DE102013220611A1

DE102013220611A1 - Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Aktuators

Info

Publication number: DE102013220611A1
Application number: DE201310220611
Authority: DE
Inventors: Christoph Haggenmiller
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-12
Also published as: DE102013220611B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators (P1, P2), die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor (T1, T2) mit jeweils parallel geschalteter Diode (D1, D2) aufweist, welche zwischen dem positiven Potential einer Versorgungsspannungsquelle (V0) und einem Bezugspotential (GND) verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren (T1, T2) über eine Spule (LMAIN) mit einem ersten Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem Bezugspotential (GND) verbunden ist, wobei der erste Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) mit dem negativen Potential der Versorgungsspannungsquelle (V0) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators, die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor mit jeweils parallel geschalteter Diode aufweist, welche zwischen dem positiven Potential einer Versorgungsspannungsquelle und einem Bezugspotential verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren über eine Spule mit einem Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem Bezugspotential verbunden ist.
Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE 198 14 594 A1 bekannt und in der 1 dargestellt, wobei der kapazitive Aktuator dort beispielsweise ein Piezoaktuator zur Betätigung einer Düsennadel in einem Kraftstoffeinspritzventil sein kann.
In der bekannten Schaltungsanordnung ist die Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor T1, T2 mit jeweils parallel geschalteten Dioden D1, D2 zwischen den Potentialen einer Versorgungsspannungsquelle V₀ verschaltet, wobei das negative Potential der Versorgungsspannungsquelle V₀ als Bezugspotential dient. Die Leistungstransistoren T1, T2 können wie im dargestellten Beispiel der 1 als MOSFETs aber auch als IGBTs wie in der DE 198 14 594 A1 oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. Die Dioden D1, D2 sind zwischen dem positiven Potential der Versorgungsspannungsquelle V₀ und deren negativem Potential in Sperrrichtung geschaltet und können entweder explizit als Einzelbauteile vorgesehen werden oder aber als Substratdioden Bestandteil der Transistorhalbleiterchips sein.
Der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren ist über eine Spule L_MAIN mit Anschlüssen von im dargestellten Beispiel zwei Piezoaktuatoren P1, P2, die als kapazitive Aktuatoren wirken, verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der beiden Piezoaktuatoren P1, P2 sind über ihnen jeweils zugeordnete Auswahltransistoren AT1, AT2 mit dem Bezugspotential verbunden. Zwischen der Spule L_MAIN und den Anschlüssen der kapazitiven Aktuatoren P1, P2 ist im dargestellten Schaltungsbeispiel ein Tiefpass aus einem Filterkondensator C_FILT und einer Filterspule L_FILT geschaltet, um den Ladestrom zu glätten.
Im in der 1 dargestellten Schaltungsbeispiel sind zwei kapazitive Aktuatoren P1, P2 mit jeweiligen Auswahltransistoren AT1, AT2 einander parallel geschaltet, es können jedoch auch mehr sein oder nur ein kapazitiver Aktuator, je nachdem für welche Anwendung die kapazitiven Aktuatoren dienen. Bei Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzventil werden für einen 4-Zylinder-Motor üblicherweise vier solcher kapazitiver Aktuatoren einander parallel geschaltet sein. Bei Verwendung eines kapazitiven Aktuators in Form eines Piezoaktuators in einem Kraftstoffeinspritzventil soll der Piezoaktuator dazu dienen, in möglichst kurzer Zeit eine möglichst präzise Kraftstoffmenge einzuspritzen, wozu eine präzise Ausdehnung des Piezoaktuators erforderlich ist.
Um dies zu erreichen, muss eine genau bestimmte Menge an Ladung in einer bestimmten Zeit auf den als Kapazität wirkenden Piezoaktuator aufgebracht werden. Hierdurch hat sich, wie in der DE 198 14 594 A1 beschrieben, eine gepulste Ansteuerung der den kapazitiven Aktuator mit einer Versorgungsspannungsquelle verbindenden Leistungsschalter als vorteilhaft herausgestellt.
