einer zweiten Änderungsrate, die niedriger als die erste Änderungsrate ist, während eines auf das erste Stadium folgenden zweiten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs zu ändern, bis der Fortschrittindikator einen zweiten Wert erreicht, der einen zweiten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs nach dem ersten Fortschrittzustand anzeigt, und weist ferner eine Einrichtung (505, 510) auf, um das Steuersignal zu veranlassen, sich mit einer dritten Änderungsrate, die höher ist als die zweite Änderungsrate, während eines auf das zweite Stadium folgenden dritten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs zu ändern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in Lösung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen im allgemeinen auf das Gebiet der Elektronik. Im spezielleren befasst sich die vorliegende Erfindung mit Schaltsystemen zum Zünden von Verbrennungsmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren.
Stand der Technik
Heutzutage wird in fast jedem Verbrennungsmotor (z. B. auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik) die Zündung eines entsprechenden Verbrennungsvorgangs üblicherweise durch ein Zündsystem elektronischen Typs hervorgerufen. Typischerweise weist das Zündsystem eine Schaltvorrichtung (z. B. einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate oder IGBT) auf, die die Zündfunken von Zündkerzen des Verbrennungsmotors steuert. Zu diesem Zweck ist der IGBT mit einer Primärwicklung eines Wandlers gekoppelt; der Wandler weist eine oder mehrere Sekundärwicklungen auf, von denen jede mit einer jeweiligen Zündkerze gekoppelt ist. Während jedes Zyklus des Verbrennungsmotors wird als erstes der IGBT durch Anlegen einer geeigneten Spannung an seinen Gateanschluss eingeschaltet. Als Ergebnis hiervon wird die Primärwicklung mit einem Strom geladen, der einen im Wesentlichen linearen Verlauf hat. Wenn das Abfeuern des Zündfunkens erforderlich ist, wird der IGBT ausgeschaltet, so dass es so einer abrupten Unterbrechung des entsprechenden Stroms kommt. Als Ergebnis hiervon entwickelt sich eine Zusatzspannung über der Primärwicklung (proportional zu der Änderungsrate des Stroms des IGBT); diese Zusatzspannung schlägt sich in jeder Sekundärwicklung multipliziert mit einem Windungsverhältnis des Wandlers nieder (d. h. dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen eines Leitungsdrahts in der Sekundärwicklung und der Anzahl der Windungen eines weiteren Leitungsdrahts in der Primärwicklung). Aus diesem Grund wird eine sehr hohe Spannung (in der Größenordnung von Tausenden Volt) über jeder Zündkerze vorgegeben, die das Absetzen des Zündfunkens veranlasst.
Der Strom über dem IGBT ändert sich jedoch auch beim Einschalten (in Abhängigkeit von einer Dauer einer Einschalt-Übergangsperiode des IGBT). Dies verursacht eine entsprechende Zusatzspannung über der Primärwicklung, die zu einer Spannungsüberhöhung über der Sekundärwicklung führt, die einen unerwünschten Zündfunken hervorrufen kann. Ein solcher unerwünschter Zündfunke kann eine frühere Zündung des Verbrennungsmotors verursachen und dadurch die Effizienz vermindern oder sogar ernsthafte Motorschäden hervorrufen, da der anomale Zündfunke zu einem falschen Zeitpunkt des Verbrennungsmotor-Zyklus auftreten könnte.
Zum Lösen dieses Problems ist es in der Technik bekannt, den IGBT in einer derartigen Weise zu steuern, dass man ein sogenanntes weiches Einschalten desselben erzielt, bei dem der IGBT allmählich eingeschaltet wird. Zu diesem Zweck ist es möglich, dem Gateanschluss des IGBT einen relativ geringen Gleichstrom zuzuführen; dieser Strom lädt entsprechende Streukondensatoren des IGBT auf, um die Gatespannung langsam zu erhöhen, bis der IGBT einschaltet. Auf diese Weise wird eine Änderungsrate des Stroms über dem IGBT stark vermindert (wobei hierdurch jeglicher unerwünschte Zündfunke vermieden wird.
Einige Betriebsparameter des IGBT (wie z. B. dessen Schwellenspannung) stehen jedoch in enger Beziehung zu Umgebungsbedingungen (wie z. B. einer Außentemperatur). Daher kann das weiche Einschalten des IGBT immer dann an Effizienz verlieren, wenn der Wert seiner Betriebsparameter gegenüber den erwarteten Werten variiert, gemäß denen das weiche Einschalten ausgebildet ist. Darüber hinaus können sich Werte der Betriebsparameter willkürlich von Nominalwerten aufgrund von nicht-idealen Eigenschaften unterscheiden, die dem Herstellungsprozess des IGBT innewohnen (z. B. Herstellungstoleranzen), wobei diese im folgenden aus Gründen der Kürze als Herstellungsprozess-Streubreiten bezeichnet werden. Die Werte der Betriebsparameter können sich auch aufgrund von Alterung des IGBT verändern. Derartige Schwankungen bei den Betriebsparametern verursachen somit einen dauerhaften Effizienzverlust bei dem weichen Einschalten desselben. Es ist auch möglich, dass aus den vorstehend geschilderten Gründen die gleichen Betriebsparameter zum Einschalten des IGBT ungeeignet werden, mit der Konsequenz, dass der IGBT permanent ausgeschaltet bleibt und dadurch ein Betrieb des Verbrennungsmotors verhindert wird.
Eine weitere im Stand der Technik bekannte Vorgehensweise zum Reduzieren von Spannungsüberhöhungen an der Sekundärwicklung erfordert das Vorsehen einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung zwischen jeder Sekundärwicklung und der jeweiligen Zündkerze.
Eine derartige Technik ist jedoch inhärent teuer, da für jede Zündkerze des Motors eine entsprechende Spannungsbegrenzungsvorrichtung vorgesehen sein sollte.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Lösung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung basiert im Allgemeinen auf dem Gedanken, ein weiches Einschalten bei einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors zu implementieren.
Im Spezielleren werden ein oder mehrere Aspekte der Lösung gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der Erfindung in den unabhängigen Ansprüche angegeben, wobei vorteilhafte Merkmale der gleichen Lösung, die in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind, in ihrem Wortlaut durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht werden (zusammen mit jeglichem vorteilhaften Merkmal, das in Bezug auf einen speziellen Aspekt der Lösung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen ist, wobei dieses für jeden anderen Aspekt derselben in entsprechender Weise anwendbar ist).
