DE102016001219A1 - Zündungssteuerschaltung mit Detektion der Stromsteilheit - Google Patents

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Qingquan Tang
James E. Gillberg
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Abstract

In einem allgemeinen Aspekt kann eine Schaltung zum Steuern eines Betriebs eines Zündkreises, einschließlich einer Isolierschicht-Bipolartransistor(IGBT)-Vorrichtung, eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung, die dafür konfiguriert ist, eine Steilheit eines Stroms in einer Primärwicklung einer Zündspule zu detektieren, die im Zündkreis eingeschlossen ist, sowie eine mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung gekoppelte Treiberschaltung einschließen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann ferner dafür konfiguriert sein, während eines Aufladens der Zündspule der Treiberschaltung einen ersten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit über einem ersten Grenzwert liegt, und der Treiberschaltung einen zweiten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit unter einen zweiten Grenzwert liegt. Die Treiberschaltung kann dafür konfiguriert sein, als Reaktion auf ein Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises den Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Beschreibung bezieht sich auf Steuerschaltungen, die in Hochspannungsschaltungen benutzt werden können. Insbesondere bezieht sich die Beschreibung auf Steuerschaltungen für den Einsatz in induktiven Zündkreisen, wie bei Zündsystemen für Automobilanwendungen (z. B. Verbrennungsmotoren).
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In einer Implementierung kann eine Schaltung zum Steuern eines Betriebs eines Zündkreises, einschließlich einer Isolierschicht-Bipolartransistor(IGBT)-Vorrichtung, eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung, die dafür konfiguriert ist, eine Steilheit eines Stroms in einer Primärwicklung einer Zündspule zu detektieren, die im Zündkreis eingeschlossen ist, sowie eine mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung gekoppelte Treiberschaltung einschließen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann ferner dafür konfiguriert sein, der Treiberschaltung während eines Aufladens der Zündspule einen ersten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit über einem ersten Grenzwert liegt, und der Treiberschaltung einen zweiten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit unter einem zweiten Grenzwert liegt. Die Treiberschaltung kann dafür konfiguriert sein, als Reaktion auf ein Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises den Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.
  • In einer weiteren Implementierung kann ein Zündkreis für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor eine Isolierschicht-Bipolartransistor(IGBT)-Schaltung, eine mit der Zünd-IGBT-Schaltung gekoppelte Zündspule, eine mit der Zündspule gekoppelte Zündkerze (oder eine sonstige Funkenbildungsvorrichtung) und eine mit der Zünd-IGBT-Schaltung gekoppelte Steuerschaltung einschließen. Die Steuerschaltung kann eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung, die dafür konfiguriert ist, eine Steilheit eines Stroms in einer Primärwicklung der Zündspule zu detektieren, und eine mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung gekoppelte Treiberschaltung einschließen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann ferner dafür konfiguriert sein, während eines Aufladens der Zündspule der Treiberschaltung einen ersten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit über einem ersten Grenzwert liegt, und der Treiberschaltung einen zweiten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit unter einem zweiten Grenzwert liegt. Die Treiberschaltung kann dafür konfiguriert sein, als Reaktion auf ein Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises einen Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Zündkreises gemäß einer Implementierung.
  • 2A ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung, die gemäß einer Implementierung im Zündkreis aus 1 eingeschlossen sein kann.
  • Die 2B und 2C sind logische Ablaufdiagramme, die gemäß Implementierungen durch die Steuerschaltung aus 2A implementiert werden können, um Fehlerzustände im Zündkreis in 1 zu ermitteln.
  • 3 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer analogen Steilheit-Detektionsschaltung, die gemäß einer Implementierung in der Steuerschaltung aus 2A eingeschlossen sein kann.
  • 4 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer Schaltung, die gemäß einer Implementierung eingesetzt werden kann, um Referenzspannungen für die Steilheit-Detektionsschaltung aus 3 zu erzeugen.
  • 5A bis 5C zeigen Graphen, die den Normalbetrieb des Zündkreises aus 1 veranschaulichen, wenn er gemäß einer Implementierung mit der Steuerschaltung aus 2A und der Steilheit-Detektionsschaltung aus 3 implementiert ist.
  • 6A bis 6C zeigen Graphen, die den Betrieb des Zündkreises aus 1 während einer Detektierung eines Frühzündungsereignisses veranschaulichen, wenn er gemäß einer Implementierung mit der Steuerschaltung aus 2A und der Steilheits-Detektionsschaltung aus 3 implementiert ist.
  • 7A bis 7C zeigen Graphen, die den Betrieb des Zündkreises aus 1 während einer Detektierung einer Ladesättigung einer primären Zündspulenwicklung veranschaulichen, wenn er gemäß einer Implementierung mit der Steuerschaltung aus 2A und der Steilheit-Detektionsschaltung aus 3 implementiert ist.
  • 8A bis 8C zeigen Graphen, die den Betrieb des Zündkreises aus 1 während einer Detektion einer kurzgeschlossenen Zündspule oder einer Magnetkernsättigung in einer sekundären Zündspulenwicklung veranschaulichen, wenn er gemäß einer Implementierung mit der Steuerschaltung aus 2A und der Steilheit-Detektionsschaltung aus 3 veranschaulicht ist.
  • 9 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer weiteren analogen Steilheit-Detektionsschaltung, die gemäß einer Implementierung in der Steuerschaltung aus 2A eingeschlossen sein kann.
  • 10 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer Schaltung, die gemäß einer Implementierung benutzt werden kann, um Referenzspannungen für die analoge Steilheit-Detektionsschaltung aus 9 zu erzeugen.
  • 11 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer digitalen Steilheit-Detektionsschaltung, die gemäß einer Implementierung in der Steuerschaltung aus 2A eingeschlossen sein kann.
  • 12 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer Schaltung, die gemäß einer Implementierung benutzt werden kann, um Referenzspannungen für die digitale Steilheit-Detektionsschaltung aus 11 zu erzeugen.
  • In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Elemente.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In Zündsystemen mit induktiver Entladung, wie Schaltungen und/oder Systemen, die zum Entzünden eines Kraftstoffgemischs in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors benutzt werden, kann ein Strom in einer Primärwicklung (z. B. Spule) einer Zündspule (z. B. Magnetkerntransformator), der als ein Primärstrom bezeichnet werden kann, von einer Batteriespannung (Vbat) eines entsprechenden Fahrzeugs, einer Durchlassspannung eines Halbleiterschalters (z. B. eines Isolierschicht-Bipolartransistors (IGBT)), mit dem ein Aufladen und Entladen der Zündspule (z. B. über eine Sekundärwicklung der Zündspule) gesteuert wird, einer Induktivität der Primärwicklung der Zündspule, einem Widerstand der Primärwicklung und einer Aufladezeit der Primärwicklung abhängen. In einem solchen Zündkreis können Veränderungen des Primärstroms (im Vergleich zu dem während des Normalbetriebs erwarteten Primärstrom) auf einen unkorrekten Betrieb des Zündsystems hindeuten, der durch einen Fehler bei einer oder mehreren Komponenten in einem zugehörigen Zündkreis und/oder den Betriebsparametern des Zündkreises verursacht werden kann. In Implementierungen von Zündkreisen kann das Verhältnis zwischen einer Anzahl von Wicklungen in der Primärspule zu einer Anzahl von Wicklungen in der Sekundärspule variieren. Beispielsweise kann die Anzahl der Wicklungen in der Primärspule geringer als die Anzahl der Wicklungen in der Sekundärspule (z. B. aufwärts) sein. Beispielsweise kann in anderen Implementierungen die Anzahl der Wicklungen in der Primärspule größer als die Anzahl der Wicklungen in der Sekundärspule (z. B. abwärts) sein. In wiederum anderen Implementierungen kann die Anzahl der Wicklungen in der Primärspule gleich (z. B. im Wesentlichen gleich) der Anzahl der Wicklungen in der Sekundärspule sein.
  • Derartige Veränderungen im Primärstrom können auf eine Verschlechterung von Komponenten in einem solchen Zündkreis hindeuten, was wiederum zu einem Strom führen kann, der über einem gewünschten Strompegel liegt (Überstrom), oder darauf hindeuten, dass es in einer Zündspule zu einem unnötigen Energieverlust kommt. Derartige Überströme oder unnötige (oder unerwünschte) Energieverluste können zu Schäden an der Zündspule (z. B. der Primärwicklung) und/oder einem IGBT, der als Schalter zum Steuern des Auf- und Entladens der Primärwicklung (im Folgenden Zünd-IGBT) benutzt wird, führen. Derartige Schäden oder Fehlerzustände können dazu führen, dass der Zündkreis nicht korrekt funktioniert, und/oder Gefahrenzustände wie einen Brand nach sich ziehen.
  • Zu aktuellen Implementierungen von Zündkreisen gehören Steuerschaltungen, die als integrierte Schaltungen (ICs oder Steuer-ICs) implementiert sein können, die allein basierend auf Strompegeln in einer Primärwicklung einer Zündspule ein Auftreten von Fehlern oder unerwünschtem Verhalten eines Zündkreises detektieren können. Beispielsweise können solche Steuer-ICs so arbeiten, dass sie den Strom durch die Primärwicklung der Zündspule und einen zugehörigen Zünd-IGBT begrenzen, wenn der Strompegel eine vom Steuer-IC (oder einem zugehörigen Spannungsreferenzkreis) festgelegte obere Strombegrenzung überschreitet. Beispielsweise kann eine Steuer-IC den Primärstrom begrenzen, indem sie den Zünd-IGBT in einer linearen Betriebsart betreibt (um beispielsweise den Widerstand im Ladestrompfad der Primärwicklung zu erhöhen).