Eine solche Ansteuerung ist in der 2 für das Laden eines kapazitiven Aktuators, wie er in der 1 dargestellt ist, angedeutet, wobei sich für das Entladen ein ähnlicher Verlauf nur mit umgekehrter Stromrichtung ergibt.
Im unteren Diagramm der 2 ist der Strom I_P1 durch den kapazitiven Aktuator P1 dargestellt, wobei durch Schließen des ersten Leistungstransistors T1 ein Stromfluss aus der Versorgungsspannungsquelle V₀ über die Spule L_MAIN, den ersten kapazitiven Aktuator P1 und den diesem zugeordneten Auswahltransistor AT1 erfolgt. Bedingt durch die Induktivität der Spule L_MAIN wird der Stromanstieg zwar gedrosselt, aufgrund der anfänglich noch geringen Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 wird der Anstieg jedoch trotzdem noch relativ steil sein.
Der Stromanstieg erfolgt bis zum Erreichen eines ersten Schwellwertes SW1, was üblicherweise mit einem in der 1 nicht dargestellten Strommesswiderstand ermittelt wird, wobei durch eine in der 1 ebenfalls nicht dargestellte Steuerschaltung aufgrund des Eintretens dieses Ereignisses der erste Leistungstransistor T1 wieder sperrend geschaltet wird. Daraufhin baut sich das in der Spule L_MAIN gespeicherte Magnetfeld wieder ab, indem ein Strom über die dem zweiten Leistungstransistor T2 parallel geschaltete Diode D2 fließt, wobei der Strom abnimmt, bis er entweder einen zweiten Schwellwert SW2 erreicht, der einen niedereren Wert als der erste Schwellwert SW1 aufweist, oder – wie im Beispiel der 2 – den Wert 0 Ampere erreicht, was bedeutet, dass der Stromfluss zum Erliegen kommt, da aufgrund der Sperrwirkung der Diode D2 ein Zurückschwingen der nun im kapazitiven Aktuator P1 gespeicherten Ladung über die Spule L_MAIN nicht möglich ist. Dieser Vorgang wird während einer vorzugebenden Zeitspanne periodisch wiederholt. Unter vorzugebender Zeitspanne ist eine Zeitspanne gemeint, die entweder als definierte Zeitdauer vorgegeben ist oder aber bis zum Erreichen einer bestimmten Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator läuft.
Da die Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 von Ladeperiode zu Ladeperiode mit der damit aufgebrachten Ladung ansteigt, wird die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 und der Spannung der Versorgungsspannungsquelle V₀ immer kleiner, wodurch die Steilheit des Anstiegs des Stromes I_P1 immer mehr abnimmt, wie aus der 2 zu ersehen ist. Gleichzeitig wird jedoch die Abnahme des Stroms nach dem Schließen des ersten Leistungstransistors T1 von Ladeperiode zu Ladeperiode immer schneller erfolgen. Auch dies ist in der 2 zu erkennen.
In dem in der 2 dargestellten idealen Verlauf des Ladestromes I_P1 und den daraus resultierenden Anstieg der Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 ergibt sich ein mittlerer Ladestrom/I_P1, der nahezu konstant ist, und zu einem entsprechend linearen Anstieg der Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 führt.
In der Praxis sind die Verhältnisse jedoch nicht ideal, aufgrund der Ansteuerung der Leistungstransistoren T1, T2 über geeignete Treiberschaltungen sowie eine Auswerteeinrichtung, die den Stromfluss durch den kapazitiven Aktuator P1, P2 ermitteln und entsprechend verarbeiten muss, um die Treiberschaltungen anzusteuern, kommt es zu zeitlichen Verzögerungen zwischen dem Erreichen der vorgegebenen Schwellwerte SW1, SW2 für den Strom I_P1 durch den kapazitiven Aktuator P1, P2 und dem tatsächlichen Ansteuern der Leistungstransistoren T1, T2, wobei auch diese nach einer Ansteuerung nicht sofort schließen, sondern eine gewisse Zeit erforderlich ist, um die leitenden Kanäle von Ladungsträgern zu räumen.