Im Spezielleren sieht ein Aspekt einer Lösung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Schaltsystem zur Verwendung bei einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors vor. Das Schaltsystem weist eine Schaltvorrichtung auf, die zwischen einem Akkumulationszustand (zum Akkumulieren von Energie in einem ersten Bereich des Zündsystems) und einem Übertragungszustand (zum Übertragen der Energie von dem ersten Bereich des Zündsystems zu einem zweiten Bereich des Zündsystems) umgeschaltet werden kann, um mindestens ein Zündelement des Verbrennungsmotors zu aktivieren. Das Schaltsystem weist ferner eine Steuerlogik mit einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Steuern der Schaltvorrichtung auf. Das Steuersignal variiert zwischen einem Übertragungswert, der dem Übertragungszustand entspricht, und einem Akkumulationswert, der dem Akkumulationszustand entspricht. Die Steuerlogik weist ferner eine Einrichtung zum Messen eines Fortschrittindikators, der einen Fortschritt eines einleitenden Schaltvorgangs der Schaltvorrichtung von dem Übertragungszustand in den Akkumulationszustand anzeigt, sowie eine Einrichtung auf, um das Steuersignal zu veranlassen, sich während eines ersten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs mit einer ersten Änderungsrate zu ändern, bis der Fortschrittindikator einen ersten Wert erreicht, der einen ersten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs nach dem Akkumulationszustand anzeigt. Bei der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Steuerlogik ferner eine Einrichtung auf, um das Steuersignal zu veranlassen, sich mit einer zweiten Änderungsrate, die niedriger als die erste Änderungsrate ist, während eines auf das erste Stadium folgenden zweiten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs zu ändern, bis der Fortschrittindikator einen zweiten Wert erreicht, der einen zweiten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs nach dem ersten Fortschrittzustand anzeigt, und weist ferner eine Einrichtung auf, um das Steuersignal zu veranlassen, sich mit einer dritten Änderungsrate, die höher ist als die zweite Änderungsrate, während eines auf das zweite Stadium folgenden dritten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs zu ändern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die dritte Änderungsrate höher sein als die erste Änderungsrate.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schaltvorrichtung einen ersten Leitunganschluss und einen zweiten Leitunganschluss zur Verbindung in dem Zündsystem auf, und bei dem Fortschrittindikator kann es sich um eine Betriebsspannung der Schaltvorrichtung zwischen dem ersten Leitunganschluss und dem zweiten Leitunganschluss handeln.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schaltvorrichtung einen Steueranschluss zum Empfangen des Steuersignals auf, wobei es sich bei dem Steuersignal um eine Steuerspannung handelt, und die Einrichtung zum Bereitstellen eines Steuersignals kann eine Einrichtung zum Erzeugen der Steuerspannung aus einem Steuerstrom sowie eine Einrichtung zum selektiven Vorgeben des Steuerstroms mit einer ersten Amplitude, einer zweiten Amplitude oder einer dritten Amplitude entsprechend der ersten Änderungsrate, der zweiten Änderungsrate bzw. der dritten Änderungsrate aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es sich bei dem Übertragungszustand um einen geöffneten Zustand der Schaltvorrichtung handeln und bei dem Akkumulationszustand um einen geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung handeln.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Fortschrittindikator einen Anfangswert im Übertragungszustand und einen abschließenden Wert im Akkumulationszustand aufweisen, wobei eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem abschließenden Wert zwischen 85 bis 95% einer Differenz zwischen dem Anfangswert und dem abschließenden Wert beträgt und eine Differenz zwischen dem zweiten Wert und dem abschließenden Wert weniger als 50% der Differenz zwischen dem Anfangswert und dem abschließenden Wert beträgt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Schaltsystem eine Einrichtung zum Erfassen eines Zeitablaufs (Time-out), bei dem eine Dauer des zweiten Stadiums eine vorbestimmte maximale Dauer erreicht, sowie eine Einrichtung aufweisen, um eine zwangsweise Änderung des Steuersignals mit der dritten Änderungsrate ansprechend auf die Erfassung des Zeitablaufs zu veranlassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Schaltsystem eine Einrichtung zum Erhöhen der zweiten Änderungsrate ansprechend auf die Erfassung des Zeitablaufs aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Schaltsystem eine Einrichtung aufweisen, um das Steuersignal während eines dem ersten Stadium vorausgehenden Einrichtstadiums auf dem Übertragungswert zu halten.
Ein weiterer Aspekt einer Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung sieht eine Steuerlogik zur Verwendung bei diesem Schaltsystem vor.
Noch ein weiterer Aspekt einer Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung sieht ein Zündsystem eines Verbrennungsmotors mit diesem Schaltsystem vor.
Noch ein weiterer Aspekt einer Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung sieht einen Verbrennungsmotor mit diesem Zündsystem vor.
Ein weiterer Aspekt einer Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung sieht ein Fahrzeug mit diesem Verbrennungsmotor vor.
Noch ein weiterer Aspekt einer Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Umschalten einer Schaltvorrichtung in einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors zwischen einem Akkumulationszustand zum Akkumulieren von Energie in einem ersten Bereich des Zündsystems und einem Übertragungszustand zum Übertragen der Energie von dem ersten Bereich des Zündsystems zu einem zweiten Bereich des Zündsystems vor, um zumindest ein Zündelement des Verbrennungsmotors zu aktivieren. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
Bereitstellen eines Steuersignals zum Steuern der Schaltvorrichtung, wobei das Steuersignal zwischen einem dem Übertragungszustand entsprechenden Übertragungswert und einem dem Akkumulationszustand entsprechenden Akkumulationswert variiert;
Messen eines Fortschrittindikators, der einen Fortschritt eines einleitenden Schaltvorgangs der Schaltvorrichtung von dem Übertragungszustand in den Akkumulationszustand anzeigt, und
Veranlassen des Steuersignals, während eines ersten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs mit einer ersten Änderungsrate zu variieren, bis der Fortschrittindikator einen ersten Wert erreicht, der einen ersten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs nach dem Akkumulationszustand anzeigt.
Das Verfahren weist ferner folgende Schritte auf:
Veranlassen des Steuersignals, während eines auf das erste Stadium folgenden zweiten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs mit einer zweiten Änderungsrate, die niedriger ist als die erste Änderungsrate, zu variieren, bis der Fortschrittindikator einen zweiten Wert erreicht, der einen auf den ersten Fortschrittzustand folgenden, zweiten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs anzeigt, und
Veranlassen des Steuersignals, während eines auf das zweite Stadium folgenden dritten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs mit einer dritten Änderungsrate zu variieren, die höher ist als die zweite Änderungsrate.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Eine Lösung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile derselben werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels derselben besser verständlich, das lediglich als nicht einschränkendes Beispiel und ohne Einschränkungen zu verstehen ist und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist (wobei entsprechende Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind und auf eine Wiederholung ihrer Erläuterung zur Verkürzung der Beschreibung verzichtet wird). In dieser Hinsicht wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind (wobei einige Details übertrieben und/oder vereinfacht dargestellt sein können) und dass diese die hierin beschriebenen Konstruktionen und Verfahrensweisen einfach schematisch veranschaulichen sollen, falls nichts anderes erwähnt ist. Im Spezielleren zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Bereichs eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Schaltsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann;
2 eine schematische Darstellung von Trends von Betriebsspannungen und Strömen des Zündsystems der 1 gegenüber der Zeit bei einem bekannten Schaltsystem des Standes der Technik;
3A eine schematische Darstellung von Trends von Betriebsspannungen und Strömen des elektronischen Zündsystems der 1 gegenüber der Zeit bei einem Schaltsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3B eine schematische Darstellung von Trends von Betriebsspannungen und Strömen des elektronischen Zündsystems der 1 gegenüber der Zeit bei einem Schaltsystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung von Trends von Betriebsspannungen und Strömen des elektronischen Zündsystems der 1 gegenüber der Zeit bei einem Schaltsystem gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Prinzipschaltung eines Schaltsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6A eine Darstellung von experimentellen Resultaten bei einem Motor mit elektronischer Zündung mit einem Schaltsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6B eine Darstellung von experimentellen Resultaten bei einem Motor mit elektronischer Zündung mit einem Schaltsystem gemäß einer bekannten Lösung des Standes der Technik.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
Unter Bezugnahme insbesondere auf 1 ist ein Bereich eines Verbrennungsmotors 100 (z. B. zur Verwendung in Kraftfahrzeugen) dargestellt, bei dem ein Schaltsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Anwendung finden kann. Der Verbrennungsmotor 100 weist ein Zündsystem 105 elektronischen Typs auf, das zum Steuern des Abfeuerns von Zündfunken bei einer oder mehreren Zündkerzen 110 (zwei in den Zeichnungen) des Verbrennungsmotors 100 verwendet wird.