  • Ferner können einige Zündkreis-Stromsteuer-ICs eine Funktion ausführen, die benutzt wird, um eine Zeitspanne zwischen zwei Primärstrompegeln zu detektieren (d. h. Strompegel in einer Primärwicklung). Bei einem solchen Ansatz kann die Steuer-IC einen Signalkontakt (z. B. einen Merkerkontakt) haben, der dazu benutzt wird, Ergebnisse einer solchen Detektionsfunktion anzuzeigen. Erreicht beispielsweise ein Strom in der Primärwicklung einen ersten Pegel (z. B. einen unteren Grenzwert), kann ein Signal am Merkerkontakt von einem hohen Niveau (z. B. einer logischen „1”) zu einem niedrigen Niveau (z. B. einer logischen „0”) wechseln. Erreicht nun der Strom in der Primärwicklung der Zündspule einen zweiten Pegel (z. B. einen oberen Grenzwert), kann das Merkersignal vom niedrigen zum hohen Niveau wechseln. So lässt sich die Zeitspanne zwischen zwei Primärwicklungsstrompegeln bestimmen, indem man die Impulsbreite des Merkersignals während eines einzelnen Zündzyklus an dessen niedrigem Niveau misst. Derartige Funktionen sind jedoch nur begrenzt dazu in der Lage, den fehlerhaften Betrieb eines Zündkreises zu detektieren.
  • Stromsteuer-ICs können auch eine intelligente Störfallabschaltfunktion (Soft-Shut-Down; SSD) implementieren. Beim Implementieren solcher SSD-Funktionen kann mit einem Zeitgeber bestimmt werden, wie lange ein Zünd-IGBT eingeschaltet war und die zugehörige primäre Zündspulenwicklung (oder Zündspule) aufgeladen hat. In solchen Implementierungen kann die Steuer-IC den Zünd-IGBT nach Erreichen einer vorgegebenen Zeit (z. B. nachdem der Zeitgeber abgelaufen ist) ausschalten (beispielsweise auf kontrollierte Weise, um große Spannungs- und/oder Stromspitzen auf einer Sekundärseite oder -wicklung der Zündspule zu vermeiden).
  • Mit solchen SSD-Funktionen kann man versuchen, Schäden oder Gefahrenzustände zu verhindern, die auftreten, wenn fortwährend Strom über die Primärwicklung der Zündspule (und einen zugehörigen Zünd-IGBT) aufgenommen wird, nachdem die Primärwicklung voll aufgeladen ist (was man als Ladesättigung bezeichnen kann) und/oder wenn der Magnetkern der Zündspule magnetisch gesättigt ist. Stromsteuer-ICs können jedoch keine Zündspulen-Ladesättigung und/oder Zündspulen-Magnetsättigung detektieren. Wenn daher ein solches Ereignis auftritt, bevor der zum Implementieren der SSD-Funktion verwendete Zeitgeber abgelaufen ist, kann es zu Schäden am Zündkreis und/oder Gefahrenzuständen kommen (z. B. nach längerem Betrieb unter derartigen Umständen).
  • Ein weiterer unerwünschter Zustand in Automobilzündsystemen ist das Auftreten von Frühzündungsereignissen, wobei ein Luft/Kraftstoffgemisch in einem Motorzylinder entzündet wird, bevor die zugehörige Zündkerze (oder Funkenbildungsvorrichtung) vom Zündkreis angesteuert wird. Solche Frühzündungsereignisse werden normalerweise von einer anderen Zündquelle als dem die Zündkerze ansteuernden Zündkreis veranlasst. Beispielsweise können Frühzündungsereignisse durch Hotspots in der Verbrennungskammer eines Motors, eine für einen bestimmten Motor zu heiß werdende Zündkerze und/oder kohlenstoffhaltige Ablagerungen in der Verbrennungskammer verursacht werden, die durch vorhergehende Motorverbrennungsereignisse zum Glühen gebracht werden. Solche Ereignisse können nicht von Steuer-ICs erkannt werden, die lediglich Strompegelmessungen in einer primären Zündspulenwicklung verwenden, um das Auftreten von Fehlern oder ein unerwünschtes Verhalten eines Zündkreises zu detektieren.
  • Die hierin beschriebenen Implementierungen der Steuer-ICs für den Einsatz in Zündkreisen (die beispielsweise Zünd-IGBTs einschließen) können zumindest einige der Nachteile aktueller Ansätze überwinden. Wie oben beschrieben, können solche Steuer-ICs eine Schaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, Veränderungen der Steilheit für einen Strom in einer Primärwicklung einer Zündspule zu detektieren, die in einem Zündkreis implementiert ist. Eine solche Stromsteilheitsdetektion kann (in einer Steuerschaltung oder einer IC) benutzt werden, um unerwartete Veränderungen im Primärwicklungsstrom zu ermitteln, was wiederum dazu benutzt werden kann, Fehlfunktionen oder Fehlerzustände (wie die hierin beschriebenen, einschließlich Ladesättigung, Magnetsättigung, eine kurzgeschlossene Primärwicklung und/oder Frühzündungsereignisse) in einem Zündkreis zu detektieren und ein Warn- oder Fehlersignal an ein entsprechendes Motorsteuergerät (engine control unit; ECU) zu senden, wobei das ECU anschließend eine oder mehrere Maßnahmen treffen kann, um das Zündsystem durch Steuern eines zugehörigen IGBT zu schützen. In einigen Implementierungen kann eine Steuer-IC dafür konfiguriert sein, aktiv einen Zünd-IGBT zu steuern (beispielsweise als Reaktion auf eine Detektierung einer Fehlfunktion oder eines Fehlerzustands) anstatt ein Signal an eine ECU zu senden. Beispielsweise könnte die Steuer-IC eine SSD-Funktion eines Zündsteuerkreises starten, einen Gate-Treiber für einen Zünd-IGBT deaktivieren und so fort. Die bestimmte Maßnahme oder die bestimmten Maßnahmen, die als Reaktion auf die Detektion von Fehlerzuständen in einem Zündsteuerkreis mittels der hierin beschriebenen Techniken getroffen werden, sind von der jeweiligen Implementierung abhängig.
  • 1 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Implementierung eines Zündsteuerkreises (Zündkreis oder Schaltung) 100 zeigt. Wie in 1 gezeigt, schließt der Zündkreis 100 eine Steuer-IC 110 und einen Zünd-IGBT 120 ein. Der Zünd-IGBT 120 kann, wie in 1 gezeigt, eine IGBT-Vorrichtung 122 und ein Widerstand/Dioden-Netzwerk (Netzwerk) 124 einschließen. Das Netzwerk 124 kann dafür konfiguriert sein, eine Hochspannungsklemme für den Zündkreis 100 zu definieren. Wie in 1 gezeigt, kann der Zündkreis 100 weiterhin eine Zündspule 130 (z. B. einen Magnetkerntransformator) und eine Zündkerze 140 einschließen. In der Implementierung aus 1 ist der Zündkreis 100 mit einer Hochspannungsdiode 150 dargestellt, die mit einer Sekundärwicklung der Zündspule 130 verbunden ist. Die Diode 150 kann benutzt werden, um transiente Spannungsspitzen in der Sekundärwicklung der Zündspule 130 zu Beginn einer Aufladephase (Haltezeit oder Haltedauer) der Zündspule zu unterdrücken. Bei einigen Implementierungen kann die Diode 150 wegfallen, und/oder es können andere Transientenunterdrückungsansätze benutzt werden.
  • Der Zündkreis 100 aus 1 schließt ferner einen Widerstand 180 (der als Abtastwiderstand oder Rsense bezeichnet werden kann) ein, der dazu verwendet werden kann, basierend auf einer zeitlich veränderlichen Spannung am Widerstand 180 einen Primärstrom in der Zündspule 130 zu bestimmen sowie Veränderungen einer Steilheit des Primärstroms zu detektieren, um beispielsweise eine nicht korrekte Funktion und/oder Fehler im Zündsteuerkreis 100, wie die hierin erörterten Fehlerzustände, zu detektieren.
  • Wie in 1 gezeigt, kann die Steuer-IC (Steuerschaltung) 110 eine Mehrzahl von Anschlüssen einschließen. In der Schaltung 100 beispielsweise schließt die Steuer-IC 110 Anschlüsse 111, 112, 113, 114 und 115 ein. Diese Anschlüsse können jeweils ein Einzelanschluss sein oder je nach der speziellen Implementierung und/oder dem speziellen Anschluss mehrere Anschlüsse einschließen. Bei der Steuer-IC 110 beispielsweise kann der Anschluss 111 mehrere Anschlüsse einschließen, die mit einem Motorsteuergerät (ECU) 118 gekoppelt sind, um Signale vom ECU 118 zu empfangen und/oder an dieses zu senden. Beispielsweise kann das ECU 118 ein Signal (oder Signale) über den Anschluss 111 (beispielsweise an einem ersten Anschluss der mehreren Anschlüsse des Anschlusses 111) zur Steuer-IC 110 übertragen, mit dem das Aufladen der Zündspule 130 und das Ansteuern der Zündkerze 140 (beispielsweise nach dem Aufladen der Zündspule 130 mittels in der Zündspule 130 gespeicherter Energie) gesteuert wird.
  • In einer Implementierung kann ein zweiter Anschluss der mehreren Anschlüsse des Anschlusses 111 benutzt werden, um ein oder mehrere Signale von der Schaltung 100 zum ECU 118 zu übertragen, die das Auftreten eines Fehlerzustands anzeigen, wie die hierin erörterten, und/oder anzeigen, dass die Schaltung 100 normal oder wie erwartet arbeitet. In anderen Implementierungen könnte der Anschluss 111 ein einzelner bidirektionaler Anschluss sein, der dafür konfiguriert ist, Signale, wie die hierin beschriebenen Signale, sowohl zu senden als auch zu empfangen.
