DE102016208375B3 - Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last - Google Patents

Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last Download PDF

Info

Publication number
DE102016208375B3
DE102016208375B3 DE102016208375.9A DE102016208375A DE102016208375B3 DE 102016208375 B3 DE102016208375 B3 DE 102016208375B3 DE 102016208375 A DE102016208375 A DE 102016208375A DE 102016208375 B3 DE102016208375 B3 DE 102016208375B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
converter
capacitive load
buck
piezo
boost
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102016208375.9A
Other languages
English (en)
Inventor
Andreas Baier
Philipp Schiller
Walter Schrod
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive GmbH filed Critical Continental Automotive GmbH
Priority to DE102016208375.9A priority Critical patent/DE102016208375B3/de
Priority to US15/591,958 priority patent/US10693305B2/en
Priority to KR1020170059491A priority patent/KR101982919B1/ko
Priority to CN201710347941.6A priority patent/CN107395009A/zh
Application granted granted Critical
Publication of DE102016208375B3 publication Critical patent/DE102016208375B3/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0068—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33507—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/2003—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils using means for creating a boost voltage, i.e. generation or use of a voltage higher than the battery voltage, e.g. to speed up injector opening
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2058—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using information of the actual current value
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last (CPIEZO) beschrieben mit einem ersten Kondensator (CDCDC) mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss, mit einem Abwärts-Aufwärts-Konverter (BUCK/BOOST) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Versorgungsanschluss des Kondensators (CDCDC) verbunden sind, wobei der zweite Eingangsanschluss des Konverters (BUCK/BOOST) mit einem Masseanschluss (GND) verbunden ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss die Serienschaltung aus einem ersten (M1) und einem zweiten Schaltelement (M2) angeordnet ist und der Verbindungspunkt der beiden Schaltelemente (M1, M2) über eine Hauptspule (LMAIN) mit einem ersten Ausgangsanschluss des Konverters (BUCK/BOOST) verbunden ist, wobei ein zweiter Ausgangsanschluss des Konverters (BUCK/BOOST) mit dem Masseanschluss (GND) verbunden ist, mit einem Ausgangskreis mit einer kapazitiven Last (CPIEZO), die zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgangskreisanschluss angeordnet ist, welche mit den Ausgangsanschlüssen des Konverters (BUCK/BOOST) verbunden sind. Mit dem Ausgangskreis, der Hauptspule (LMAIN) und dem zweiten Schaltelement (M2) ist ein Entladekreis gebildet, in dem ein zusätzlicher Kondensator (CNEG, CSHIFT) angeordnet ist, der mit einer Ladeschaltung (DCDC2; SW2, DG1; MPRT) zur Aufladung auf eine vorgegebene Spannung (VNEG, VSHIFT) verbunden ist, wobei die Polarität der Spannung (VNEG, VSHIFT) der der Lastspannung (VPIEZO) im aufgeladenen Zustand der kapazitiven Last (CPIEZO) entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine schaltungstechnische Maßnahme, mit der der Arbeitsbereich von Schaltnetzteilen (DC-DC-Konverter) erweitert werden kann, welche beispielsweise zum Auf- und Entladen von Piezo-Einspritzventilen (Injektoren) verwendet werden. Das Piezo-Ventil (Piezo-Injektor) stellt hier für den Konverter eine kapazitive Last dar.
  • Die Verwendung von Piezo-Einspritzventilen hat den Vorteil, dass bei Verbrennungskraftmaschinen der Kraftstoff pro Verbrennungstakt in mehrere präzise Portionen aufgeteilt und so eine bessere Vermischung von Kraftstoff und Sauerstoff erreicht werden kann. Hierdurch kann der Verbrennungsvorgang schadstoffärmer und effizienter gestaltet werden.
  • Insbesondere bei direktangetriebenen Piezo-Einspritzventilen wird der Kraftstoff-Durchfluss eingestellt, indem ein mit der Düsennadel gekoppelter Piezo-Antrieb (Stack) mit definierter Ladung/Energie beaufschlagt wird. Die eingebrachte Energie erzeugt eine proportionale Kraft am Antrieb, welche an einer mechanisch oder hydraulisch gekoppelten Düsennadel eine Auslenkung erzeugt und somit eine Kraftstoff-Durchfluss-Regelung ermöglicht.
  • Hierzu werden an die Lade-/Entlade-Elektronik, die zumeist in Form eines DC-DC-Konverters ausgeführt ist, hohe Anforderungen gestellt. Die Elektronik muss mit hoher Genauigkeit, Robustheit und Effizienz und guter Wiederholbarkeit den kapazitiv wirkenden Antrieb des Piezo-Injektors in kurzer Zeit mit definierter Ladung/Energie beaufschlagen sowie diesen zum Ende des Einspritzvorgangs wieder definiert entladen. Pro Verbrennungstakt können so eine Vielzahl von kurz hintereinander folgenden Einspritzungen generiert werden, um ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luftgemisch zu erzeugen.
  • Der Konverter muss dem Piezo-Injektor in kurzer Zeit stromgeregelt eine definierte Ladung zuführen und die Last von 0 V auf bis zu 250 V aufladen. Ebenso muss am Ende des Einspritzvorgangs die Last von bis zu 250 V auf 0 V entladen werden. Aus Verlustleistungs-, Kosten- und Effizienzgründen ist es gewünscht, einen möglichst hohen Anteil der transferierten Ladung vom Injektor zurück in den Konverter zu rekuperieren.