Das Zündsystem 105 basiert auf einem Schaltsystem 115, das eine Steuerlogik 120 und eine von der Steuerlogik 120 gesteuerte Schaltvorrichtung, wie z. B. einen IGBT 125, aufweist. Im Detail wird die Steuerlogik 120 mit einer Referenzspannung (oder Massespannung) und einer Versorgungsspannung V_CC gespeist (wobei diese typischerweise 5–10 V in Bezug auf die Massespannung beträgt). Der Steuerlogik 120 wird ein Schaltbefehl V_IN zugeführt, der bei dem vorliegenden Beispiel aus einem Logiksignal besteht, das bei der Versorgungsspannung V_CC angelegt werden kann oder bei der Massespannung weggenommen werden kann; der Schaltbefehl V_IN wird z. B. von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Motorsteuereinheit (ECU) bereitgestellt. Die Steuerlogik 120 erzeugt ein Steuersignal, das einem Gateanschluss des IGBT 125 zugeführt wird, bei dem es sich bei dem vorliegenden Beispiel um eine Steuerspannung V_G zum Steuern des IGBT 125 in Abhängigkeit von dem Schaltsignal V_IN handelt. Der IGBT 125 weist ferner einen ersten Leitunganschluss (Emitteranschluss) auf, der mit dem Masseanschluss verbunden ist. Die Steuerlogik 120 weist einen mit einem zweiten Leitungsanschluss (Kollektoranschluss) des IGBT 125 verbundenen Eingang zum Messen von dessen Kollektor-Emitter-Spannung auf.
Weiterhin weist das Zündsystem 105 einen Wandler 130 mit einer Primärwicklung L₁ und einer oder mehreren Sekundärwicklungen L₂ auf (eine pro entsprechende Zündkerze 110 – zwei bei dem vorliegenden Beispiel). Die Wicklungen L₁ und L₂ sind mit ihren ersten Anschlüssen zusammengeschaltet, um eine Batteriespannung V_BAT zu empfangen (z. B. 12 V in Bezug auf die Massespannung), die von einer Batterie (z. B. einer in der Zeichnung nicht dargestellten Fahrzeugbatterie) bereitgestellt wird. Ein zweiter Anschluss der Primärwicklung L₁ ist mit dem Kollektoranschluss des IGBT 125 verbunden. Ein zweiter Anschluss jeder Sekundärwicklung L₂ ist mit einem Anschluss der betreffenden Zündkerze 110 verbunden, deren anderer Anschluss mit dem Masseanschluss verbunden ist.
Die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors 100 mit einem im Stand der Technik bekannten Schaltsystem 115 wird nun unter Bezugnahme auf 1 zusammen mit 2 beschrieben, die in schematischer Weise Trends von Betriebsspannungen und Strömen des Zündsystems 105 gegenüber der Zeit veranschaulicht. Wenn der Schaltbefehl V_IN weggenommen wird (z. B. gegenüber der Massespannung), weist die Steuerspannung V_G einen niedrigen Wert auf (der z. B. gleich der Massespannung ist), so dass der IGBT 125 ausgeschaltet wird. In diesem Zustand weist eine Ausgangsspannung V_C (an dem Kollektoranschluss des IGBT 125) einen Wert auf, der in etwa gleich dem Wert der Batteriespannung V_BAT ist. Eine gewisse Zeit, bevor das Abfeuern eines Zündfunkens erforderlich ist (zum Zünden des Verbrennungsmotors), wird der Schaltbefehl V_IN angelegt (z. B. bei der Versorgungsspannung V_CC); als Ergebnis hiervon wird die Steuerspannung V_G auf einen hohen Wert gebracht (z. B. einen Wert gleich V_CC), so dass der IGBT 125 eingeschaltet wird. In diesem Zustand fällt die Kollektorspannung V_C rasch auf einen niedrigen Wert V_Cm, der ungefähr gleich der Massespannung ist (d. h. auf einen Sättigungsspannungswert für den IGBT 125). Somit steigt eine Primärspannung über der Primärwicklung L₁ des Wandlers 130 auf einen Wert in der Nähe des Werts der Batteriespannung V_BAT; ein Ladestrom I_C mit linearem Verlauf fließt dann durch die Primärwicklung L₁, um auf diese Weise Energie in dieser zu speichern. Anschließend schaltet der Schaltbefehl V_IN zurück auf den niedrigen Wert und verursacht dadurch eine abrupte Reduzierung des Ladestroms I_C (d. h. eine Stromsteilheit ΔI_C/Δt des Ladestroms I_C nimmt einen sehr hohen Wert an). Ansprechend darauf steigt die Ausgangsspannung V_C, und es entwickelt sich eine Zusatzspannung über der Primärwicklung L₁, zusammen mit einem entsprechenden, sehr niedrigen Spannungswert V_Sm über jeder Sekundärwicklung L₂, die die zuvor in der Primärwicklung L₁ gespeicherte Energie zu den Sekundärwicklungen L₂ überträgt und von dort zu den Zündkerzen 110 überträgt, die dann zünden.
Auch wenn die Ausgangsspannung V_C rasch auf den niedrigen Spannungswert V_Cm fällt (d. h. bei einer Spannungssteilheit ΔV_C/Δt mit einem sehr hohen Wert), erscheint leider eine entsprechende Sekundärspannung Vs an jeder Sekundärwicklung L₂. Im Detail erreicht die Sekundärspannung Vs einen Spannungswert V_SM, der eine ungewollte Aktivierung der Zündkerzen 110 verursachen kann, wobei dies die Effizienz des Motors vermindern kann oder sogar die mechanischen Teile desselben beschädigen kann, die sich zusammen mit der jeweiligen Zündkerze 110 in einer entsprechenden Brennkammer (in den Zeichnungen nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 100 befinden.
Unter Bezugnahme nunmehr auf 3A, in der auf die Zeit bezogene Trends von Betriebsspannungen und Strömen des elektronischen Zündsystems 105 mit einem Schaltsystem 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt sind, wird eine Arbeitsweise des Schaltsystems 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei weiterhin auf 1 Bezug genommen wird.
Bei der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Steuerlogik 120 zum Erzeugen einer variablen Steuerspannung V_G ausgebildet, die an dem IGBT 125 zum Steuern desselben bereitzustellen ist. Der Wert der Steuerspannung V_G steht in Beziehung zu dem von der Ausgangsspannung V_C angenommenen Wert, wobei es auf diese Weise möglich ist, jegliche ungewollte Aktivierung der Zündkerzen 110 zu verhindern, wie dies aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlicher verständlich wird.
Ausgehend von einem Anlegen des Schaltbefehls V_IN beispielsweise von dem niedrigen Wert (der Massespannung) auf den hohen Wert (der Versorgungsspannung V_CC) bis zu einem abschließenden Zeitpunkt t_f – einer Zeitdauer, die im folgenden aus Gründen der Verkürzung als ”einleitender Schaltvorgang” bezeichnet wird – veranlasst die Steuerlogik 120 ein Variieren der Steuerspannung V_G mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Änderungsrate während eines ersten, eines zweiten bzw. eines dritten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs.