  • In 1 kann der Anschluss 112 der Steuer-IC 110 ein Stromversorgungsanschluss sein, der eine Batteriespannung (Vbat) 170 empfängt, wie beispielsweise von einer Batterie eines Fahrzeugs, in dem der Zündkreis 100 implementiert ist. In der Steuer-IC 110 kann der Anschluss 113 dafür benutzt werden, ein Signal bereitzustellen, das ein Gate der IGBT-Vorrichtung 122 steuert (um beispielsweise das Aufladen der Zündspule 130 und das Ansteuern der Zündkerze 140 zu steuern).
  • Wie in 1 gezeigt, kann ein Schalter 165 dafür benutzt werden, zwischen der Batteriespannung 170 und elektrischer Masse umzuschalten. Ähnlich kann ein Schalter 160 benutzt werden, um die Diode 150 in die Auflade-/Entladeschaltung der Zündspule 130 hinein oder daraus weg zu schalten (um beispielsweise die Diode aus der Auflade-/Entladeschaltung zu entfernen). Die Schalter 160 und 165 können benutzt werden, um die Auflade-/Entladeschaltung des Zündkreises 100 für eine bestimmte Implementierung zu konfigurieren.
  • Der Anschluss 114 der Steuer-IC 110 kann dafür konfiguriert sein, ein Spannungssignal (beispielsweise eine Spannung am Widerstand 130 des Zündkreises 100) zu empfangen, wobei das am Anschluss 114 empfangene Spannungssignal (beispielsweise eine Spannung am Rsense-Widerstand 180 bei jedem Zündzyklus, die man als Vsense-Signal bezeichnen kann) zur Detektion der Stromsteilheit eines Stroms durch eine Primärwicklung der Zündspule 130 benutzt werden kann, wie bei Verwendung der hierin beschriebenen Ansätze. Ferner kann in 1 der Anschluss 115 der Steuer-IC 110 ein Masseanschluss sein, der mit einer elektrischen Masse für die Schaltung 100 verbunden ist.
  • 2A ist ein schematisches/ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Implementierung der Steuer-IC 110 aus 1 zeigt. Zu Veranschaulichungszwecken wird die Steuerschaltung 110 aus 2A folglich unter weiterer Bezugnahme auf 1 beschrieben. Die Steuerschaltung aus 2A kann jedoch auch in Zündsteuerschaltungen mit anderen Konfigurationen benutzt werden.
  • Wie in 2A gezeigt, kann die Steuer-IC 110 eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210, einen IGBT-Treiber mit Stromdetektion und -schutz (IGBT-Schaltung) 220, einen Eingangspuffer 230, einen Spannungsregler 240, eine SSD-Funktionsschaltung 250 und einen Komparator 260 einschließen. Jedes dieser Elemente in 2A kann auf mehrere Arten implementiert sein und die spezifische Konfiguration eines gegebenen Elements von der speziellen Implementierung abhängig sein, in der es implementiert ist. Zur Veranschaulichung werden einige beispielhafte Implementierungen der Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 hierin offenbart, wie zum Beispiel in 3, 9 und 11. Die Schaltungen in diesen Zeichnungen sind als Beispiel zu verstehen, und andere Ansätze sind möglich.
  • Der Eingangspuffer 230 der Schaltung 110 in 2A kann dafür konfiguriert sein, ein Steuersignal vom ECU 118 (z. B. ein Signal zum Steuern des Aufladens der Zündspule 130 und Ansteuerns der Zündkerze 140) zu empfangen, wobei das Steuersignal im Zündkreis 100 dazu benutzt wird, einen Gate-Anschluss der IGBT-Vorrichtung 120 zu steuern, um zusätzlich zum Ermöglichen des Detektierens von Fehlerzuständen und einem unkorrekten Betrieb des Zündkreises 100 das Aufladen der Zündspule 130 und Ansteuern der Zündkerze 140 zu bewirken. Der Spannungsregler 240, wenn in der Schaltung 100 implementiert, kann die Batteriespannung 170 empfangen und, basierend auf dieser Batteriespannung, jede der in der Steuer-IC 110 aus 2A verwendeten Referenzspannungen und Gleichspannungen, wie die in Bezug auf 2A bis 12 erörterten, bereitstellen. Beispielsweise kann der Regler 240 in einer Implementierung ein linearer Spannungsregler sein. In anderen Implementierungen kann der Regler 240 andere Formen annehmen. Ferner werden die hierin beschriebenen Ansätze zum Erzeugen von Referenz- und Gleichspannungen (DC) zum Zwecke der Veranschaulichung sowie als Beispiel gegeben, und andere Techniken können benutzt werden.
  • Wenn die Steuer-IC 110 aus 2A benutzt wird, um Veränderungen im Primärwicklungsstrom (Stromsteilheit) der Zündspule 130 der Schaltung 100 aus 1 (oder ähnlicher Schaltungen) zu detektieren, kann es wichtig sein, folgende Beziehungen zu berücksichtigen. Eine solche Beziehung ist beispielsweise das Verhältnis zwischen einer Durchlassspannung des Zünd-IGBT und dem Primärstrom der Zündspule 130 (d. h., der durch die IGBT-Vorrichtung 122 fließt), das näherungsweise angegeben werden kann als: vce = v0 + k·1 Gleichung 1 wobei vce eine Kollektor-Emitter-Spannung der IGBT-Vorrichtung 122 und i ein Wert des Primärstroms ist. In der Gleichung 1 ist v0 näherungsweise eine Dioden- oder Sperrschichtspannung, und k ist ein Steilheitswert des Stroms bei Spannungen von mehr als v0.
  • Im vorstehenden Beispiel kann/mit der Gleichung 2 unten errechnet werden:
    Figure DE102016001219A1_0002
    wobei vbat eine Batteriespannung eines Fahrzeugs, mit der die Zündspule 130 aufgeladen wird (z. B. die Batteriespannung 170 der Schaltung 100), RL ein Widerstand der Primärwicklung, L eine Induktivität der Primärwicklung, t die Zeit und e die Basis des natürlichen Logarithmus ist.
  • Entsprechend kann die Steilheit des Primärstroms der Zündspule 130 während einer Haltedauer, wie in 5A gezeigt, näherungsweise durch die Gleichung 3 unten angegeben werden:
    Figure DE102016001219A1_0003
    wobei ein Maximalwert von di/dt (z. B. während des Normalbetriebs) zu einem Beginn einer Haltedauer auftreten (und beispielsweise eine transiente Spannungsspitze verursachen) kann. Dieses Maximum kann durch Gleichung 4 unten angegeben werden:
    Figure DE102016001219A1_0004
  • Angesichts dieser Beziehungen kann die Steuer-IC 110 in 2A benutzt werden, um basierend auf dem Detektieren (mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210) unerwarteter Veränderungen in einer Steilheit des Primärstroms der Zündspule 130 (z. B. im Vergleich zum Normalbetrieb) einen unkorrekten Betrieb des Zündkreises 100 aus 1 zu detektieren. Beispiele für einen solchen unkorrekten Betrieb und Fehlerzustände sowie Ansätze, um das Auftreten eines solchen unkorrekten Betriebs und/der solcher Fehlerzustände mittels der Steuer-IC 110 (z. B. durch die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210) zu detektieren, werden hierin beispielsweise unter Bezugnahme auf 2B, 2C, 6A bis 6C, 7A bis 7C und 8A bis 8C beschrieben.
  • In Implementierungen kann die Detektion eines solchen unkorrekten Betriebs und/oder solcher Fehlerzustände durch die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210, durch die IGBT-Schaltung 220, unter anderen möglichen Ansätzen zum Bereitstellen solcher Angaben, einer IGBT-Schaltung 220 der Steuer-IC 110 (sowie anderen Schaltungen oder Komponenten wie dem ECU 118, einer SSD-Funktionsschaltung 250 und so fort) angegeben werden (können beispielsweise verwendet werden, um diese zu triggern).
  • Wie in 2A gezeigt, können solche Angaben (z. B. Triggersignale) zum Beispiel mittels eines Obergrenzwertüberschreitungssignals an einem Anschluss 270 und eines Untergrenzwertunterschreitungssignals an einem Anschluss 280 bereitgestellt werden. Das Obergrenzwertüberschreitungssignal und das Untergrenzwertunterschreitungssignal werden als Beispiel genannt, und andere Signale können verwendet werden. Das heißt, das Signal am Anschluss 270 (Signal 270) kann benutzt werden, um anzugeben, ob ein oberer Grenzwert der Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 verletzt wurde, während das Signal am Anschluss 280 (Signal 280) benutzt werden kann, um anzugeben, ob ein unterer Grenzwert der Stromsteilheit-Detektionsschaltung verletzt wurde. Beispielsweise können die Signale 270 und 280 eine logische 1 sein, wenn der entsprechende Grenzwert verletzt wurde, und eine logische 0 sein, wenn der entsprechende Grenzwert nicht verletzt wurde. Der logische Zustand 1 oder 0 für das Obergrenzwertüberschreitungssignal und das Untergrenzwertunterschreitungssignal werden als Beispiel genannt, und andere Signalisierungsansätze können verwendet werden. Ist folglich keines der Signale 270 oder 280 auf den logischen Zustand 1 gesetzt, kann dies darauf hindeuten, dass der Zündkreis 100 erwartungsgemäß arbeitet.