  • Hierzu werden meist Zweiquadranten-Schaltnetzteile verwendet, um im bidirektionalen Betrieb Ladung vom internen Speicher des Konverters in die Last und wieder zurück in den Konverter zu transferieren.
  • Die EP 0 871 230 B1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, wie sie in der 1 dargestellt ist.
  • Es handelt sich dort um einen einfachen Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST mit einem vorgeschalteten ersten DC-DC Wandler DCDC1, einem Entladepfad LINEAR DISCHARGE, und einer Auswahlschaltung SELECTION sowie der kapazitiven Last CPIEZO, die das Piezoelement eines Einspritzventils repräsentiert.
  • Der Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST ist als Halbbrücke mit einem ersten Transitor M1 und einem dazu in Serie geschalteten zweiten Transisor M2 gebildet, wobei den Transistoren M1, M2 jeweils eine Diode D1 bzw. D2, beispielsweise in Form einer Substratdiode, parallelgeschaltet ist. Der Verbindungspunkt der beiden Transistoren M1, M2 ist über eine Hauptspule LMAIN und einen LC-Tiefpass mit dem Versorgungsanschluss der kapazitiven Last CPIEZO verbunden. Der LC-Tiefpass ist mit einem Filterkondensator CFILT und einer Filterspule LEMC gebildet und ist über einen ersten, zur Strommessung dienenden Shuntwiderstand RSH1 mit dem Masseanschluss GND der Schaltung verbunden.
  • Der erste DC-DC Wandler DCDC1 ist in der dargestellten Ausführung als Sperrwandler ausgebildet, kann jedoch auch durch andere Wandlertypen realisiert werden. Er weist einen Transformator auf, dessen Primärwicklung PW einerseits über ein EMC-Filter (Electro Magnetic Compatibility) mit dem positiven Anschluss einer Batteriespannung VBAT und andererseits über einen Transistor M0 mit parallelgeschalteter Diode mit dem Masseanschluss der Batteriespannung GND verbunden ist. Der eine Anschluss der Sekundärwicklung SW ist über eine Diode DDCDC mit dem eine positive Spannung führenden Anschluss eines Zwischenkreiskondensators CDCDC und der andere Anschluss der Sekundärwicklung SW mit dem Masseanschluss GND verbunden, mit dem auch der anderer Anschluss des Zwischenkreiskondensators CDCDC verbunden ist.
  • Der Versorgungsanschluss der kapazitiven Last CPIEZO ist über einen Entladetransistor M7 mit einer parallelgeschalteten Diode sowie einem zum Entladetransistor M7 in Serie geschalteten Strommesswiderstand RSP mit dem Masseanschluss GND verbunden.
  • Der andere Anschluss der kapazitiven Last CPIEZO ist über einen Auswahltransistor M3 mit einer parallelgeschalteten Diode sowie einem zum Auswahltransistor M3 in Serie geschalteten zweiten zur Strommessung dienenden Shuntwiderstand RSH2 mit dem Masseanschluss GND der Schaltung verbunden. Der Serienschaltung aus der kapazitiven Last CPIEZO mit dem Auswahltransistor M3 sowie dem zweiten Shuntwiderstand RSH2 können weitere solche Serienschaltungen parallelgeschaltet sein, was bei Anwendung für Einspritzventile für Verbrennungsmotoren regelmäßig der Fall ist.
  • Der erste DC-DC-Wandler DCDC1 erzeugt eine gepufferte Zwischenkreisspannung UDC am Zwischenkreiskondensator CDCDC. Der Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST arbeitet während des Ladens des Piezoelements CPIEZO vereinfacht gesehen als Tiefsetzsteller (Buck-Mode) und während des Entladens als Hochsetzsteller (Boost-Mode). Während des Ladens wird durch pulsweitenmoduliertes Einschalten des ersten Transistors M1 ein Strom in der Hauptspule LMAIN erzeugt. Während der Einschaltzeit des ersten Transistors M1 wirkt die Diode D2 zunächst sperrend und der Strom in der Hauptspule LMAIN steigt gemäß Gesetzmäßigkeit (1) an iL = 1 / L∫u·dt (1)
  • Der differentielle Strom in der Hauptspule LMAIN in der Einschaltphase des ersten Transistors M1 lässt sich näherungsweise nach (2) beschreiben:
    Figure DE102016208375B3_0002
  • Während der Ausschaltzeit des ersten Transistors M1 wirkt die Diode D2 als Freilaufpfad für den Spulenstrom und die gespeicherte Energie in der Hauptspule LMAIN wird durch Stromfluss in die kapazitive Last CPIEZO abgebaut. Der differentielle Strom durch die Hauptspule LMAIN in dieser Phase lässt sich näherungsweise durch (3) beschreiben.
    Figure DE102016208375B3_0003
  • Bedingt durch Gesetzmäßigkeit (2) ist der Stromaufbau abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung VDC am Zwischenkreiskondensator CDCDC und der Spannung VPIEZO an der kapazitiven Last CPIEZO, die mit steigender Lastspannung VPIEZO immer geringer wird. Je geringer die Spannungsdifferenz desto länger wird die Zeit, um den Sollstrom in der Hauptspule LMAIN aufzubauen. Nähert sich VPIEZO an VDC an, limitiert sich der Ladestrom durch die Hauptspule LMAIN systembedingt und schnürt ab. Es sind somit nur Lastspannungen VPIEZO kleiner als die Zwischenkreisspannung VDC erreichbar.