Im Spezielleren veranlasst die Steuerlogik 120 ein Variieren der Steuerspannung V_G mit der ersten Änderungsrate während des ersten Stadiums von einem Anfangszeitpunkt t_i bis zu einem ersten zwischengeordneten Zeitpunkt bzw. Zwischenzeitpunkt t₁) des einleitenden Schaltvorgangs, bis die Ausgangsspannung V_C einen ersten zwischengeordneten Spannungswert V_I1 erreicht, der vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, gleich 90% des Anfangswerts der Ausgangsspannung V_C (d. h. der Batteriespannung V_BAT) ist.
Während des ersten Stadiums wird ein Leitungszustand des IGBT 125 initiiert, wenn die Steuerspannung V_G auf Werte über einem Schwellenspannungswert V_TH für den IGBT 125 steigt. Im Spezielleren veranlasst die erste Änderungsrate der Steuerspannung V_G das Fließen eines Ladestroms I_C durch den IGBT 125. Ein solcher durch den IGBT 125 fließender Ladestrom I_C steigt während des einleitenden Schaltvorgangs sehr langsam an, wobei er einem ungefähr parabelförmigen Verlauf folgt. Selbst wenn der IGBT 125 sich in einem derartigen Leitungszustand befindet, fällt somit die Ausgangsspannung V_C mit einer ersten Spannungssteilheit (bei der es sich um eine negative Steilheit handelt) in Richtung auf den ersten Zwischenspannungswert V_I1.
Wenn die Ausgangsspannung V_C den ersten Zwischenwert V_I1 erreicht, beginnt das zweite Stadium (von dem ersten Zwischenzeitpunkt t₁ bis zu einem zweiten Zwischenzeitpunkt t₂), in dem die Steuerlogik 120 ein Variieren der Steuerspannung V_G mit der zweiten Änderungsrate veranlasst, die niedriger ist als die erste Änderungsrate des ersten Stadiums, bis die Ausgangsspannung V_C einen zweiten Zwischenwert V_I2 erreicht, der vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, weniger als 50% (z. B. 40%) des Anfangswerts der Ausgangsspannung V_C (d. h. der Batteriespannung V_BAT) beträgt.
Die Ausgangsspannung V_C fällt somit mit einer zweiten (negativen) Spannungssteilheit auf den zweiten Zwischenspannungswert. Im Spezielleren wird die zweite Steuerspannung V_G derart gewählt, dass die entsprechende zweite Spannungssteilheit der Ausgangsspannung V_C jegliche ungewollte Aktivierung der Zündkerzen 110 während des einleitenden Schaltvorgangs des Schaltsystems 115 verhindert.
Sobald die Ausgangsspannung V_C den zweiten Zwischenwert V_I2 erreicht hat, veranlasst die Steuerlogik 120 ein Variieren der Steuerspannung V_G mit der dritten Änderungsrate, die höher ist als die zweite Änderungsrate – und vorzugsweise höher ist als die erste Änderungsrate – während des dritten Stadiums (von dem zweiten Zwischenzeitpunkt t₂ bis zu einem abschließenden Zwischenzeitpunkt t_f) des einleitenden Schaltvorgangs nach dem zweiten Stadium.
In dem dritten Stadium ist die dritte Änderungsrate derart ausgebildet, dass das Laden des IGBT-Gateanschlusses vollständig abgeschlossen wird. Somit ist es möglich, die Steuerspannung V_C rasch auf den Mindestspannungswert V_Cm (der dem Sättigungsspannungswert des IGBT 125 entspricht) zu bringen, um dadurch eine Aktivierung der Primärwicklung L₁ durch den Ladestrom I_C rasch abzuschließen, ohne irgend eine ungewollte Aktivierung der Zündkerzen 110 hervorzurufen. Dieses Ergebnis wird dadurch erzielt, dass der zweite Zwischenspannungswert V_I2 niedrig genug gewählt wird, um jegliches Auftreten von Sekundärspannungen V_S über den Sekundärwicklungen L₂ mit einem ausreichend hohen Spannungswert zu verhindern, der eine ungewollte Aktivierung der Zündkerzen 110 hervorrufen würde.
Mit dem Schaltsystem gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es möglich, sowohl die Spannung als auch den Strom über den Leitunganschlüssen (d. h. den Kollektor- und Emitteranschlüssen) des IGBT durch Messen eines Indikators für den Fortschritt des Ladens der Primärwicklung zu steuern, wobei ein solcher Fortschrittindikator z. B. die Ausgangsspannung des Schaltsystems ist. Dies erlaubt ein Verhindern von ungewollten Zusatzspannungen über der Primärwicklung, die zu einer Spannungsüberhöhung über den Sekundärwicklungen führen, welche unerwünschte Aktivierungen der Zündkerzen hervorrufen kann. Auf diese Weise wird die Verminderung der Effizienz des Motors oder auch eine Beschädigung der mechanischen Teile desselben verhindert.
Die Arbeitsweise eines Schaltsystems 115 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1 zusammen mit 3B beschrieben, in der Trends von Betriebsspannungen und Strömen des elektronischen Zündsystems 105 gegenüber der Zeit schematisch veranschaulicht sind.
Im Spezielleren unterscheidet sich die Arbeitsweise des Schaltsystems 115 von der soeben beschriebenen Arbeitsweise in folgenden Punkten.
Eine Einrichtzeitdauer Δt_S (von dem Anfangszeitpunkt t_i bis zu einem Einrichtzeitpunkt t_s) wird abgewartet, bevor die Steuerspannung V_G dazu veranlasst wird, während des ersten Stadiums mit der ersten Änderungsrate zu variieren. Die Einrichtzeitdauer Δt_s ermöglicht ein sicheres und korrektes Ermitteln eines Anfangswerts der Ausgangsspannung V_C (wobei es sich im Wesentlichen um einen Wert gleich dem Wert der Batteriespannung V_BAT handelt) am Ende des Übertragungszustands durch die Steuerlogik 120, und zwar selbst im Fall von Änderungen bei dem Wert der Batteriespannung V_BAT (beispielsweise bei vorübergehenden Reduzierungen aufgrund von Spitzenleistungs-Absorption von der Batterie).
In 4 sind Trends der Betriebsspannungen des Verbrennungsmotors 100 der 1 gegenüber der Zeit veranschaulicht, und zwar bei Realisierung eines Schaltsystems 115 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Arbeitsweise des Schaltsystems 115 unterscheidet sich von der Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Schaltsysteme darin, dass eine Selbsteinstellung der Akkumulationsbedingung vorgesehen ist. Genauer gesagt prüft die Steuerlogik 120, ob eine Dauer des zweiten Stadiums einen vorbestimmten Zeitablauf (Time-out) überschreitet. Die Steuerlogik 120 misst eine Dauer des zweiten Stadiums (z. B. mittels eines nicht gezeigten Zählers) von dem ersten Zwischenzeitpunkt t₁ (d. h. dem Beginn des zweiten Stadiums). Die Messung wird gestoppt und es erfolgt ein Reset, wenn die Ausgangsspannung V_C den zweiten Zwischenwert V_I2 erreicht, wobei dann geprüft wird, ob: t₂ – t₁ < Δt_OUT, wobei Δt_OUT den vorbestimmten Zeitablauf (Time-out) darstellt. Wenn das zweite Stadium länger dauert als Time-out Δt_OUT, d. h. wenn ein Zeitablauf-Zeitpunkt t_o erreicht wird, für den gilt: t_o – t₁ ≥ Δt_OUT, wird der Zeitablauf Δt_OUT festgestellt. Der Ablauf dieser Zeit Δt_OUT kann durch Schwankungen der Parameter des Zündsystems 105 beispielsweise aufgrund der Betriebstemperatur des Zündsystems 105 oder Alterung des IGBT 125 hervorgerufen werden. Zum Sicherstellen eines vollständigen Ladens der Primärwicklung innerhalb eines Zündzeitpunkts t_d (bei dem das Zünden der Zündkerzen 110 erforderlich ist), veranlasst die Steuerlogik 120 ein Variieren der Steuerspannung V_G mit der dritten Änderungsrate, wobei ein zwangsweises Starten des dritten Stadiums unabhängig von einem von der Ausgangsspannung V_C angenommenen tatsächlichen Wert V_I2' veranlasst wird. Auf diese Weise stellt das Schaltsystem 115 sicher, dass das elektronische Zündsystem 105 zum Aktivieren der Zündkerzen 110 bei Bedarf – d. h. an der Abstiegsflanke des Schaltbefehls V_IN zu dem Zeitpunkt t_d – bereit ist. Der Zeitablauf Δt_OUT wird vorzugsweise derart gewählt, dass der Wahrscheinlichkeitswert eines ungewollten Zündens der Zündkerzen 110 aufgrund des Spannungsabfalls von dem tatsächlichen Wert V_I2' auf den Mindestspannungswert V_Cm minimiert ist, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Primärwicklung L₁ zu dem Zündzeitpunkt t_d angemessen geladen ist.