  • Wird ein unkorrekter Betrieb oder ein Fehlerzustand im Zündkreis 100 detektiert, kann die Schaltung 220 (oder eine andere Schaltung der Steuer-IC 110) einen entsprechenden Hinweis an das ECU 118 geben. Als Reaktion auf den Hinweis kann das ECU 118 dann eine oder mehrere Maßnahmen treffen, wobei diese Maßnahmen zumindest teilweise vom bestimmten unkorrekten Betrieb oder Fehlerzustand abhängen werden, der angegeben wird. In anderen Ansätzen kann die Schaltung 220 (oder eine andere Schaltung der Steuer-IC 110) als Reaktion auf die Angabe der Detektion eines unkorrekten Betriebs oder eines Fehlerzustands eine oder mehrere Maßnahmen treffen (beispielsweise den Betrieb des Zünd-IGBT ändern), wie beispielsweise ein Auslösen der SSD-Funktionsschaltung 230, um die IGBT-Vorrichtung 122 des Zündkreises 100 zu deaktivieren, ein Betreiben der IGBT-Vorrichtung 122 in einem linearen Modus, ein umgehendes Deaktivieren der IGBT-Vorrichtung 122 und so fort.
  • Bei Zündkreisen, welche die Hochspannungsdiode 150 nicht einschließen (wenn beispielsweise beim Zündkreis 100 die Diode 150 beispielsweise mit dem Schalter 160 umgangen wird), kann die Steuer-IC 110 (und die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210) benutzt werden, um basierend auf einer unerwarteten Veränderung einer Steilheit des Primärwicklungsstroms Frühzündungsereignisse zu detektieren, wie mit den beispielhaften Simulationsergebnissen in den 6A bis 6C (im Vergleich zu den in den 5A bis 5C gezeigten Simulationsergebnissen im Normalbetrieb) veranschaulicht. Kurz gefasst, verursacht im Vergleich zum Normalbetrieb, wie mit den beispielhaften Simulationsergebnissen in den 5A bis 5C veranschaulicht, das Auftreten eines Frühzündungszustands (6A bis 6C) während der Haltedauer einen plötzlichen Anstieg des Primärwicklungsstroms in der Zündspule 130 zu Beginn eines Frühzündungszustands(-ereignisses). In der Steuerschaltung 110 aus 2A können solche Frühzündungsereignisse beispielsweise dadurch detektiert werden, dass z. B. die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 erkennt, dass der obere Grenzwert verletzt wurde, und der Komparator 260 angibt, dass die Abtastspannung am Anschluss 114 unter einem Referenzwert entsprechend einer Strombegrenzung liegt, was durch eine Referenzspannung dargestellt werden kann, die am Anschluss 262 des Komparators 260 anliegt und mit der am Anschluss 114 der Steuerschaltung 110 anliegenden Abtastspannung verglichen wird.
  • Die Steuer-IC 110 kann auch benutzt werden, um eine Ladesättigung der Zündspule 130 zu detektieren, wie durch die in den 7A bis 7C gezeigten beispielhaften Simulationsergebnisse veranschaulicht. Kurz gefasst, kann die Ladesättigung der Zündspule 130 anhand einer Veränderung der Primärstromsteilheit (wie in 7B angedeutet) in Verbindung mit einer Ausgangsspannung der Steuer-IC 110 detektiert werden, die am Gate-Anschluss des Zünd-IGBT (Gate-Spannung) anliegt. Wenn die an der Steuer-IC 110 (nach Detektion der Ladesättigung) anliegende Gate-Spannung den Zünd-IGBT nicht im linearen Modus steuert, dann kann die Ladesättigung basierend auf einer Null- oder Nahe-Null-Steilheit des Primärwicklungsstroms detektiert werden, der unter einem unteren Grenzwert liegt.
  • Beispielsweise kann die Steuer-IC 110 basierend darauf, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 ermittelt, dass eine Steilheit geringer als eine während des Normalbetriebs erwartete Steilheit ist (was z. B. auf eine Ladesättigung hinweist) feststellen, dass eine Ladesättigung der Zündspule aufgetreten ist. Beim Feststellen einer Ladesättigung kann die Steuer-IC 110 dies dem ECU 118 angeben, beispielsweise mittels eines Merkersignals (nicht gezeigt), mittels Stromrückführung zum Anschluss 111 und/oder eines anderen Signalisierungsansatzes. Als Reaktion auf eine solche Ladesättigungsangabe kann das ECU 118 die Haltezeit (zum Aufladen der Zündspule) anpassen oder durch aktive Steuerung des Zünd-IGBT 120 einen Spitzenstrom reduzieren, was die Leistungsfähigkeit des Zündkreises 100 verbessern und/oder Schäden an Komponenten des Zündkreises 100 (z. B. der Zündspule, des Zünd-IGBT usw.) durch elektrische Überlastung (electrical overstress; EOS) verhindern kann. Aufgrund lokaler Erwärmung als eine Folge von einem übermäßigen Strom können EOS-Schäden beispielsweise eine integrierte Schaltung beschädigen. EOS-Schäden können z. B. geschmolzene oder verdampfte Leiter, in Transistorsperrschichten hineinragendes Metall usw. einschließen.
  • Die Steuer-IC 110 in 2A kann auch benutzt werden, um einen Kurzschlussfehler in der Zündspule und/oder eine magnetische Sättigung der Zündspule zu detektieren, wie in den in 8A bis 8C veranschaulichten beispielhaften Simulationsergebnissen gezeigt wird. Ein Kurzschlussfehler oder eine Magnetkernsättigung einer Zündspule kann zu einem plötzlichen Anstieg des Primärstroms der Zündspule 130 während der Zünd-IGBT-Haltezeit führen (z. B. die Zeit, während der die Zündspule während des Normalbetriebs aufgeladen wird). Eine solche Veränderung der Stromsteilheit (z. B. angegeben durch eine nahezu vertikale Steilheit des Primärstroms) kann beispielsweise dadurch detektiert werden, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 feststellt, dass der obere Grenzwert verletzt wurde, und der Komparator 260 angibt, dass die Abtastspannung am Anschluss 114 über einem Referenzwert liegt, der einer Strombegrenzung zum Unterscheiden zwischen Fehlerzuständen entspricht.
  • In einigen Implementierungen kann die Steuer-IC 110 als Reaktion auf das Detektieren eines Kurzschlussfehlers in der Zündspule und/oder einer magnetischen Sättigung in der Zündspule 130 ein Signal an das ECU 118 senden, um den detektierten Zustand anzugeben, und das ECU 118 kann das Befehlssignal zum Steuern des Betriebs des IGBT anpassen, um den Primärwicklungsstrom zu begrenzen und/oder den Zünd-IGBT auszuschalten, um den Rest des Zündsystems 100 vor Schäden zu bewahren oder ein Auftreten eines Gefahrenzustands wie der Möglichkeit eines Brandes zu vermeiden. In anderen Implementierungen kann die Steuer-IC 110 dafür konfiguriert sein, den Betrieb des IGBT so zu steuern, dass der Primärwicklungsstrom begrenzt und/oder der Zünd-IGBT ausgeschaltet wird.
  • In einigen Implementierungen kann die Detektion eines unkorrekten Betriebs und/oder von Fehlerzuständen, wie hierin beschrieben, in Verbindung mit der SSD-Schaltung 250 der Steuer-IC 110 benutzt werden. Mit anderen Worten können als Reaktion auf die Detektion eines unkorrekten Betriebs und/oder von Fehlerzuständen basierend auf der Detektion von unerwarteten Veränderungen (im Vergleich zum Normalbetrieb) einer Steilheit des Primärwicklungsstroms Strombegrenzungs- oder Soft-Shut-Down(SSD)-Funktionen ausgeführt werden. Das Ausführen eines SSD als Reaktion auf die Detektion eines unkorrekten Betriebs und/oder von Fehlerzuständen, wie hierin beschrieben, kann vorteilhaft sein, weil, sobald eine Ladesättigung oder Magnetkernsättigung einer Zündspule auftritt, Energie (Strom), die der Batterie entnommen wird, nahezu vollständig im Zünd-IGBT und/oder der Primärwicklung der Zündspule selbst verbraucht wird und die Zündspule nicht weiter auflädt. Folglich wird eine solche zusätzliche Energie nicht genutzt, um das Kraftstoffgemisch zu entzünden, wenn die Zündkerze angesteuert wird, was zu einer ineffizienten Energienutzung führt. Ferner kann das Verbrauchen solcher zusätzlicher Energie, sobald eine Ladesättigung und/oder magnetische Sättigung auftritt, die Möglichkeit von EOS-Fehlern in der Zündspule 130 und/oder der Zünd-IGBT-Vorrichtung 122 vergrößern.
  • Bei solchen Ansätzen kann die Steuer-IC 110 nach dem Detektieren einer Ladesättigung und/oder Magnetkernsättigung der Zündspule den Betrieb des Zünd-IGBT 120 so regeln, dass er in einem Strombegrenzungsmodus (z. B. Linearbetrieb) arbeitet, und/oder ein Hinweissignal an das ECU 118 senden, und das ECU 118 kann den Betrieb des Zünd-IGBT als Reaktion auf den Hinweis regeln. Ferner kann das ECU 118 (oder die Steuer-IC 110) nach einer bestimmten Zeitdauer einer detektierten ungewöhnlichen (unerwarteten) Veränderung der Primärstromsteilheit festlegen, ob der Zünd-IGBT 120 in einem Strombegrenzungsmodus arbeiten sollte oder mittels der SSD-Schaltung 250 auf kontrollierte Weise (z. B. schrittweise, um große Spannungsspitzen auf der Sekundärseite der Zündspule zu vermeiden) ausgeschaltet werden soll, um den Zünd-IGBT, die Zündspule und den Rest des Zündsystems zu schützen.
  • 2B und 2C sind logische Ablaufdiagramme, die von der Steuerschaltung 210 aus 2A implementiert werden können, um Fehlerzustände des Zündkreises 100 gemäß Implementierungen zu ermitteln, und sie werden unter Bezugnahme auf 2A beschrieben. Die logischen Abläufe können, je nach spezieller Implementierung, durch Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination davon implementiert werden. Ferner können, wie bei 2A, die logischen Abläufe in 2B und 2C im Zündkreis 100 aus 1 implementiert werden. Entsprechend werden, zum Zwecke der Veranschaulichung und Beispielgabe, die logischen Ablaufdiagramme aus 2B und 2C unter weiterer Bezugnahme auf 1 beschrieben.