  • Beim Entladen der Last arbeitet der Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST vereinfacht gesehen als Hochsetzsteller. Die Last fungiert als Spannungsquelle für den Konverter, der wie beim Laden pulsweitenmoduliert betrieben wird. Während der Einschaltzeit des zweiten Transistors M2 wird ein Strom in der Hauptspule LMAIN aufgebaut, der Gesetzmäßigkeit (4) folgt. Die Diode D1 des ersten Transistors M1 wirkt in diesem Fall sperrend.
    Figure DE102016208375B3_0004
  • Während der Ausschaltphase des zweiten Transistors M2 findet ein Rückspeisen (rekuperieren) der in der Hauptspule LMAIN gespeicherten Energie in den Zwischenkreiskondensator CDCDC statt. In diesem Fall fließt der Strom aus der kapazitiven Last CPIEZO über die Diode D1 zurück in den CDCDC. Hier gilt Gleichung (5). Die Diode D2 wirkt hier sperrend.
    Figure DE102016208375B3_0005
  • Ein erweiterter Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST ist in der DE 10 2012 204 576 A1 beschrieben und in der 2 dargestellt. Dort sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in der 1 versehen.
  • Im Unterschied zum Abwärts-Aufwärts- Konverter BUCK/BOOST der 1 ist der Abwärts-Aufwärts- Konverter BUCK/BOOST der DE 10 2012 204 576 A1 mit einer Vollbrücke gebildet, die neben den Transistoren M1, M2 der ersten Halbbrücke eine zweite Halbbrücke mit in Serie geschalteten Transistoren M21 und M22 aufweist, wobei auch diesen Transistoren M21 und M22 jeweils eine (Substrat)-Diode D21 bzw. D22 parallelgeschaltet ist. Die Hauptspule LMAIN ist zwischen den Verbindungspunkten der jeweiligen Transistoren M1 und M2 bzw. M21 und M22 der beiden Halbbrücken verschaltet. Die zweite Halbbrücke ist parallel zum Filterkondensator CFILT geschaltet, so dass der erste Shuntwiderstand RSH1 auch als Strommesswiderstand für den Strom beim Laden der Hauptspule LMAIN dienen kann.
  • Eine Ergänzung zu dem Abwärts-Aufwärts-Konverter der DE 10 2012 204 576 A1 offenbart die DE 10 2013 217 037 B3 . Dort sind verschiedene Begrenzungsschaltungen angegeben, die die Spannung am Piezoaktor auf eine Maximalspannung begrenzen, also vor einer Überspannung schützen sollen, da ansonsten durch das dortige Aufwärtswandlerprinzip der Piezoaktor auf eine beliebig hohe Spannung aufgeladen werden könnte.
  • Auch hier erzeugt ein erster DC-DC-Wandler DCDC1 eine gepufferte Zwischenkreisspannung VDC an einem Zwischenkreiskondensator CDCDC. Der Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST mit zwei Halbbrücken arbeitet während des Ladens und Entladens vereinfacht gesehen als Sperrwandler (Flyback). Während des Ladens wird durch pulsweitenmoduliertes gleichzeitiges Einschalten der Transistoren M1 und M22 ein Strom in der Hauptspule LMAIN erzeugt. Während der Einschaltzeit der Transistoren M1 und M22 wirken die Dioden D2 und D21 zunächst sperrend und der Strom in der Hauptspule LMAIN steigt gemäß Gesetzmäßigkeit (6) an. iL = 1 / L∫u·dt (6)
  • Der differentielle Strom in der Hauptspule LMAIN in der Einschaltphase der Transistoren M1 und M2 lässt sich nach (7) beschreiben:
    Figure DE102016208375B3_0006
  • Während der Ausschaltzeit der Transistoren M1 und M22 wirken die Dioden D2 und D21 als Freilaufpfad für den Spulenstrom und die gespeicherte Energie in der Hauptspule LMAIN wird durch Stromfluss in die kapazitive Last UPIEZO abgebaut. Der differentielle Strom in der Hauptspule LMAIN lässt sich hier durch (8) beschreiben.
    Figure DE102016208375B3_0007
  • Bedingt durch Gesetzmäßigkeit (7) ist der Stromaufbau der Hauptspule LMAIN abhängig von der Spannung VDC am Zwischenkreiskondensator CPIEZO aber unabhängig von der Lastspannung VPIEZO. Dies hat zur Folge, dass unabhängig von der Höhe der Ausgangsspannung immer Energie in der Hauptspule LMAIN gespeichert werden kann, welche dann in der Freilaufphase auf die kapazitive Last CPIEZO transferiert wird. Dies ermöglicht die Erzeugung von Ausgangsspannungen VPIEZO, die höher als die Zwischenkreisspannung VDC liegen. Die Lastspannung VPIEZO kann somit beliebig hoch werden, lediglich limitiert durch die Spannungsfestigkeit der verwendeten Komponenten.
  • Beim Entladen der kapazitiven Last arbeitet der Konverter ähnlich wie beim Laden als Flyback-Konverter. Die Last fungiert als Spannungsquelle für den Konverter der ebenso pulsweitenmoduliert betrieben wird. Während der Einschaltzeit der Transistoren M2 und M21 wird ein Strom in der Hauptspule LMAIN aufgebaut, der der Gesetzmäßigkeit (9) folgt.