Bei einem nachfolgenden einleitenden Schaltvorgang des Schaltsystems 115 (entsprechend einer folgenden Anlegung des Schaltsignals V_IN) wird die zweite Änderungsrate der Steuerspannung V_G um einen vorbestimmten Wert erhöht (wobei die zweite Änderungsrate stets geringer bleibt als die dritte Änderungsrate). Dies erhöht den Absolutwert der Steilheiten des Ladestroms I_C und der Ausgangsspannung V_C; bei dem vorliegenden Beispiel fällt somit die Ausgangsspannung V_C schneller in Richtung auf den zweiten Zwischenwert V_I2 und erreicht diesen zu dem Zwischenzeitpunkt t₂ vor Ablauf des Time-out Δt_OUT.
Für jede nachfolgende einleitende Schaltphase, in der das nachfolgende zweite Stadium wiederum abläuft, wird die zweite Änderungsrate der Steuerspannung V_G wiederum um den vorbestimmten Wert erhöht (wobei die zweite Änderungsrate stets niedriger bleibt als die dritte Änderungsrate). Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das zweite Stadium mit Erreichen des zweiten Zwischenwerts V_I2 zu dem Zwischenzeitpunkt t₂ vor Ablauf des Time-out Δt_OUT endet.
Insbesondere wird dann, wenn die zweite Änderungsrate gleich einem eingestellten zweiten Änderungsratenwert vorgegeben wird (der gleich einer anfänglichen zweiten Änderungsrate der Steuerspannung V_G plus dem vorbestimmten Wert multipliziert mit einer Anzahl von Malen ist, die die Steuerspannung V_G erhöht worden ist, d. h. der Anzahl der von der Steuerlogik 120 erfassten Time-out-Abläufe), der den Ablauf des Time-out verhindert, wird ein solcher zweiter eingestellter Änderungsratenwert zumindest bis zum Ausschalten des Verbrennungsmotors aufrechterhalten. Auf diese Weise erreicht die Ausgangsspannung V_C in den zweiten Stadien jeder sukzessiven einleitenden Schaltphase den beabsichtigten zweiten Zwischenwert V_I2 vor Ablauf des Time-out Δt_OUT. Die zweite Änderungsrate kann nach einem Ausschalten des Verbrennungsmotors 100 zurückgesetzt werden. Alternativ hierzu kann die zweite Änderungsrate gleich einem solchen zweiten eingestellten Änderungsratenwert (z. B. durch Speichern desselben in einem nicht dargestellten Speicher des Schaltsystems) für jeden nachfolgenden Betrieb des Verbrennungsmotors 100 vorgegeben werden.
Bei dem Schaltsystem gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Schwankungen in den Betriebsparametern des IGBT (wie z. B. dessen Schwellenspannung V_TH), die in enger Beziehung zu Umgebungsbedingungen (wie z. B. der Außentemperatur) stehen, dynamisch zu kompensieren. Das weiche Einschalten des IGBT behält somit nahezu seine gesamte Effizienz, selbst wenn der Wert seiner Betriebsparameter in Bezug auf die erwarteten Werte variiert, gemäß denen das weiche Einschalten ausgelegt ist. Ferner bewältigt die auf der vorliegenden Erfindung basierende Lösung zumindest teilweise Schwankungen von Betriebsparametern des Schaltsystems insgesamt aufgrund von Herstellungsprozess-Streubreiten sowie aufgrund von Alterung des IGBT, so dass auf diese Weise jeglicher permanenter Effizienzverlust seines weichen Einschaltens zumindest teilweise reduziert wird.
Unter Bezugnahme auf 5, die ein schematisches Prinzipschaltbild eines Schaltsystems 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, wird im folgenden eine Ausführung des Schaltsystems 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein Befehlsblock 505 empfängt den Schaltbefehl V_IN, wobei dieser zwischen der Massespannung und der Versorgungsspannung V_CC zugeführt wird. Der Befehlsblock 505 führt einem Stromgenerator 510 ein Auswahlsignal S_SEL (z. B. ein logisches Signal mit zwei binären Stellen) und ein Einstellsignal S_ADJ (z. B. eines thermometrischen Code-Typs) zu, um einen Wert eines von dem Stromgenerator 510 erzeugten Gate-Stroms I_G zu bestimmen (wobei dies im Folgenden noch ausführlicher erläutert wird). Der Stromgenerator 510 wird mit der Versorgungsspannung V_CC gespeist und ist mit dem Gateanschluss des IGBT 125 verbunden, mit dem auch ein erster Anschluss eines Gate-Widerstands R_G sowie ein erster Anschluss einer Zenerdiode Z verbunden sind. Ein zweiter Anschluss des Gate-Widerstands R_G ist mit einem Referenzanschluss verbunden, dem die Massespannung zugeführt wird. Ein zweiter Anschluss der Zenerdiode Z ist mit dem Kollektoranschluss des IGBT 125 verbunden. Der IGBT-Gateanschluss ist ferner mit einem ersten Anschluss eines Gateentladewiderstands R_GD mittels eines ersten Entladeschalters 515 (z. B. einen MOS-Transistor) selektiv verbindbar. Ein zweiter Anschluss des Gateentladewiderstands R_GD ist mit dem auf Massespannung gehaltenen Referenzanschluss verbunden. Der erste Entladeschalter 515 wird durch ein Gateentladesignal S_GD gesteuert, dass von dem Befehlsblock 505 bereitgestellt wird (wobei dies im Folgenden noch ausführlicher erläutert wird).