  • Die logischen Ablaufdiagramme aus 2B und 2C können durch die Steuerschaltung 110 aus 2A (z. B. durch die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 und/oder die IGBT-Schaltung 220) implementiert werden, wenn ein oberer Grenzwert (wie dadurch angegeben, dass das Signal 270 auf eine logische 1 gesetzt ist) bzw. ein unterer Grenzwert (wie dadurch angegeben, dass das Signal 280 als auf eine logische 1 gesetzt ist) verletzt wird. Wenn keines der Signale 270 oder 280 in 2A auf eine logische 1 gesetzt ist, kann die Steuerschaltung 110 bestimmen, dass der Zündkreis 100 normal arbeitet und dass eine Implementierung der logischen Abläufe aus 2B und 2C zum Ermitteln eines Fehlerzustandstyps oder einer Ursache für einen unkorrekten Betrieb derzeit nicht erforderlich ist.
  • In 2B kann in Block 221 die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 feststellen, dass ein oberer Grenzwert verletzt wurde, und diese Feststellung angeben, indem sie das Signal 270 auf eine logische 1 setzt. Der obere und der untere Grenzwert können so konfiguriert sein, dass bei Verletzung des oberen Grenzwerts eine Verletzung des unteren Grenzwerts nicht möglich ist, da eine Steilheit (oder Veränderung der Steilheit) eines Primärstroms in der Zündspule 130 nicht gleichzeitig über einem korrekt festgelegten oberen Grenzwert und unter einem korrekt festgelegten unteren Grenzwert liegen kann (z. B. wenn ein Wert der Obergrenze größer als der Wert der Untergrenze ist).
  • Im Block 222 des Logikablaufs in 2B kann (beispielsweise basierend auf einer Ausgabe des Komparators 260) festgestellt werden, ob ein Wert einer Abtastspannung am Anschluss 114 über oder unter einer Referenzspannung liegt, die einer vorgegebenen Strombegrenzung entspricht (wobei die Referenzspannung am Anschluss 262 des Komparators 260 anliegt und dazu benutzt wird, zwischen verschiedenen Fehlerzuständen und/oder Arten eines unkorrekten Betriebs des Zündkreises 100 zu unterscheiden). Liegt die Abtastspannung nicht über der Strombegrenzungs-Referenzspannung, kann die IGBT-Schaltung 220 in Block 223 basierend auf dem Signal 270 und der Ausgabe des Komparators 260 festlegen, dass möglicherweise ein Frühzündungsereignis aufgetreten ist (wie in 6A bis 6C). Ist die am Anschluss 114 anliegende Abtastspannung jedoch höher als die Stromreferenzspannung am Anschluss 262, kann die IGBT-Schaltung 220 (oder eine andere Schaltung) in Block 224 feststellen, dass, basierend auf dem Signal 270 und der Ausgabe des Komparators 260, möglicherweise ein Spulenkurzschluss oder eine magnetische Sättigung der Zündspule 130 aufgetreten ist (wie in den 8A bis 8C).
  • 3 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Implementierung einer Stromsteilheit-Detektionsschaltung darstellt, die gemäß einer Implementierung als die Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 in der Steuer-IC 110 aus 2A implementiert sein kann. Die Schaltung 210 in 3 kann in Verbindung mit einer in 4 gezeigten Spannungsreferenzschaltung 400 benutzt werden, um (unter Verwendung des Obergrenzwertüberschreitungssignals 270 und des Untergrenzwertunterschreitungssignals 280) Hinweise auf detektierte Veränderungen bei der Steilheit des Primärwicklungsstroms (z. B. in der Zündspule 130) bereitzustellen, wobei diese detektierten Veränderungen auf einen unkorrekten Betrieb und/oder Fehlerzustände des Zündkreises 100, wie die hierin beschriebenen, hinweisen können.
  • Die Simulationsergebnisse in 5A bis 8C stammen aus einer Simulation des Zündkreises 100 aus 1, implementiert mit der Steilheit-Detektionsschaltung 210 aus 3 (mittels von der Spannungsreferenzschaltung 400 bereitgestellten Referenzspannungen), die in den Schaltungen aus 1 und 2 implementiert ist. Alternativ könnten diese Simulationsergebnisse auch unter Verwendung vorgegebener Referenzspannungen (die beispielsweise vom Regler 240 bereitgestellt werden könnten) erzielt werden. Obwohl hierin nicht erörtert, könnten ähnliche Simulationsergebnisse für die Stromsteilheit-Detektionsschaltungen aus 9 und 11 (implementiert mit ihren jeweiligen, in 10 und 12 gezeigten Spannungsreferenzschaltungen) erzielt werden.
  • Wie in 3 veranschaulicht, schließt die Schaltung 210 eine RC-Schaltung einschließlich eines Kondensators 310 (Cslope), eines Widerstands 320 (Rslope) sowie Komparatoren 330 und 340 ein, die Veränderungen der Primärstromsteilheit basierend auf einem Vergleich einer Spannung am Widerstand 320 mit einer jeweiligen Referenzspannung, die am Anschluss 350 des Komparators 330 (die man als VREF1 bezeichnen kann und den oberen Grenzwert darstellt) und am Anschluss 360 des Komparators 340 (die man als VREF2 bezeichnen kann und den unteren Grenzwert darstellt) vorliegen, detektieren können. Die an den Anschlüssen 350 und 360 der Schaltung in 3 bereitgestellten Referenzspannungen sind in den in den 5A bis 8C gezeigten Simulationsergebnissen wie jeweils anwendbar angegeben. Je nach spezifischer Implementierung könnten diese Referenzspannungen, wie oben erwähnt, vorgegebene Gleichspannungen (DC) sein oder Spannungen (Wechsel- und/oder Gleichspannungen) sein, die von der Schaltung aus 4 erzeugt werden.
  • Bei einer Implementierung, welche die Schaltung aus 3 (mit oder ohne die Schaltung aus 4) in den Schaltungen aus 1 und 2A einschließt, kann die am Widerstand 180 aus 1 anliegende Spannung proportional zu einem Primärstrom der Zündspule 130 sein. Bei einem solchen Ansatz führt jede plötzliche Veränderung des Primärstroms (erwartet oder unerwartet) zu einer Spannungsänderung am Widerstand 180, weil sich die Spannung des Kondensators 310 nicht abrupt ändern kann. Wird in einer solchen Anordnung eine am Widerstand 320 anliegende Spannung als höher als die Referenzspannung am Anschluss 350 oder niedriger als die Referenzspannung am Anschluss 360 detektiert (wenn beispielsweise der IGBT nicht im Linearbetrieb arbeitet), kann die Steuer-IC 210 aus 3 dafür konfiguriert sein, eine solche Detektion einem ECU zu melden oder den Zünd-IGBT aktiv zu steuern, um das Auftreten von EOS-Schäden und/oder Gefahrenzuständen zu vermeiden.
  • Die Schaltung 210 kann eine Zeitgeberschaltung 370 einschließen (die man als Leerschaltung bezeichnen kann), die dafür konfiguriert sein kann, eine plötzliche Veränderung des Primärwicklungsstroms zu ignorieren, die zu Beginn der Haltedauer der Zündspule 130 auftreten kann. Eine solche Leerperiode ist in 7A bis 7C dargestellt, kann aber auch in anderen Situationen verwendet werden. In einigen Implementierungen kann zusätzlich zum Überwachen einer Steilheit des Primärstroms die Größe des Primärstroms überwacht werden, beispielsweise durch die Steilheit-Detektionsschaltung 210 (z. B. während des gesamten Zündungszyklus, einschließlich der Leerperiode). Wenn der Primärstrom einen Schwellenwert überschreitet, kann die Steilheit-Detektionsschaltung 210 (oder die IGBT-Schaltung 220) eine oder mehrere geeignete Maßnahmen ergreifen (z. B. das ECU 118 informieren und/oder aktiv den Zünd-IGBT 120 steuern), um die möglichen EOS-Schäden am Zündkreis und/oder einem zugehörigen Fahrzeug zu vermeiden.
  • In einer Implementierung, bei der die Schaltung aus 3 in den Schaltungen aus 1 und 2 eingeschlossen ist, kann eine Spannung am Widerstand 320 (Rslope) näherungsweise durch die Gleichung 5 unten angegeben werden:
    Figure DE102016001219A1_0005
    davon ausgehend, dass, wie durch Gleichung 6 bestimmt: VRslope_max = VRslope(tmax) Gleichung 6
  • Bei einem solchen Ansatz kann eine erforderliche Zeit zum Erreichen einer maximalen Spannung an Rslope durch die Gleichung 7 unten bestimmt werden:
    Figure DE102016001219A1_0006
  • 4 ist ein schematisches Diagramm, das eine Schaltung 400 veranschaulicht, die benutzt werden kann, um die Referenzspannungen für die Schaltung 210 in 3 zu erzeugen. Die Schaltung 400 schließt eine Spannungsversorgung 170', einen Kondensator 410 (Ccharge), einen Widerstand 420 (Rcharge), einen Kondensator 310' (beispielsweise mit demselben Wert wie der Kondensator 310) und einen Widerstand 320' (beispielsweise mit demselben Wert wie der Widerstand 320) ein. Ein Schalter 470 der Schaltung 400 kann dafür konfiguriert sein, synchron mit dem vom ECU 118 am Anschluss 111 des Zündkreises 110 bereitgestellten Steuersignals zu arbeiten. Diese Elemente der Schaltung 400 können benutzt werden, um eine Referenzspannung am Anschluss 425 zu erzeugen, die die Spannung am Widerstand 320 (VRslope) unter normalen Betriebsbedingungen des Zündkreises 110 darstellt. Durch eine Summierschaltung 450 wird dann eine erste, an einem Anschluss 430 anliegende Gleichspannung zum Spannungssignal am Anschluss 425 addiert, um das Referenzsignal für den oberen Grenzwert am Anschluss 350 zu erzeugen. Ähnlich wird durch eine Subtrahierschaltung 460 eine zweite, an einem Anschluss 440 anliegende Gleichspannung vom Spannungssignal am Anschluss 425 subtrahiert, um das Referenzsignal für den unteren Grenzwert am Anschluss 360 zu erzeugen.