    Figure DE102016208375B3_0008
  • Während der Ausschaltphase der Transistoren M2 und M21 findet ein Rückspeisung (rekuperieren) der in der Hauptspule LMAIN gespeicherten Energie in den Zwischenkreiskondensator CDCDC statt. In diesem Fall treibt die Hauptspule LMAIN einen Strom über die Dioden D1 und D22 zurück in den Zwischenkreiskondensator UDC. Hier gilt Gleichung (10).
    Figure DE102016208375B3_0009
  • Beim Entladen tritt nun bei beiden obengenannten Lösungen bedingt durch die Gesetzmäßigkeiten (4) und (9) das Problem auf, dass der Stromaufbau in der Hauptspule LMAIN abhängig von der Lastspannung VPIEZO ist, die mit zunehmender Entladung der Last CPIEZO immer geringer wird. Je kleiner die Lastspannung VPIEZO ist, desto länger wird die Zeit, um den Sollstrom in der Hauptspule LMAIN aufzubauen. Nähert sich die Lastspannung VPIEZO einer kritischen Spannung, limitiert sich der Entladestrom und schnürt ab. Dies hat zur Folge, dass die Last nicht vollständig entladen werden kann und eine verbleibende Restladung im Injektor verbleibt.
  • Gelöst wird dieses Problem bislang u. a., indem am Ende der Entladephase ein linearer Stromregler oder Widerstand LINEAR DISCHARGE parallel zur Last geschaltet und die verbleibende Ladung in Wärme ungesetzt wird. Das Schaltelement M7 des Stromreglers LINEAR DISCHARGE muss über eine entsprechende Regel- und Schutzschaltung verfügen.
  • Insbesondere bei Injektoren mit höherem Energiebedarf und einer hohen Einspritzrate erzeugt dieses Verfahren zunehmend Probleme bei der Entwärmung der Elektronik, da die verbleibende Restenergie als Verlustleistung abgeführt werden muss. Die nicht rekuperierte Ladung muss als zusätzliche Energie vom Zwischenkreiswandler DCDC1 aufgebracht werden. Zudem müssen Restriktionen bezüglich minimaler Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Einspritzpulsen durch lange Delay-/Einschwing- und Aktivierungszeiten der linearen Regelstrecke in Kauf genommen werden, welches die Performance des Gesamtsystems beeinträchtigt.
  • Problematisch ist ebenso die Synchronisierung der Entladeströme beim Übergang zwischen dem getakteten und dem linearen Betrieb welche u. a. gewünschte Sensoreffekte beim Schließen des Injektors verschlechtern können bzw. eine sensorische Auswertung des Antriebs unmöglich machen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last anzugeben, bei der eine möglichst vollständige Entladung der Last ohne hohe thermische Belastung möglich ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Demnach weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last einen ersten Kondensator mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss auf, ferner einen Abwärts-Aufwärts-Konverter mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Versorgungsanschluss des Kondensators verbunden sind, wobei der zweite Eingangsanschluss des Konverters mit einem Masseanschluss verbunden ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss die Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Schaltelement angeordnet ist und der Verbindungspunkt der beiden Schaltelemente über eine Hauptspule mit einem ersten Ausgangsanschluss des Konverters verbunden ist, wobei ein zweiter Ausgangsanschluss des Konverters mit dem Masseanschluss verbunden ist. Sie weist außerdem einen Ausgangskreis mit einer kapazitiven Last auf, die zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgangskreisanschluss angeordnet ist, welche mit den Ausgangsanschlüssen des Konverters verbunden sind, sowie einen mit dem Ausgangskreis, der Hauptspule und dem zweiten Schaltelement gebildeten Entladekreis, in dem ein zusätzlicher Kondensator angeordnet ist, der mit einer Ladeschaltung zur Aufladung auf eine vorgegebene Spannung verbunden ist, wobei die Polarität der Spannung der der Lastspannung im aufgeladenen Zustand der kapazitiven Last entspricht.
  • Die Spannung am zusätzlichen Kondensator und die Spannung an der kapazitiven Last gehen also in eine Maschengleichung des Entladekreises mit dem gleichen Vorzeichen ein, so dass sie beide zur Aufladung der Hauptspule beim Entladen beitragen.
  • In einer ersten Ausbildung der Erfindung ist der zusätzliche Kondensator zwischen dem zweiten Schaltelement und dem Masseanschluss angeordnet. Die Ladeschaltung für diesen zusätzlichen Kondensator kann beispielsweise ein weiterer Schaltwandler sein. Allerdings werden hier insbesondere an den Ersatzserienwiderstand des zusätzlichen Kondensators erhöhte Anforderungen gestellt, da der volle Spitzenstrom der Hauptspule das Bauteil belastet.
  • In einer vorteilhaften alternativen Ausbildung der Erfindung sind zwischen dem Abwärts-Aufwärts-Konverter und dem Ausgangskreis eine Filterschaltung und der zusätzliche Kondensator in dem Ausgangskreis angeordnet.
  • Durch diese Maßnahme wird es dem Abwärts-Aufwärts-Wandler ermöglicht, die in der kapazitiven Last gespeicherte Ladung nahezu vollständig zurück in den ersten Kondensator zu transferieren, wobei der zusätzliche Kondensator nur mit dem durch die Filterschaltung gemittelten Strom belastet wird und somit nicht für hohe Spitzenströme ausgelegt werden muss.