Ein Hochspannungswiderstand R_HV ist mittels eines ersten Anschlusses mit dem Kollektoranschluss des IGBT 125 und über einen zweiten Anschluss mit invertierenden Anschlüssen eines ersten und eines zweiten Komparators 520A bzw. 520B verbunden. Der Hochspannungswiderstand R_HV ist ferner mittels eines zweiten Entladeschalters 525 (z. B. einen MOS-Transistor) mit einem auf Massespannung gehaltenen Referenzanschluss selektiv verbindbar. Der zweite Entladeschalter 525 wird durch ein von dem Befehlsblock 505 bereitgestelltes Entladesignal S_DIS gesteuert. Zwei Proportionalitätsblöcken 530A und 530B wird an einem jeweiligen Eingangsanschluss die Batteriespannung V_BAT zugeführt, wobei jeweilige Ausgangsanschlüsse derselben mit nicht invertierenden Anschlüssen der Komparators 520A bzw. 520B verbunden sind. Im Spezielleren multipliziert der erste Proportionalblock 530A die Batteriespannung V_BAT mit einer ersten vorbestimmten Konstante K₁, die niedriger ist als 1 (z. B. K1 = 0,9, d. h. 90% von V_BAT), während der zweite Proportionalblock 530B die Batteriespannung V_BAT mit einer zweiten vorbestimmten Konstante K₂ multipliziert, die niedriger ist als die erste vorbestimmte Konstante K₁ (z. B. K2 = 0,4, d. h 40% von V_BAT). Schließlich sind die Ausgangsanschlüsse der Komparatoren 520A und S2013 mit Eingängen des Befehlsblocks 505 verbunden, um ein erstes und ein zweites Komparatorsignal S_C1 bzw. S_C2 bereitzustellen (wobei dies im Folgenden noch ausführlicher erläutert wird).
Die Arbeitsweise des Schaltsystems 115 wird nun unter gemeinsamer Betrachtung der 4 und der 5 beschrieben.
Während der Schaltbefehl V_IN weggenommen bzw. nicht angelegt wird, hält der Befehlsblock 505 die Entladesignale S_GD und S_DIS im angelegten Zustand, um dadurch die entsprechenden ersten und zweiten Entladeschalter 515 bzw. 525 zu schließen. Dadurch wird den invertierenden Anschlüssen der Komparatoren 520A und 520B die Massespannung zugeführt; somit werden das erste und das zweite Komparatorsignal S_C1 und S_C2 angelegt. Gleichzeitig wird der IGBT 125 im ausgeschalteten Zustand gehalten. Dies ist durch den Gateentladewiderstand R_GD bedingt, der derart dimensioniert ist, dass er einen viel niedrigeren Widerstandswert als der Gatewiderstand R_G aufweist. Tatsächlich ist der Gateentladewiderstand R_GD auch derart ausgebildet, dass der durch den Gateentladewiderstand R_GD fließende Gate-Strom I_G eine viel geringere Entladespannung hervorruft als die Schwellenspannung V_TH des IGBT 125 (d. h. R_GD·I_G « V_TH). Unter derartigen Bedingungen ist die Steuerspannung V_C (an dem Kollektoranschluss des IGBT 125) im Wesentlichen gleich der Batteriespannung V_BAT.
Wenn der Schaltbefehl V_IN angelegt wird, nimmt der Befehlsblock 505 die Entladesignale S_GD und S_DIS weg, so dass der entsprechende erste und zweite Entladeschalter 515 bzw. 525 geöffnet werden. Anschließend beginnt die Spannung an den invertierenden Anschlüssen der Komparatoren 520A und 520B zu steigen, bis diese den Spannungswert der Ausgangsspannung V_C (im Wesentlichen gleich der Batteriespannung V_BAT) nach der Einrichtperiode Δt_s erreicht. Zu dem Einrichtzeitzeitpunkt t_s werden somit sowohl das erste als auch das zweite Komparatorsignal S_C1 und S_C2 weggenommen (z. B. bei der Massespannung), da: V_BAT > K₁·V_BAT, K₂·V_BAT.
In einem derartigen Zustand führt der Befehlsblock 505 dem Stromgenerator 510 das Auswahlsignal S_SEL mit einem ersten Wert zu. Als Reaktion darauf erzeugt der Stromgenerator 510 einen Gate-Strom I_G mit einem ersten Wert, der durch den Gatewiderstand R_G hindurch sowie in das Gate des IGBT 125 fließt – unter Aufladung einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Gatekapazität des IGBT 125. Die Steuerspannung V_G steigt somit mit der ersten Änderungsrate an, die proportional zu dem ersten Wert des Gate-Stroms I_G dividiert durch die IGBT-Gatekapazität ist. Wenn die Gatespannung V_G den Schwellenspannungswert V_TH des IGBT 125 erreicht, gelangt der IGBT 125 in den Leitungszustand; der Ladestrom I_C beginnt zu fließen, und die Ausgangsspannung V_C fällt entsprechend der ersten Spannungssteilheit. Zu dem ersten Zwischenzeitpunkt t₁ erreicht die Ausgangsspannung V_C den ersten Zwischenspannungswert V_I1, der gleich dem (oder niedriger als) der Wert K₁·V_BAT ist (und z. B. gleich 90% V_BAT vorgegeben ist, wie dies vorstehend beschrieben worden ist). Daher legt der erste Komparator 520A das erste Komparatorsignal S_C1 an. Das Anlegen des ersten Komparatorsignals S_C1 veranlasst den Befehlsblock 505 zum Ändern des Auswahlsignals S_SEL auf einen zweiten Wert, so dass der Stromgenerator 510 veranlasst wird, den Gate-Strom I_G mit einem zweiten Wert bereitzustellen. Ab dem Zeitpunkt t₁ steigt die Steuerspannung V_G dann mit der zweiten Änderungsrate (proportional zu dem zweiten Wert des Gate-Stroms I_G dividiert durch die IGBT-Gatekapazität), und der Zeitzähler (in den Zeichnungen nicht dargestellt) in dem Befehlsblock 505 wird aktiviert. Der durch den IGBT 125 fließende Ladestrom I_C steigt langsam an, und die Ausgangsspannung V_C sinkt in entsprechender Weise mit der zweiten Spannungssteilheit. Zu einem Time-out-Zeitpunkt t_o stellt der Zeitzähler den Ablauf des Time-out des zweiten Stadiums fest. Der Befehlsblock 505 ändert daher das Auswahlsignal S_SEL auf einen dritten Wert, so dass der Wert des Gate-Stroms I_G dazu veranlasst wird, einen dritten Wert anzunehmen. Ab dem Time-out-Zeitpunkt t_o steigt die Steuerspannung V_G dann mit der dritten Änderungsrate (proportional zu dem dritten Wert des Gate-Stroms I_G dividiert durch die IGBT-Gatekapazität) an, und der Zeitzähler in dem Befehlsblock 505 wird zurückgesetzt. Die Ausgangsspannung V_C fällt in rascher Weise mit der dritten Spannungssteilheit. Zu dem abschließenden Zeitpunkt t_f erreicht die Steuerspannung V_G die Versorgungsspannung V_CC und die Ausgangsspannung V_C erreicht den Mindestwert V_Cm (d. h. den Sättigungswert des IGBT 125). Der Ladestrom I_C fließt von nun an mit einem in etwa linear ansteigenden Verlauf weiter, wobei er seinen Maximalwert I_CM zu dem Zündzeitpunkt td erreicht, während die Ausgangsspannung V_C einen geringen Anstieg von ihrem Mindestwert V_Cm erfährt (wie dies den Fachleuten bekannt ist). Zu dem Zündzeitpunkt td wird der Schaltbefehl V_IN weggenommen, und der Befehlsblock 505 legt die Entladesignale S_DIS und S_GD an. Das Anlegen der Entladesignale S_GD und S_DIS veranlasst den ersten und den zweiten Entladeschalter 515 bzw. 525 zu schließen; das Schließen des Schalters 515 verursacht ein abruptes Entladen des Gateanschlusses des IGBT 125, während das Schließen des Schalters 525 die invertierenden Anschlüsse der Komparatoren 520A und 520B zur Massespannung entlädt. Gleichzeitig steigt die Ausgangsspannung V_C rasch über die Batteriespannung V_BAT an – aufgrund der in der Primärwicklung L₁ des Wandlers 130 gespeicherten Energie – bis zu einem zusätzlichen Wert V_x (in der Größenordnung von Hunderten von Volt), der – aufgrund des Wicklungsverhältnisses des Wandlers – ausreichend ist, um die Sekundärspannung V_s einen Wert erreichen zu lassen, der zum Zünden der Zündkerzen 110 ausreicht. Die Zehnerdiode Z wird aktiviert, wenn die Ausgangsspannung die Zusatzspannung V_x erreicht; die Zehnerdiode Z hat die Funktion, die Primärwicklung L₁ rasch zu entladen, bis die Ausgangsspannung V_C auf ihren Anfangswert zurückgebracht wird, der im Wesentlichen gleich der Batteriespannung V_BAT ist.