  • 5A bis 5C zeigen Graphen (Diagramme) 510, 520 und 530, die den normalen Betrieb des mit den Schaltungen 200, 300 und 400 implementierten Zündkreises 100, beispielsweise nach einer erwarteten Spitze des Primärwicklungsstroms (beispielsweise zu Beginn der Haltezeitdauer) veranschaulichen. In 5A bis 8C sind die Zeitskalen auf der x-Achse mit allgemeinen Zeiteinheiten gekennzeichnet. In einer Ausführungsform könnten diese Zeiteinheiten Millisekunden sein.
  • In dem Graphen 510 gibt eine Zeitdauer 512 die Haltedauer der Zündspule 130 an, und die Kurve 514 veranschaulicht ein beispielhaftes Steuersignal, das von einem ECU empfangen werden kann, um die Haltedauer zu definieren (z. B. zum Steuern der IGBT-Vorrichtung 122 und anderer Elemente des Zündkreises 100). Eine Zeitdauer 516 und eine Kurve 518 geben das Auftreten eines Zündungsereignisses an, wenn der Zündkreis 100 normal arbeitet.
  • In 5B geben die Kurven 522 bzw. 524 den von der Schaltung 210 in 3 verwendeten oberen Grenzwert bzw. unteren Grenzwert an, und die Kurve 526 veranschaulicht die Spannung am Widerstand 320 in 3, die einer Steilheit des Primärstroms in der Zündspule 130 entspricht. In 5C veranschaulicht die Kurve 532 den Primärstrom der Zündspule 130 während eines einem normalen Zündungszyklus. Wie in 5B und 5C (nach einer anfänglichen Einschwingzeit, wie einer in 7A bis 7C dargestellten Leerperiode 700 zu Beginn der Haltedauer) gezeigt, bleibt die Spannung am Widerstand 320 (Kurve 526) innerhalb des oberen und unteren Grenzwerts (Kurve 522 und 524), und der Primärstrom (532) steigt allmählich bis zum Auftreten des Zündungsereignisses an, wo die Spannung und der Primärstrom infolge des Zündungsereignisses beide abfallen. Wie in 5B gezeigt, kann während der Haltedauer eine Minimalspannung am Widerstand 320 am Ende der Haltedauer auftreten.
  • Wie oben angedeutet, zeigen 6A bis 8C Simulationsergebnisse, die in dem Zündkreis 100 das Auftreten eines Frühzündungsereignisses (6A bis 6C), das Auftreten einer Primärwicklungs-Ladesättigung in der Zündspule 130 (7A bis 7C) und das Auftreten eines Zündspulenkurzschlusses und/oder einer magnetischen Sättigung der Zündspule 130 (8A bis 8C) veranschaulichen. Bei Implementieren mittels der Schaltung aus 3 (z. B. in Verbindung mit der Schaltung aus 4 oder mittels vorgegebener Referenzgleichspannungen) oder der Schaltung aus 9 (z. B. in Verbindung mit der Spannungsreferenzschaltung aus 10) können diese Fehlerzustände oder Vorkommnisse eines unkorrekten Betriebs mit der Steuer-IC 110 (mittels analoger Stromdetektion) detektiert werden. In anderen Implementierungen können andere Stromsteilheit-Detektionsschaltungen und/oder Spannungsreferenzschaltungen benutzt werden, um den Zündkreis 110 aus 1 und die Steuer-IC aus 2A zu implementieren.
  • In 6A veranschaulichen die Zeitdauer 612 und die Kurve 614, wie bei der Zeitdauer 512 und der Kurve 514 in 5, jeweils die Haltedauer und das ECU-Steuersignal für den Zündkreis 100. Die Zeitdauer 616 und die Kurve 618 stellen das Auftreten eines Frühzündungsereignisses dar, wobei die ansteigende Flanke der Kurve 618 den Beginn eines Frühzündungsereignisses vor dem Ende der Haltezeitdauer 612 veranschaulicht. In 6B veranschaulicht die Kurve 622 den oberen Grenzwert (z. B. am Anschluss 350) in 3, und die Kurve 626 veranschaulicht die Spannung am Widerstand 320. Ein Anstieg 627 in der Kurve 626 entspricht dem Beginn des Frühzündungsereignisses und verletzt den oberen Grenzwert (wie unter Bezugnahme auf 2A bis 2B beschrieben). Wie in 6C gezeigt, stellt die Kurve 632 den Primärstrom in diesem Beispiel dar, wobei ein Anstieg 633 der Primärstromsteilheit dem Beginn des Frühzündungsereignisses entspricht. In dieser Situation würde das Obergrenzwertüberschreitungssignal (am Anschluss 270) in der Schaltung 300 auf eine logische 1 gesetzt werden, um den Anstieg 627 der am Widerstand 320 anliegenden Spannung und die zunehmende Steilheit 633 des Primärstroms anzugeben. Wie unter Bezugnahme auf 2B erörtert, kann die Ausgabe des Komparators 260 ebenfalls untersucht werden, um festzustellen, dass ein Frühzündungsereignis aufgetreten ist. Als Reaktion auf die Detektion des Frühzündungsereignisses aus 6A bis 6C könnte der Zündkreis 100 dann eine oder mehrere geeignete Maßnahmen treffen, wobei diese Maßnahmen von der jeweiligen Implementierung abhängen.
  • In 7A stellen die Zeitdauer 712 und die Kurve 714 die Haltedauer und das ECU-Steuersignal für den Zündkreis 100 dar, und die Zeitdauer 716 und die Kurve 718 veranschaulichen ein Zündungsereignis. In 7B veranschaulicht die Kurve 724 den unteren Grenzwert (am Anschluss 360) in 3, und die Kurve 726 veranschaulicht die Spannung am Widerstand 320. Ein Abfall 727 in der Kurve 726 unter den unteren Grenzwert kann einer Ladesättigung entsprechen (z. B. wie unter Bezugnahme auf 2C beschrieben). Wie in 7C gezeigt, veranschaulicht die Kurve 732 in diesem Beispiel den Primärstrom. In dieser Situation würde das Untergrenzwertunterschreitungssignal (am Anschluss 280) in der Schaltung 300 auf eine logische 1 gesetzt werden, um den Abfall 727 der am Widerstand 320 anliegenden Spannung unter den unteren Grenzwert anzugeben. Als Reaktion auf die Detektion der Ladesättigung könnte der Zündkreis 100 dann eine oder mehrere geeignete Maßnahmen treffen, wobei die Maßnahmen von der jeweiligen Implementierung abhängen.
  • In 8A stellen die Zeitdauer 812 und die Kurve 814 die Haltedauer und das ECU-Steuersignal für den Zündkreis 100 dar. In 8B veranschaulicht die Kurve 822 den oberen Grenzwert (am Anschluss 350) in 3, und die Kurve 826 veranschaulicht die Spannung am Widerstand 320. Der plötzliche Anstieg 827 in der Kurve 826 über den oberen Grenzwert kann einem Kurzschluss in der Zündspule 130 oder einer magnetischen Sättigung der Zündspule 130 (wie unter Bezugnahme auf 2B beschrieben) entsprechen. Wie in 8C gezeigt, veranschaulicht die Kurve 832 den Primärstrom in diesem Beispiel, wobei ein plötzlicher Anstieg 833 im Primärstrom dem Auftreten eines Zündspulenkurzschlusses oder einer magnetischen Sättigung der Zündspule 130 entspricht. In dieser Situation würde das Obergrenzwertüberschreitungssignal (am Anschluss 270) in der Schaltung 300 auf eine logische 1 gesetzt werden, um den Anstieg 827 der am Widerstand 320 anliegenden Spannung über den oberen Grenzwert anzugeben. Wie unter Bezugnahme auf 2B erörtert, kann die Ausgabe des Komparators 260 ebenfalls untersucht werden, um festzustellen, dass ein Spulenkurzschluss oder eine magnetische Sättigung aufgetreten ist. Als Reaktion auf die Detektion der Ladesättigung könnte der Zündkreis 100 dann eine oder mehrere geeignete Maßnahmen treffen, wobei die Maßnahmen von der jeweiligen Implementierung abhängen.
  • 9 veranschaulicht eine Implementierung der Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 aus 2A, die der in 3 gezeigten Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210 gleicht (unter Weglassung des Kondensators 310 und des Widerstands 320). Desgleichen veranschaulicht 10 eine Schaltung 1000 zum Erzeugen von Referenzspannungen für die Schaltung aus 9, die der Schaltung 400 in 4 gleicht (unter Weglassung des Kondensators 310' und des Widerstands 320').
  • Die Schaltung aus 9 schließt Komparatoren 930 und 940, einen Oberer-Grenzwertsignal-Anschluss 950, einen Unterer-Grenzwertsignal-Anschluss 960 und einen Leeranschluss (Zeitgeber) 970 ein, die den gleich nummerierten Elementen der 300er Reihe aus 3 entsprechen. Die Schaltung aus 9 schließt ferner den Obergrenzwertüberschreitungs-Signalanschluss 270, den Untergrenzwertunterschreitungs-Signalanschluss 280 und den Anschluss 114 (z. B. VSENSE) ein.