  • Der zusätzliche Kondensator kann dabei zwischen der Filterschaltung und der als kapazitiven Last im High-Side-Pfad des Ausgangskreises verschaltet sein, kann jedoch ebenfalls im Low-Side-Pfad zwischen der kapazitiven Last und dem Masseanschluss angeordnet werden.
  • In einer Weiterbildung des Abwärts-Aufwärts-Wandlers ist zwischen der Hauptspule und der Filterschaltung ein drittes Schaltelement und zwischen der Hauptspule und dem Masseanschluss ein viertes Schaltelement angeordnet. Dadurch wird ein Vollbrückenwandler gebildet, der eine Aufladung der kapazitiven Last auf eine Spannung, die größer ist als die Spannung am ersten Kondensator, erlaubt.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Ladeschaltelement zwischen dem Verbindungspunkt des zusätzlichen Kondensators und der kapazitiven Last und dem Massepotential angeordnet. Dieses Ladeschaltelement bildet zusammen mit dem ersten Transistor und der Hauptspule die Ladeschaltung, über die der zusätzliche Kondensator aus dem ersten Kondensator auf eine vorgegebene Spannung geladen werden kann. Es kommt dabei darauf an, dass abhängig von der Kapazität des zusätzlichen Kondensators eine Ladung aufgebracht wird, die größer als die Ladung der kapazitiven Last ist, so dass nach der Entladung der kapazitiven Last noch eine Restladung auf dem zusätzlichen Kondensator verbleibt, der den Stromfluss in die Hauptspule aufrechterhält.
  • In einer alternativen Ausbildung einer Ladeschaltung für den zusätzlichen Kondensator ist der erste Kondensator mit dem Ausgang eines Sperrwandlers verbunden und der Transformator des Sperrwandlers weist eine zweite Sekundärwicklung auf, deren Ausgangsanschlüsse über einen Gleichrichter mit den Anschlüssen des zusätzlichen Kondensators verbunden sind.
  • Der zusätzliche Kondensator kann hier im Gleichtakt mit der Spannungsregelung am ersten Kondensator nachgeladen werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung hat der zusätzliche Kondensator eine um mindestens das 10-fache größere Kapazität als die kapazitive Last. Hierdurch kann die Spannungsvariabilität am zusätzlichen Kondensator bei den Lade- und Entladevorgängen an der kapazitiven Last verringert werden.
  • Um eine negative Aufladung der kapazitiven Last zu vermeiden kann in vorteilhafter Weise zwischen dem Verbindungspunkt des zusätzliche Kondensators und der kapazitiven Last und dem Massepotential eine in Sperrrichtung gepolte Schutzdiode angeordnet sein.
  • Die Schutzdiode kann dabei dem Ladeschaltelement parallel geschaltet sein, insbesondere durch eine Substratdiode dieses Ladeschaltelements gebildet sein.
  • Um mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Mehrzahl parallel geschalteter Ausgangskreise Laden und Entladen zu können kann der Ausgangskreis bzw. die Ausgangskreise in Serie zu der kapazitiven Last einen Auswahlschalter aufweisen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
  • 1 eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine alternative Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last nach dem Stand der Technik
  • 3 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last,
  • 4 eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last,
  • 5 eine erste Weiterbildung der zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last,
  • 6 eine zweite Weiterbildung der zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last und
  • 7 eine dritte Weiterbildung der zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last
  • 3 zeigt eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem zusätzlichen Kondensator CNEG, der bei einer Schaltung gemäß der 1 zwischen dem zweiten Transistor M2 und dem Massepotential GND verschaltet ist. Der zusätzliche Kondensator CNEG wird dabei von einer durch einen zweiten Schaltregler DCDC2 gebildeten Ladeschaltung auf eine Spannung VNEG aufgeladen, die am Verbindungspunkt des zweiten Transistors M2 mit dem zusätzlichen Kondensator CNEG ein gegenüber dem Massepotential GND negatives Potential erzeugt, gegen das die kapazitive Last CPIEZO über die Hauptspule LMAIN immer nahezu vollständig entladen werden kann, indem die in der kapazitiven Last CPIEZO gespeicherte Energie in den ersten Kondensator CDCDC zurückgespeist wird. Allerdings wird der zusätzliche Kondensator CNEG vom Spitzenstrom durch die Hauptspule LMAIN durchflossen, so dass er entsprechend robust ausgelegt werden muss.
  • Auf den zusätzlichen dissipativen Entladepfad LINEAR DISCHARGE der 1 und 2 kann nun verzichtet werden, was erkenntlich gemacht ist, indem dieser Schaltungsbestandteil durchgestrichen ist.
  • Die Ausführung der 3 kann auch bei einem Vollbrücken-Konverter gemäß 2 realisiert werden.
  • Eine alternative vorteilhafte Ausbildung der Erfindung zeigt 4. Dort ist bei einer Schaltungstopologie gemäß der 1 zwischen der Filterschaltung CFILT, LEMC und der kapazitiven Last CPIEZO ein zusätzlicher Kondensator CSHIFT angeordnet, der auf eine Spannung VSHIFT aufgeladen ist, deren Spannung der Spannung an der kapazitiven Last CPIEZO gleichgerichtet ist. Es ist außerdem eine Schutzdiode DPROT vorgesehen, die zwischen dem Verbindungspunkt des zusätzlichen Kondensators CSHIFT und der kapazitiven Last CPIEZO und dem Massepotential GND verschaltet ist. Sie verhindert eine negative Aufladung der kapazitiven Last CPIEZO bei deren Entladung.