Zu dem Zeitpunkt T erfolgt ein erneutes Anlegen des Schaltbefehls V_IN sowie eine Wiederholung des vorstehend beschriebenen Ablaufs (zum Bewerkstelligen eines weiteren Zündvorgangs der Zündkerzen 110) mit den nachfolgend genannten Unterschieden.
Bei Anlegen des ersten Komparatorsignals S_C1 (zu einem Zeitpunkt T + t₁) gibt der Befehlsblock 505 zusammen mit der Veranlassung einer Änderung des Auswahlsignals S_SEL auf einen zweiten Wert das Einstellsignal S_ADJ mit einem ersten Einstellwert vor. Somit liefert der Stromgenerator 510 den Gate-Strom I_G mit einem zweiten Einstellwert, der höher ist als der vorherige zweite Wert. Ab dem Zeitpunkt T + t₁ steigt die Steuerspannung V_G dann mit der zweiten Änderungsrate, die gleich dem eingestellten zweiten Änderungsratenwert (proportional zu dem zweiten Einstellwert des Gate-Stroms I_G dividiert durch die IGBT-Gatekapazität) ist, der größer ist als die vorherige zweite Änderungsrate, und der Zeitzähler in dem Befehlsblock 505 wird erneut aktiviert. Der durch den IGBT 125 fließende Ladestrom I_C steigt weiter an, und die Ausgangsspannung V_C fällt gemäß der zweiten eingestellten Spannungssteilheit (die höher ist als die zweite Spannungssteilheit). Zu dem Zeitpunkt T + t₂ hat der Zeitzähler den Zeitablauf bzw. Time-out Δt_OUT des zweiten Stadiums noch nicht erreicht, jedoch hat die Ausgangsspannung V_C einen Wert erreicht, der gleich oder geringer als K₂·V_BAT ist (z. B. 40% V_BAT), wobei dies den zweiten Komparator 520B zum Anlegen des zweiten Komparatorsignals S_C2 veranlasst. Ansprechend darauf ändert der Befehlsblock 505 das Auswahlsignal S_SEL auf den dritten Wert, wobei dies den Stromgenerator 510 veranlasst, den Gate-Strom I_G mit dem dritten Stromwert bereitzustellen. Ab dem Zeitpunkt T + t₂ steigt die Steuerspannung V_G dann mit der dritten Änderungsrate (proportional zu dem dritten Wert des Gate-Stroms I_G dividiert durch die IGBT-Gatekapazität), und der Zeitzähler in dem Befehlsblock 505 wird wiederum zurückgesetzt. Somit fällt die Ausgangsspannung V_C mit der dritten Spannungssteilheit der Steuerspannung V_G, bis sie den Mindestwert V_Cm zu dem Zeitpunkt T + t_f erreicht. Im Anschluss daran läuft die Arbeitsweise des Schaltsystems 115 in der vorstehend beschriebenen Weise ab, d. h. Aktivierung der Primärwicklung L₁ bis zu dem Zündzeitpunkt t_d und anschließender Übertragung der Energie zu den Sekundärwicklungen L₂ (durch Wegnehmen des Schaltbefehls V_IN), um auf diese Weise die Zündkerzen 110 zu zünden.
Unter gemeinsamer Bezugnahme auf die 6A und 6B, die experimentelle Resultate eines Motors mit elektronischer Zündung mit einem Schaltsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bzw. eines Motors mit elektronischer Zündung mit einem Schaltsystem gemäß einer im Stand der Technik bekannten Lösung veranschaulichen, lässt sich die Wirksamkeit der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlichen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den beiden 6A und 6B aufgetragenen Spannungen relativ zueinander nicht maßstabsgetreu sind.
Im Spezielleren ist zu erkennen, dass die Ausgangsspannung V_C in 6A im Wesentlichen gleichmäßig und mit einer relativ geringen Steilheit (d. h. mit einer geringen Spannungssteilheit) in Richtung auf ihren Mindestwert fällt, während in 6B die Ausgangsspannung V_C abrupt auf ihren Mindestwert fällt und einen zusätzlichen Spannungsabfall aufgrund der abrupten Änderungen bei den Arbeitsparametern (Strom und Spannung) des Wandlers erfährt. Wie in 6B zu sehen ist, führt der abrupte Abfall der Steuerspannung V_C zur Entstehung einer Sekundärspannung V_S mit ausladenden Schwingungen, die einen maximalen Spannungswert (z. B. in der Größenordnung von Kilovolt) erreicht, wobei die Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, dass dies ein unerwünschtes Zünden der Zündkerzen hervorruft. Im Gegensatz dazu weist die Sekundärspannung bei den experimentellen Resultaten der 6A Schwingungen mit verminderter Amplitude im Vergleich zu 6B auf, wobei diese auch rascher ausklingen.
Zum Erfüllen lokaler und spezieller Anforderungen kann ein Fachmann bei der vorstehend beschriebenen Lösung selbstverständlich zahlreiche logische und/oder körperliche Modifikationen und Änderungen vornehmen. Die vorliegende Erfindung ist zwar mit einem gewissen Maß an Besonderheiten in Bezug auf eines oder mehrere ihrer Ausführungsbeispiele beschrieben worden, jedoch versteht es sich, dass verschiedene Weglassungen, Substitutionen und Änderungen in der Form und den Details sowie auch weitere Ausführungsformen möglich sind. Insbesondere können verschiedene Ausführungsformen der Erfindung auch ohne die speziellen Details (wie z. B. die zahlenmäßigen Beispiele) ausgeführt werden, die in der vorstehenden Beschreibung angegeben worden sind, um für ein umfassenderes Verständnis derselben zu sorgen; umgekehrt dazu sind allgemein bekannte Merkmale weggelassen vereinfacht worden, um die Beschreibung nicht mit unnötigen Details zu überfrachten. Ferner ist es ausdrücklich beabsichtigt, dass spezielle, in Verbindung mit einem beliebigen Ausführungsbeispiel der offenbarten Lösung beschriebene Elemente und/oder Verfahrensschritte je nach gewünschter allgemeiner Ausbildung in jede beliebige andere Ausführungsform integriert werden können.
Ähnliche Überlegungen gelten z. B., wenn das Schaltsystem eine andere Architektur aufweist oder äquivalente Komponenten (entweder getrennt oder kombiniert, insgesamt oder teilweise) beinhaltet; darüber hinaus kann das Schaltsystem unterschiedliche Betriebscharakteristika aufweisen, wie z. B. ein Steuersignal mit mehr als drei Änderungsraten.
Der Ausbildung der Schaltvorrichtung mit mehr als zwei Leitunganschlüssen steht nichts entgegen.
Das Schaltsystem kann in der Lage sein, mehr als drei Werte für den Steuerstrom bereitzustellen.