  • Die Schaltung 1000 schließt eine Versorgungsspannung 170' (z. B. angepasst von der Batteriespannung 170), einen Kondensator 1010, einen Widerstand 1020, einen Referenzspannungsanschluss 1025, Gleichspannungsanschlüsse 1030 und 1040, eine Summierschaltung 1050 und eine Subtrahierschaltung 1060 ein, wobei die Elemente der 1000er Reihe den gleich nummerierten Elementen der 400er Reihe aus 4 entsprechen. Die Schaltung 1000 kann benutzt werden, um jeweils die Obergrenzwert- und Untergrenzwert-Referenzspannungen an den Anschlüssen 950 bzw. 960 zu erzeugen, ähnlich dem Vorgang in 4 beim Erzeugen der Referenzspannungen an den Anschlüssen 350 und 360 in 3.
  • 11 ist ein schematisches/ein Blockschaltbild einer Stromsteilheit-Detektionsschaltung 210, welche die digitale Stromsteilheitsdetektion benutzt. Die Schaltung 210 aus 11 kann in der Steuer-IC 110 aus 2A implementiert sein, welche wiederum im Zündkreis 100 implementiert sein kann. Bei einem solchen Ansatz kann die Schaltung 210 aus 11 (z. B. in Verbindung mit der in 12 gezeigten Spannungsreferenzschaltung) benutzt werden, um (mittels digitaler Steilheitsdetektion) einen unkorrekten Betrieb und/oder Fehlerzustände (wie die hierin beschriebenen) im Zündkreis 100 zu detektieren.
  • In einer Implementierung kann die Schaltung 210 aus 11 eine Abtastschaltung 1115 einschließen, die dafür konfiguriert ist, (digitale) Werte (z. B. mittels Analog/Digital-Umsetzung) zu speichern, die für eine Reihe aufeinander folgender Abtastzyklen, beispielsweise während einer Haltedauer, einen Primärwicklungsstrom angeben. In Implementierungen kann der Abtastzyklus die Größenordnung von mehreren Mikrosekunden bis zu Hunderten von Mikrosekunden annehmen, wobei der jeweilige Abtastzyklus von der jeweiligen Implementierung abhängig ist. Bei einem gegebenen Abtastzyklus kann eine unerwartete Veränderung der Stromsteilheit basierend auf einem Unterschied zwischen zwei beliebigen sequentiell abgetasteten Stromwerten (gezeigt als V(n) und V(n+1)) festgestellt werden. Obwohl dies in 11 nicht gezeigt ist, könnte auch eine Leerzeitgeberschaltung eingeschlossen oder eine Leerperiode auf andere Weise implementiert sein.
  • In der Schaltung aus 11 könnten die Referenzspannungen an den Anschlüssen 1150 (oberer Grenzwert) und 1160 (unterer Grenzwert) vorgegebene Gleichspannungen sein oder Gleichspannungen sein, die von der Spannungsreferenzschaltung aus 12 erzeugt werden, wobei die Referenzspannungen basierend auf der Abtastperiode skaliert sind. In der Schaltung aus 11 können in der Abtastschaltung 1115 (z. B. nach der Digital/Analog-Umsetzung) gespeicherte aufeinander folgende Abtastwerte unter Verwendung eines Komparators 1125 verglichen werden, wobei eine Ausgabe des Komparators 1125 eine Steilheit des Primärstroms in der Zündspule 130 des Zündkreises 100 darstellt. Die Ausgabe des Komparators 1125 kann dann durch den Komparator 1130 mit dem oberen Grenzwert und durch den Komparator 1140 mit dem unteren Grenzwert 1140 verglichen werden, um festzustellen, ob einer der Grenzwerte verletzt wurde.
  • Wie in 12 gezeigt, kann die Spannungsreferenzschaltung 1200 eine Versorgungsspannung 170' (z. B. angepasst von der Batteriespannung 170), einen Kondensator 1210, einen Widerstand 1220, einen Referenzspannungsanschluss 1225, Gleichspannungsanschlüsse 1230 und 1240, eine Summierschaltung 1250 und eine Subtrahierschaltung 1260 einschließen, wobei die Elemente der 1200er Reihe den gleich nummerierten Elementen der 1000er Reihe aus 9 entsprechen. Die Schaltung 1200 kann benutzt werden, um unter Verwendung von Abtastschaltungen 1115a und 1115b sowie eines Komparators 1280 und eines Komparators 1290 die Obergrenzwert-Referenzspannung bzw. die Untergrenzwert-Referenzspannung an den Anschlüssen 1150 bzw. 1160 zu erzeugen.
  • Da eine Steilheit des Primärwicklungsstroms in der Zündspule 130 (nach der Leerperiode) während des normalen Aufladens (z. B. der Haltedauer) abnehmen kann, kann der obere Grenzwert (am Anschluss 1150) für die digitale Stromsteilheitsdetektion bei den hierin beschriebenen Ansätzen enger als der untere Grenzwert (am Anschluss 1160) festgelegt werden. Weil sich eine unerwartete maximale Primärstromsteilheit mittels der vorstehenden Gleichungen ermitteln lässt, kann der obere Grenzwert beispielsweise festgelegt werden, indem man einen erwarteten Abfall der Steilheit während der Leerperiode berücksichtigt, was eine genaue Detektion von Frühzündungsereignissen, Spulenkurzschlüssen und einer magnetischen Sättigung erleichtert. Da die Stromsteilheit während der Primärwicklungs-Haltezeit abklingen kann, könnte dagegen der untere Grenzwert, der zum Detektieren von Fehlerzuständen wie einer Ladesättigung, die man im Vergleich zu Kurzschlüssen, Magnetkernsättigung und Frühzündung (wo es einen plötzlichen Sprung in der Stromsteilheit gibt) als weniger kritisch betrachten kann, basierend auf vorgegebenen Anforderungen einer Implementierung festgelegt werden.
  • In einer Implementierung kann ein Schaltkreis zum Steuern des Betriebs eines Zündkreises, einschließlich einer Isolierschicht-Bipolartransistor(IGBT)-Vorrichtung, eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, die Steilheit eines Stroms in einer Primärwicklung einer Zündspule, die im Zündkreis eingeschlossen ist, sowie in einer mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung gekoppelten Treiberschaltung zu detektieren. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann ferner dafür konfiguriert sein, während des Aufladens der Zündspule der Treiberschaltung einen ersten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit über einem ersten Grenzwert liegt; und der Treiberschaltung einen zweiten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit unter einen zweiten Grenzwert liegt. Die Treiberschaltung kann dafür konfiguriert sein, als Reaktion auf ein Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises den Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.
  • Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale einschließen. Beispielsweise kann ein Modifizieren des Betriebs des Zündkreises ein Begrenzen eines Stroms durch den IGBT einschließen. Das Modifizieren des Betriebs des Zündkreises kann ein Modifizieren einer Haltezeit des Zündkreises einschließen. Die Schaltung kann eine mit der Treiberschaltung gekoppelte Soft-Shut-Down(SSD)-Schaltung einschließen. Das Modifizieren des Betriebs des Zündkreises kann einschließen, dass die Treiberschaltung die SSD-Schaltung anweist, eine kontrollierte Abschaltung der IGBT-Vorrichtung durchzuführen. Die Treiberschaltung kann ferner dafür konfiguriert sein, als Reaktion auf das Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweise eine Benachrichtigung über einen Fehlerzustand an ein mit dem Zündkreis gekoppeltes Motorsteuergerät (ECU) zu senden. Das ECU kann dafür konfiguriert sein, basierend auf der Benachrichtigung den Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.
  • Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann eine resistiv-kapazitive Schaltung, die dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Signal zu erzeugen, einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen, und einen zweiten Komparator einschließen, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann eine Zeitgeberschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
  • Die Schaltung kann eine Spannungsreferenzschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, eine erste, dem ersten Grenzwert entsprechende Referenzspannung und eine zweite, dem zweiten Grenzwert entsprechende Referenzspannung bereitzustellen.
  • Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Spannungssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen, und einen zweiten Komparator einschließen, der dafür konfiguriert ist, das der Stromsteilheit in der Primärwicklung entsprechende Spannungssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann eine Zeitgeberschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
  • Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann eine Abtastschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, einen ersten digitalen Wert zu speichern, der einem ersten Wert eines der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung zu einem ersten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht, und einen zweiten digitalen Wert zu speichern, der einem zweiten Wert des der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung zu einem zweiten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht, wobei der zweite Zeitpunkt eine Zeitdauer nach dem ersten Zeitpunkt liegt. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, den ersten digitalen Wert mit dem zweiten digitalen Wert zu vergleichen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen, und einen dritten Komparator einschließen, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen. Das Vergleichen des ersten digitalen Werts mit dem zweiten digitalen Wert kann ein Vergleichen einer dem ersten digitalen Wert entsprechenden Spannung und einer dem zweiten digitalen Wert entsprechenden Spannung einschließen. Die Schaltung kann eine Spannungsreferenzschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, eine erste, dem ersten Grenzwert entsprechende Referenzspannung und eine zweite, dem zweiten Grenzwert entsprechende Referenzspannung bereitzustellen. Die erste Referenzspannung und die zweite Referenzspannung können basierend auf der Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt skaliert sein.
  • In einer weiteren Implementierung kann ein Zündkreis für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor eine Isolierschicht-Bipolartransistor(IGBT)-Schaltung, eine mit der Zünd-IGBT-Schaltung gekoppelte Zündspule, eine mit der Zündspule gekoppelte Zündkerze und eine mit der Zünd-IGBT-Schaltung gekoppelte Steuerschaltung einschließen. Die Steuerschaltung kann eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung, die dafür konfiguriert ist, eine Steilheit eines Stroms in einer Primärwicklung der Zündspule zu detektieren, und eine mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung gekoppelte Treiberschaltung einschließen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann ferner dafür konfiguriert sein, während des Aufladens der Zündspule der Treiberschaltung einen ersten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit über einem ersten Grenzwert liegt, und der Treiberschaltung einen zweiten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit unter einem zweiten Grenzwert liegt. Die Treiberschaltung kann dafür konfiguriert sein, als Reaktion auf ein Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises den Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.
  • Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale einschließen. Beispielsweise kann die Zünd-IGBT-Schaltung eine IGBT-Vorrichtung und eine Klemme einschließen, die dafür konfiguriert ist, eine Klemmenspannung für die IGBT-Vorrichtung zu definieren.
  • Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann eine resistiv-kapazitive Schaltung, die dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Signal zu erzeugen, einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen und einen zweiten Komparator einschließen, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann eine Zeitgeberschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
  • Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Spannungssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen, und einen zweiten Komparator einschließen, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Spannungssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann ferner eine Zeitgeberschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
  • Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann eine Abtastschaltung einschließen, die dafür konfiguriert ist, einen ersten digitalen Wert zu speichern, der einem ersten Wert eines der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung zu einem ersten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht, und einen zweiten digitalen Wert zu speichern, der einem zweiten Wert des der Stromsteilheit in der Primärwicklung zu einem zweiten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht. Der zweite Zeitpunkt kann eine Zeitdauer nach dem ersten Zeitpunkt liegen. Die Stromsteilheit-Detektionsschaltung kann einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, den ersten digitalen Wert mit dem zweiten digitalen Wert zu vergleichen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen, und einen dritten Komparator einschließen, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen.
  • Die verschiedenen hierin beschriebenen Einrichtungen und Techniken können mittels verschiedener Halbleiterverarbeitungs- und/oder -packungstechniken implementiert werden. Einige Ausführungsformen können mittels verschiedener Arten von Halbleiterverarbeitungstechniken im Zusammenhang mit Halbleitersubstraten, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf beispielsweise Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Siliciumcarbid (SiC) und/oder sofort implementiert werden.
  • Obwohl bestimmte Merkmale der beschriebenen Implementierungen wie hierin beschrieben veranschaulicht wurden, werden für den Fachmann nun viele Modifikationen, Substitutionen, Änderungen und Äquivalente offensichtlich sein. Es sollte sich daher verstehen, dass Ansprüche, wenn sie angehängt sind, alle derartigen Modifikationen und Änderungen als in den Umfang der Ausführungsformen fallend abdecken sollen. Es sollte sich verstehen, dass sie nur beispielshalber und nicht zur Einschränkung dargelegt wurden und verschiedene Änderungen an Form und Details vorgenommen werden können. Jeder Abschnitt der Einrichtung und/oder der Verfahren, die hierin beschrieben sind, kann in jeder Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können verschiedene Kombinationen und/oder Subkombinationen der Funktionen, Komponenten und/oder Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Ausführungsformen einschließen.

Claims (13)

  1. Schaltung zum Steuern eines Betriebs eines Zündkreises, einschließlich einer Isolierschicht-Bipolartransistor(IGBT)-Vorrichtung, wobei die Schaltung umfasst: eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung, dafür konfiguriert, eine Steilheit eines Stroms in einer Primärwicklung einer Zündspule, die im Zündkreis eingeschlossen ist, zu detektieren; und eine mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung gekoppelte Treiberschaltung, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung ferner dafür konfiguriert ist, während eines Aufladens der Zündspule: der Treiberschaltung einen ersten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit über einem ersten Grenzwert liegt; und der Treiberschaltung einen zweiten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit unter einem zweiten Grenzwert liegt, wobei die Treiberschaltung dafür konfiguriert ist, als Reaktion auf ein Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises den Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei (i) das Modifizieren des Betriebs des Zündkreises ein Begrenzen eines Stroms durch den IGBT einschließt, und/oder (ii) wobei das Modifizieren des Betriebs des Zündkreises ein Modifizieren einer Haltezeit des Zündkreises einschließt, und/oder (iii) wobei die Treiberschaltung ferner dafür konfiguriert ist, als Reaktion auf das Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises eine Benachrichtigung über einen Fehlerzustand an ein mit dem Zündkreis gekoppeltes Motorsteuergerät (ECU) zu senden, wobei das ECU dafür konfiguriert ist, den Betrieb des Zündkreises basierend auf der Benachrichtigung zu modifizieren, und/oder ferner eine mit der Treiberschaltung gekoppelte Soft-Shut-Down(SSD)-Schaltung umfasst, wobei das Modifizieren des Betriebs des Zündkreises einschließt, dass die Treiberschaltung die SSD-Schaltung anweist, eine kontrollierte Abschaltung der IGBT-Vorrichtung durchzuführen, und/oder (iv) ferner umfassend eine Spannungsreferenzschaltung, die dafür konfiguriert ist: eine erste, dem ersten Grenzwert entsprechende Referenzspannung bereitzustellen; und eine zweite, dem zweiten Grenzwert entsprechende Referenzspannung bereitzustellen, und/oder (v) wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung einschließt eine Abtastschaltung, die dafür konfiguriert ist: einen ersten digitalen Wert zu speichern, der einem ersten Wert eines der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung zu einem ersten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht; und einen zweiten digitalen Wert zu speichern, der einem zweiten Wert des der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung zu einem zweiten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht, wobei der zweite Zeitpunkt eine Zeitdauer nach dem ersten Zeitpunkt liegt; einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, den ersten digitalen Wert mit dem zweiten digitalen Wert zu vergleichen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen; einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen; und einen dritten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen.
  3. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung einschließt: eine resistiv-kapazitive Schaltung, die dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Signal zu erzeugen; einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen, wobei der erste Grenzwert ein oberer Grenzwert ist; und einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen, wobei der zweite Grenzwert ein unterer Grenzwert ist.
  4. Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung ferner eine Zeitgeberschaltung einschließt, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
  5. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung einschließt: einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Spannungssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen; und einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Spannungssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen.
  6. Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung ferner eine Zeitgeberschaltung einschließt, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
  7. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung einschließt: eine Abtastschaltung, die dafür konfiguriert ist: einen ersten digitalen Wert zu speichern, der einem ersten Wert eines der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung zu einem ersten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht; und einen zweiten digitalen Wert zu speichern, der einem zweiten Wert des der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung zu einem zweiten Zeitpunkt entsprechenden Spannungssignals entspricht, wobei der zweite Zeitpunkt eine Zeitdauer nach dem ersten Zeitpunkt liegt; einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, den ersten digitalen Wert mit dem zweiten digitalen Wert zu vergleichen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen; einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen; und einen dritten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen.
  8. Schaltung nach Anspruch 7, wobei das Vergleichen des ersten digitalen Werts mit dem zweiten digitalen Wert ein Vergleichen einer dem ersten digitalen Wert entsprechenden Spannung und einer mit dem zweiten digitalen Wert entsprechenden Spannung einschließt, und/oder ferner umfassend eine Spannungsreferenzschaltung, die dafür konfiguriert ist: eine erste, dem ersten Grenzwert entsprechende Referenzspannung bereitzustellen; und eine zweite, dem zweiten Grenzwert entsprechende Referenzspannung bereitzustellen, wobei die erste Referenzspannung und die zweite Referenzspannung basierend auf der Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt skaliert sind.
  9. Zündkreis für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor, wobei der Zündkreis umfasst: eine Isolierschicht-Bipolartransistor(IGBT)-Schaltung; eine mit der Zünd-IGBT-Schaltung gekoppelte Zündspule; eine mit der Zündspule gekoppelte Zündkerze; und eine mit der Zünd-IGBT-Schaltung gekoppelte Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung einschließt: eine Stromsteilheit-Detektionsschaltung, die dafür konfiguriert ist, eine Steilheit eines Stroms in einer Primärwicklung der Zündspule zu detektieren; und eine mit der Stromsteilheit-Detektionsschaltung gekoppelte Treiberschaltung, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung ferner dafür konfiguriert ist, während eines Aufladens der Zündspule: der Treiberschaltung einen ersten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit über einem ersten Grenzwert liegt; und der Treiberschaltung einen zweiten Hinweis zu geben, wenn die detektierte Steilheit unter einem zweiten Grenzwert liegt, wobei die Treiberschaltung dafür konfiguriert ist, als Reaktion auf ein Empfangen des ersten Hinweises oder des zweiten Hinweises den Betrieb des Zündkreises zu modifizieren.
  10. Zündkreis nach Anspruch 9, wobei die Zünd-IGBT-Schaltung einschließt: eine IGBT-Vorrichtung; und eine Klemme, die dafür konfiguriert ist, eine Klemmenspannung für die IGBT-Vorrichtung zu definieren, und/oder wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung einschließt: eine resistiv-kapazitive Schaltung, die dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Signal zu erzeugen; einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen; und einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Signal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen.
  11. Zündkreis nach Anspruch 10, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung ferner eine Zeitgeberschaltung einschließt, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
  12. Zündkreis nach Anspruch 11, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung einschließt: einen ersten Komparator, der dafür konfiguriert ist, ein der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechendes Spannungssignal mit einer ersten, dem ersten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen; und einen zweiten Komparator, der dafür konfiguriert ist, das der Steilheit des Stroms in der Primärwicklung entsprechende Spannungssignal mit einer zweiten, dem zweiten Grenzwert entsprechenden Referenzspannung zu vergleichen.
  13. Zündkreis nach Anspruch 12, wobei die Stromsteilheit-Detektionsschaltung ferner eine Zeitgeberschaltung einschließt, die dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass die Stromsteilheit-Detektionsschaltung während eines ersten Abschnitts einer Haltezeit des Zündkreises angibt, dass die detektierte Steilheit über dem ersten Grenzwert liegt.
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