  • Beim Entladen der kapazitiven Last CPIEZO durch den Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST wird aus der sich durch die Serienschaltung der kapazitiven Last CPIEZO und des zusätzlichen Kondensators CSHIFT ergebenden Summenspannung von VSHIFT und VPIEZO eine um die am zusätzlichen Kondensator CSHIFT abfallende Spannung VSHIFT erhöhte Arbeitsspannung für den Abwärts-Aufwärts- Konverter BUCK/BOOST erzeugt. Durch geeignete Wahl der Höhe der Spannung VSHIFT am zusätzlichen Kondensator CSHIFT kann der Arbeitspunkt so eingestellt werden, dass der Abwärts-Aufwärts- Konverter BUCK/BOOST immer in einem definierten Arbeitspunkt arbeiten und einen Stromaufbau in der Hauptspule LMAIN generieren kann. Dies lässt sich durch Gleichung (11) beschreiben.
    Figure DE102016208375B3_0010
  • Somit kann auch bei Lastspannungen von VPIEZO = 0 V ein Stromaufbau in der Hauptspule LMAIN erfolgen und eine vollständige Entladung der kapazitiven Last CPIEZO sogar bis in den negativen Spannungsbereich erfolgen. Da der Entladestrom der kapazitiven Last CPIEZO auch den zusätzlichen Kondensator CSHIFT entlädt muss dieser folglich eine höhere Ladung tragen als die kapazitive Last CPIEZO, damit nach deren Entladung noch eine ausreichende Spannung VSHIFT am zusätzlichen Kondensator CSHIFT anliegt.
  • Eine Umladung der Last auf zu hohe negative Spannungswerte kann z. b. durch den Einsatz der Schutzdiode DPROT erreicht werden, welche das negative Potential an der kapazitiven Last CPIEZO dann auf die Flussspannungen der Summe aus der Spannung V(D_PROT) an der Schutzdiode DPROT und der Spannung V(D_M3) am Auswahltransistor M3 limitiert. Wird nach vollständigem Entfernen der Ladung in der kapazitiven Last der getaktete Entladepfad weiter betrieben, so bewirkt die Schutzdiode DPROT eine „Trennung” der kapazitiven Last CPIEZO vom Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST, da diese einen entsprechenden Bypass-Strompfad darstellt. Eine aufwändige Entlade-Ende-Detektion ist somit nicht notwendig.
  • Ein weiterer Vorteil der vorstehenden Topologie ist das implizite Ladungsgleichgewicht im zusätzlichen Kondensator CSHIFT nach einem vollständigen Lade-Entladezyklus. Beim Laden ebenso wie beim Entladen fliest die gleiche Ladung durch den zusätzlichen Kondensator CSHIFT und die kapazitive Last CPIEZO. Wird somit nach einem Zyklus an der Last das gleiche Ladungsniveau wie vor dem Zyklus (z. B. 0 μAs) erreicht, so ist auch die Ladung am zusätzlichen Kondensator CSHIFT wieder ausgeglichen. Im Idealfall ist somit bis auf die initiale Aufladung und eventuelle Leckströme des zusätzlichen Kondensators CSHIFT keine weitere Leistung zur Versorgung des zusätzlichen Kondensators CSHIFT nötig. Die gespeicherte Ladung in der kapazitiven Last CPIEZO kann bis auf kleinere Leitungsverluste durch ESR, RDSon des Schaltelements und Leiterbahnen vollständig rekuperiert werden.
  • In der praktischen Anwendung kann der Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST mit dem zusätzlichen Kondensator CSHIFT so betrieben werden, dass nach einem Zyklus immer die Entladung geringfügig größer ist als die Ladung (5...100 und somit ein einfaches Nachladen des zusätzlichen Kondensators CSHIFT zum Balancieren ausreichend ist.
  • Die Größe der Kapazität des ist abhängig vom maximal an ihm zu erlaubenden Spannungshube und sollte ein Vielfaches der Lastkapazität betragen. Soll in der praktischen Anwendung ein Spannungshub am zusätzlichen Kondensators CSHIFT von max. 2% der Lastspannung erreicht werden, so muss die Kapazität des zusätzlichen Kondensators CSHIFT ca. 50-fach höher sein als die max. Lastkapazität.
  • Eine Weiterbildung des Abwärts-Aufwärts-Wandlers BUCK/BOOST gemäß 4 zeigt 5. Dort ist der Abwärts-Aufwärts-Wandler BUCK/BOOST entsprechend 2 als Vollbrückenwandler ausgebildet, wobei zwischen der Hauptspule LMAIN und der Filterschaltung CFILT, LEMC ein drittes Schaltelement M21 und zwischen der Hauptspule LMAIN und dem Masseanschluss GND ein viertes Schaltelement M22 angeordnet ist. Die somit erhaltene Serienschaltung aus dem dritten und dem vierten Schaltelement M21, M22 ist dem Kondensator CFILT der Filterschaltung CFILT, LEMC parallelgeschaltet. Zwischen dieser Parallelschaltung und dem Masseanschluss GND kann ein Strommesswiderstand RSH1 verschaltet sein.