Es spricht nichts dagegen, dass sich das Schaltsystem in einem Übertragungszustand befindet, während die Schaltvorrichtung in einem geschlossenen Zustand ist, und sich das Schaltsystem umgekehrt in einem Akkumulationszustand befindet, während die Schaltvorrichtung in einem geöffneten Zustand ist.
Das Schaltsystem kann einen ersten und einen davon verschiedenen zweiten Wert des Fortschrittindikators beispielsweise auf der Basis von unterschiedlichen Anteilen einer Differenz zwischen dem Anfangswert und dem abschließenden Wert des Fortschrittindikators aufweisen.
Das Schaltsystem kann bei Feststellung des Time-out-Ablaufs eine zwangsweise Änderung des Steuersignals mit einer anderen Änderungsrate als der dritten Änderungsrate veranlassen.
Einer Änderung des Werts des Steuersignals während des Einrichtstadiums durch das Schaltsystem steht nichts entgegen.
Die vorgeschlagene Lösung kann durch ein äquivalentes Verfahren (unter Einsatz ähnlicher Schritte, Weglassung von einigen Schritten, die nicht erforderlich sind, oder Hinzufügung von weiteren optionalen Schritten) ausgeführt werden; ferner können die Schritte in einer anderen Reihenfolge, parallel oder überlappend (zumindest teilweise) ausgeführt werden.
Es sollte klar erkennbar sein, dass die vorgeschlagene Lösung Teil der Ausbildung einer integrierten Vorrichtung sein könnte. Die Ausbildung kann auch in einer Programmiersprache geschaffen werden; wenn der Konstrukteur die integrierte Vorrichtung oder die Masken derselben nicht selbst herstellt, kann die Konstruktion auch durch körperliche Einrichtungen zu Dritten übertragen werden. Die resultierende integrierte Vorrichtung kann jedenfalls durch ihren Hersteller in Form eines rohen Wafers, als blanker Chip oder in Baueinheiten vertrieben werden.
Darüber hinaus kann die Lösung mit anderen Schaltungen in dem gleichen Chip integriert werden oder in Zwischenprodukten (wie z. B. Elektronikplatten) angebracht werden und mit einem oder mehreren Chips gekoppelt werden (wie z. B. eine Motorsteuereinheit). Jedenfalls ist die Erfindung zur Verwendung in komplexen Systemen (wie z. B. Kraftfahrzeugen) geeignet.

Claims

Schaltsystem (115) zur Verwendung in einem Zündsystem (105) eines Verbrennungsmotors (105), wobei das Schaltsystem Folgendes aufweist: eine Schaltvorrichtung (125), die zwischen einem Akkumulationszustand zum Akkumulieren von Energie in einem ersten Bereich des Zündsystems und einem Übertragungszustand zum Übertragen der Energie von dem ersten Bereich des Zündsystems zu einem zweiten Bereich des Zündsystems umschaltbar ist, um zumindest ein Zündelement (110) des Verbrennungsmotors zu aktivieren, eine Steuerlogik (120) der Schaltvorrichtung, die Folgendes aufweist: eine Einrichtung (120; 510) zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Steuern der Schaltvorrichtung, wobei sich das Steuersignal zwischen einem dem Übertragungszustand entsprechenden Übertragungswert und einem dem Akkumulationszustand entsprechenden Akkumulationswert ändert, eine Einrichtung (120; 520A, 520B, 530A, 530B) zum Messen eines Fortschrittindikators, der einen Fortschritt eines einleitenden Schaltvorgangs der Schaltvorrichtung von dem Übertragungszustand in den Akkumulationszustand anzeigt, und eine Einrichtung (120, 505, 510), um das Steuersignal zu veranlassen, sich mit einer ersten Änderungsrate während eines ersten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs zu ändern, bis der Fortschrittindikator einen ersten Wert erreicht, der einen ersten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs nach dem Akkumulationszustand anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik ferner Folgendes aufweist: eine Einrichtung (505, 510), um das Steuersignal zu veranlassen, sich mit einer zweiten Änderungsrate, die niedriger als die erste Änderungsrate ist, während eines auf das erste Stadium folgenden zweiten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs zu ändern, bis der Fortschrittindikator einen zweiten Wert erreicht, der einen zweiten Fortschrittzustand des einleitenden Schaltvorgangs nach dem ersten Fortschrittzustand anzeigt, und eine Einrichtung (120; 505, 510), um das Steuersignal zu veranlassen, sich mit einer dritten Änderungsrate, die höher ist als die zweite Änderungsrate, während eines auf das zweite Stadium folgenden dritten Stadiums des einleitenden Schaltvorgangs zu ändern.
Schaltsystem (115) nach Anspruch 1, wobei die dritte Änderungsrate höher ist als die erste Änderungsrate.
Schaltsystem (115) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltvorrichtung (125) einen ersten Leitungsanschluss und einen zweiten Leitungsanschluss zur Verbindung in dem Zündsystem aufweist, wobei der Fortschrittindikator eine Betriebsspannung der Schaltvorrichtung zwischen dem ersten Leitungsanschluss und dem zweiten Leitungsanschluss ist.
Schaltsystem (115) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Schaltvorrichtung (125) einen Steueranschluss zum Empfangen des Steuersignals aufweist, wobei es sich bei dem Steuersignal um eine Steuerspannung (V_G) handelt und wobei die Einrichtung (120; 505, 510) zum Bereitstellen eines Steuersignals Folgendes aufweist: eine Einrichtung (R_G) zum Erzeugen der Steuerspannung aus einem Steuerstrom (I_G), und eine Einrichtung (505, 510) zum Vorgeben des Steuerstroms selektiv mit einer ersten Amplitude, einer zweiten Amplitude oder einer dritten Amplitude entsprechend der ersten Änderungsrate, der zweiten Änderungsrate bzw. der dritten Änderungsrate.
Schaltsystem (115) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Übertragungszustand um einen offenen Zustand der Schaltvorrichtung handelt und es sich bei dem Akkumulationszustand um einen geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung handelt.
Schaltsystem (115) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Fortschrittindikator einen Anfangswert in dem Übertragungszustand und einen abschließenden Wert in dem Akkumulationszustand aufweist, wobei eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem abschließenden Wert zwischen 85 bis 95% einer Differenz zwischen dem Anfangswert und dem abschließenden Wert beträgt und eine Differenz zwischen dem zweiten Wert und dem abschließenden Wert weniger als 50% der Differenz zwischen dem Anfangswert und dem abschließenden Wert beträgt.
Schaltsystem (115) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine Einrichtung (505) zum Erfassen eines Zeitablaufs, wobei eine Dauer des zweiten Stadiums eine vorbestimmte maximale Dauer (Δt_OUT) erreicht; und eine Einrichtung (505, 510) zum zwangsweisen Veranlassen des Steuersignals zu einer Änderung mit der dritten Änderungsrate ansprechend auf die Feststellung des Zeitablaufs.
Schaltsystem (115) nach Anspruch 7, weiterhin aufweisend: eine Einrichtung (505, 510) zum Erhöhen der zweiten Änderungsrate ansprechend auf die Feststellung des Zeitablaufs.
Schaltsystem (115) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine Einrichtung (505, 510) zum Halten des Steuersignals auf dem Übertragungswert während eines dem ersten Stadium vorausgehenden Einrichtstadiums des einleitenden Schaltvorgangs.
Steuerlogik (120) zur Verwendung bei einem Schaltsystem (115) nach einem der vorausgehenden Ansprüche.