Die sich daraus ergebenden Verläufe für einen Strom I_P1 durch einen kapazitiven Aktuator P1 sind in den 3a und 3b verbildlicht. Aus 3a ist zu ersehen, dass während der anfänglichen Ladeperioden, wenn der Anstieg des Stromes I_P1 sehr steil ist, während der Zeitspanne ∆t vom Erreichen des oberen Schwellwertes SW1 durch den Strom I_P1 bis zum tatsächlichen Abschalten des ersten Leistungstransistors T1, der Strom I_P1 um einen relativ hohen Betrag über den Schwellwert SW1 hinausschießt, was als los (large over-shoot) gekennzeichnet ist. In entsprechender Weise wird jedoch aufgrund des anfänglich nur langsamen Abfallens des Stromes I_P1 während dieser Zeitspanne ∆t der Strom I_P1 nur um einen geringeren Betrag unter den zweiten Schwellwert SW2 absinken, was als sus (small under-shoot) bezeichnet ist.
In der 3b sind die Verhältnisse dargestellt, wenn der kapazitive Aktuator P1 schon um ein beträchtliches Maß geladen ist und entsprechend der Stromanstieg geringer geworden ist, so dass es nur zu einem geringen Stromanstieg über den ersten Schwellwert SW1 hinaus während der Zeitperiode ∆t kommt, was als sos (small over-shoot) gekennzeichnet ist, während es im Gegensatz dazu zu einem entsprechend großen Unterschreiten des unteren Schwellwertes SW2 aufgrund des schnellen Abfalls des Stromes I_P1 durch den kapazitiven Aktuator P1 kommt, was in 3b als lus (large under-shoot) gekennzeichnet ist.
Die entsprechenden realen Verläufe des Stromes I_P1 und der Spannung U_P1 über die gesamte Ladeperiode sind in der 4 dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass am Anfang der Ladeperiode große Überschreitungen des vorgegebenen Schwellwertes SW1 eintreten, während erst am Ende der Ladeperiode größere Unterschreitungen des unteren Schwellwertes SW2 eintreten, wodurch sich im Mittel ein abfallender mittlerer Strom/I_P1 ergibt.
In der 4 ist der Strom I_P1 betragsmäßig dargestellt und die Schwellwerte SW1 und SW3 bzw. SW2 und SW4 jeweils zur Vereinfachung der Darstellung für den Lade- bzw. den Entladevorgang gleich gewählt.
Aufgrund verschiedener Effekte wie beispielsweise resonant schaltenden Kondensatoren, minimale bzw. maximale Ein- und Ausschaltzeiten von Leistungs-MOSFETs, kann der Piezoaktuator nicht bis zur Versorgungsspannung geladen und auch nicht bis 0V entladen werden. Der DC-DC-Wandler des Standes der Technik hat also keine sogenannte rail-to-rail Eigenschaft.
Die DE 10 2012 204 576 A1 offenbart eine Vollbrückenschaltung mit einer Ladespule zwischen den Brückenzweigen zur Versorgung zumindest eines Piezoaktuators, mittels der die Spannung an einem Piezoaktuator über den Wert der Versorgungsspannung hinaus angehoben werden kann, da die Vollbrückenschaltung als Aufwärtswandler betrieben wird. Hier sind allerdings vier Leistungstransistoren erforderlich.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine begrenzte Spannung am Piezoaktuator und die Variabilität des „Überschießens“ dieser Spannung weitgehend zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1.