  • Das Vorladen des zusätzlichen Kondensators CSHIFT auf eine definierte Spannung kann mittels mehrerer Verfahren erfolgen. In einer ersten Ausbildung gemäß 6 kann die Speisung über den getakteten Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST mit einem zusätzlichen Ladepfad mit einem Transistor MPRT erfolgen.
  • Wird die Schutzdiode DPROT durch den aktiven Schalter MPRT ersetzt, so kann bei nicht über den Auswahltransistor M3 selektierter Last (M3 sperrend) und leitendem Transistor MPRT der zusätzliche Kondensator CSHIFT über den vorhandenen Abwärts-Aufwärts-Konverter BUCK/BOOST geladen werden. Da während der Ladephase der Minuspol des zusätzlichen Kondensators CSHIFT mit dem Massepotential GND verbunden ist, kann durch eine einfache Masse-referenzierte Spannungsmessung die Spannung VSHIFT am zusätzlichen Kondensator CSHIFT geregelt werden.
  • 7 zeigt eine Vorladeschaltung für den zusätzlichen Kondensator CSHIFT mit einer zweiten Sekundärwicklung SW2 des Transformators des ersten DC-DC-Wandler DCDC1 die mit einem festem Wicklungsverhältnis an diesen gekoppelt ist. Sie ist über einen Gleichrichter DGL, der hier als einfache Diode ausgebildet ist, mit dem zusätzlichen Kondensator CSHIFT verbunden.
  • Sofern die Streuinduktivitäten des Transformators vernachlässigbar klein sind, wird für den Ladepfad für den zusätzlichen Kondensator CSHIFT keine eigene Regelung benötigt, da die Hilfswicklung SW2 proportional der Zwischenkreisspannung VDC folgt. Die gekoppelten Ausgangsspannungen VDC und VSHIFT sind somit über das transformatorische Wicklungsverhältnis vorgegeben. Eine Regelung der Zwischenkreisspannung VDC bestimmt somit auch die Spannung am zusätzlichen Kondensator CSHIFT.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat die Vorteile, dass der Arbeitsbereich eines DCDC-Wandlers mit einfachen Maßnahmen dahingehend erweitert werden kann, dass dieser kapazitive Lasten bis zu einem Spannungsbereich von 0 V entladen kann. Das Entladen kann verlustarm bis zu der Lastspannung von 0 V erfolgen und die in der Last gespeicherte Ladung kann weitestgehend zurück in den Zwischenkreis gespeist werden. Außerdem wird durch das Hinzufügen eines auf eine Spannung vorgeladenen Blindspeicherelementes in Serie zur Last während des Betriebes lediglich Scheinleistung benötigt, die nahezu vollständig zurückgewonnen werden kann.
  • Die Anforderungen an den elektrischen Serienwiderstand bei der zweiten Variante der Platzierung des zusätzlichen Kondensators CSHIFT reduzieren sich, da lediglich der gefilterte und gemittelte Laststrom und nicht der höhere Spitzenstrom der Hauptspule LMAIN über den zusätzlichen Kondensator CSHIFT geführt werden muss. Ein zweiter aufwändiger DC-DC-Wandler zur Erzeugung einer negativen Hilfsspannung kann so vermieden werden.
  • Die Lage des zusätzlichen Kondensators CSHIFT ist unabhängig von der gewählten Topologie, kann also beispielsweise bei Halbbrückentopologien gemäß 1 und bei Vollbrückentopologien gemäß 2 verwendet werden – und kann an verschiedenen Stellen eingefügt werden wie z. B. im Highside- (siehe 4 bis 6) oder auch im Lowside-Pfad des Lastkreises.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last (CPIEZO) mit – einem ersten Kondensator (CDCDC) mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss, – einem Abwärts-Aufwärts-Konverter (BUCK/BOOST) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Versorgungsanschluss des Kondensators (CDCDC) verbunden sind, wobei der zweite Eingangsanschluss des Konverters (BUCK/BOOST) mit einem Masseanschluss (GND) verbunden ist, – wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss die Serienschaltung aus einem ersten (M1) und einem zweiten Schaltelement (M2) angeordnet ist und der Verbindungspunkt der beiden Schaltelemente (M1, M2) über eine Hauptspule (LMAIN) mit einem ersten Ausgangsanschluss des Konverters (BUCK/BOOST) verbunden ist, wobei ein zweiter Ausgangsanschluss des Konverters (BUCK/BOOST) mit dem Masseanschluss (GND) verbunden ist, – einem Ausgangskreis mit einer kapazitiven Last (CPIEZO), die zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgangskreisanschluss angeordnet ist, welche mit den Ausgangsanschlüssen des Konverters (BUCK/BOOST) verbunden sind, gekennzeichnet durch, einen mit dem Ausgangskreis, der Hauptspule (LMAIN) und dem zweiten Schaltelement (M2) gebildeten Entladekreis, in dem ein zusätzlicher Kondensator (CNEG, CSHIFT) angeordnet ist, der mit einer Ladeschaltung (DCDC2; SW2, DG1; MPRT) zur Aufladung auf eine vorgegebene Spannung (VNEG, VSHIFT) verbunden ist, wobei die Polarität der Spannung (VNEG, VSHIFT) der der Lastspannung (VPIEZO) im aufgeladenen Zustand der kapazitiven Last (CPIEZO) entspricht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Kondensator (CNEG) zwischen dem zweiten Schaltelement (M2) und dem Masseanschluss (GND) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung ein zweiter DC-DC-Wandler (DCDC2) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abwärts-Aufwärts-Konverter (BUCK/BOOST) und dem Ausgangskreis eine Filterschaltung (CFILT, LEMC) und der zusätzliche Kondensator (CSHIFT) zwischen der Filterschaltung (CFILT, LEMC) und dem Ausgangskreis angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hauptspule (LMAIN) und der Filterschaltung (CFILT, LEMC) ein drittes Schaltelement (M21) und zwischen der Hauptspule (LMAIN) und dem Masseanschluss (GND) ein viertes Schaltelement (M22) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeschaltelement (MPRT) zwischen dem Verbindungspunkt des zusätzlichen Kondensators (CSHIFT) und der kapazitiven Last (CPIEZO) und dem Massepotential (GND) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (CDCDC) mit dem Ausgang eines Sperrwandlers (DCDC1) verbunden ist und dass der Transformator des Sperrwandlers (DCDC1) eine zweite Sekundärwicklung (SW2) aufweist, deren Ausgangsanschlüsse über einen Gleichrichter (DGL) mit den Anschlüssen des zusätzlichen Kondensators (CSHIFT) verbunden sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Kondensator (CSHIFT) eine um mindestens das 10-fache größere Kapazität hat als die kapazitive Last (CPIEZO).