Gemäß der Erfindung soll also bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung der erste Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators mit dem negativen Potential der Versorgungsspannungsquelle verbunden sein. Im eingeschalteten Zustand des ersten Leistungstransistors liegt daher an der Spule die gesamte Versorgungsspannung während jedes Ladepulses des Gesamtladevorgangs des Piezoaktuators an, unabhängig vom jeweiligen Ladezustand des Piezoaktuators. Damit wird aber bei jedem Energieumladevorgang von der Spule in den Piezoaktuator die gleiche Energiemenge übertragen, so dass ein zwar nach wie vor ein „Überschießen“ aufgrund der genannten Ursachen auftritt, dieses aber bei jedem Ladepuls den gleichen Wert aufweist.
Darüber hinaus kann der Piezoaktuator auch auf eine Spannung gleich oder größer der Versorgungsspannung aufgeladen werden, da die erfindungsgemäße Schaltungstopologie einen Aufwärtswandler realisiert. Zudem kann eine geringerer Wert für die Versorgungsspannung gewählt werden.
In einer Ausbildung der Erfindung ist das der erste Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators über eine Filterschaltung mit dem negativen Potential der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Hierdurch können gegebenenfalls Störsignale vom Aktuator ferngehalten werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators nach dem Stand der Technik,
2 die zeitlichen idealen Verläufe des Ladestroms und der Ladespannung an einem kapazitiven Aktuator,
3a, 3b eine Detaildarstellung des Überschwingens und des Unterschwingens des Stromes durch den kapazitiven Aktuator und
4 den daraus resultierenden realen Strom durch den kapazitiven Aktuator und
5 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators,
6 den Strom durch den kapazitiven Aktuator bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die 5 zeigt eine Halbbrückenschaltung zur Ansteuerung von zumindest einem Piezoaktuator, wie sie bereits oben zur 1 in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert wurde. Es sind gleiche Schaltungsbestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In erfindungsgemäßer Weise ist jedoch die Versorgungsspannung V₀ nicht parallel zu der Serienschaltung aus dem ersten Leistungstransistor T1, der Spule L_MAIN, dem zumindest einen Piezoaktuator P1, P2 und ggf. dem zugeordneten Auswahltransistor AT1, AT2 geschaltet, sondern nur dem ersten Leistungstransistor T1 und der Spule L_MAIN.
Dadurch ergibt sich ein Stromverlauf für den Strom IP1, durch den ersten Piezoaktuator P1, wie er in der 6 dargestellt ist. Da bei jedem Schließen des ersten Leistungstransistors T1 die Spule L_MAIN mit der ganzen Versorgungsspannung V₀ beaufschlagt wird, die nicht um die aktuelle Spannung U_P1 am Piezoaktuator P1 reduziert ist, wie beim Stand der Technik, wird bei jedem Ladepuls die gleiche Energiemenge von der Spule zum Piezoaktuator P1 übertragen, so dass die schaltungstechnisch bedingten Überschießer des Ladestromes I_P1 immer gleich hoch sind. Außerdem könnte durch entsprechende Dimensionierung des durch die erfindungsgemäße Topologie der Ladeschaltungsanordnung realisierte Aufwärtswandlerschaltung auch eine höhere Spannung U_P1 am Piezoaktuator P1 als die Versorgungsspannung V₀ erzielt werden oder die Möglichkeit genutzt werden, die Versorgungsspannung V₀ kleiner zu wählen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19814594 A1 [0002, 0003, 0006]
DE 102012204576 A1 [0018]

Claims

Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators (P1, P2), die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor (T1, T2) mit jeweils parallel geschalteter Diode (D1, D2) aufweist, welche zwischen dem positiven Potential einer Versorgungsspannungsquelle (V₀) und einem Bezugspotential (GND) verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren (T1, T2) über eine Spule (L_MAIN) mit einem ersten Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem Bezugspotential (GND) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) mit dem negativen Potential der Versorgungsspannungsquelle (V₀) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) über eine Filterschaltung mit dem negativen Potential der Versorgungsspannungsquelle (V₀) verbunden ist.