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbindungspunkt des zusätzlichen Kondensators (CSHIFT) und der kapazitiven Last (CPIEZO) und dem Massepotential (GND) eine in Sperrrichtung gepolte Schutzdiode (DPROT) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzdiode (DPROT) das Ladeschaltelement (MPRT) parallel geschaltet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anschlüsse, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangskreis in Serie zu der kapazitiven Last (CPIEZO) einen Auswahlschalter (M3) enthält.
DE102016208375.9A 2016-05-17 2016-05-17 Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last Active DE102016208375B3 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016208375.9A DE102016208375B3 (de) 2016-05-17 2016-05-17 Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last
US15/591,958 US10693305B2 (en) 2016-05-17 2017-05-10 Device for charging and discharging a capacitive load
KR1020170059491A KR101982919B1 (ko) 2016-05-17 2017-05-12 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스
CN201710347941.6A CN107395009A (zh) 2016-05-17 2017-05-17 用于对电容负载进行充电和放电的装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016208375.9A DE102016208375B3 (de) 2016-05-17 2016-05-17 Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102016208375B3 true DE102016208375B3 (de) 2017-10-12

Family

ID=59930055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016208375.9A Active DE102016208375B3 (de) 2016-05-17 2016-05-17 Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10693305B2 (de)
KR (1) KR101982919B1 (de)
CN (1) CN107395009A (de)
DE (1) DE102016208375B3 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017106424B4 (de) * 2017-03-24 2021-09-02 Infineon Technologies Austria Ag Leistungswandlerschaltung mit einem Hauptwandler und einem Hilfswandler
CN109066943A (zh) * 2018-07-20 2018-12-21 江苏大学 一种压力发电蓄电池储能控制系统
CN108964234A (zh) * 2018-07-20 2018-12-07 江苏大学 一种超级电容压力发电储能控制系统
RU2698578C1 (ru) * 2018-12-04 2019-08-28 Общество с ограниченной ответственностью "РЭНК" (ООО "РЭНК") Устройство питания шагового пьезоэлектрического двигателя (варианты)
US10756630B1 (en) * 2019-02-15 2020-08-25 Microchip Technology Incorporated Line discharge circuit with low power components
US10698465B1 (en) * 2019-05-13 2020-06-30 Quanta Computer Inc. System and method for efficient energy distribution for surge power
DE102020103166A1 (de) * 2020-02-07 2021-08-12 Hanon Systems Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität
CN111654187B (zh) * 2020-06-09 2021-12-14 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 压电驱动电路和压电驱动方法
KR20220050662A (ko) 2020-10-16 2022-04-25 삼성전자주식회사 스위칭 레귤레이터 및 이것의 동작 방법
CN112445261B (zh) * 2021-01-28 2021-04-30 华中科技大学 一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0871230B1 (de) * 1997-04-09 2004-09-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements
DE102012204576A1 (de) * 2012-03-22 2013-09-26 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Stellgliedes und Anordnung mit einer solchen Vorrichtung
DE102013217037B3 (de) * 2013-08-27 2014-12-11 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Stellgliedes und Anordnung mit einer solchen Vorrichtung

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19632837A1 (de) 1996-08-14 1998-02-19 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes
US7777459B2 (en) 2006-12-30 2010-08-17 Advanced Analogic Technologies, Inc. High-efficiency DC/DC voltage converter including capacitive switching pre-converter and down inductive switching post-regulator
US7786712B2 (en) 2006-12-30 2010-08-31 Advanced Analogic Technologies, Inc. High-efficiency DC/DC voltage converter including up inductive switching pre-regulator and capacitive switching post-converter
US8937818B2 (en) 2012-02-03 2015-01-20 Sheikh Mohammad Ahsanuzzaman Low-volume programmable-output PFC rectifier with dynamic efficiency and transient response optimization
US8919559B2 (en) 2012-03-28 2014-12-30 Aventisub Ii Inc. Package with break-away clamshell
WO2013181763A1 (en) 2012-06-08 2013-12-12 The Governing Council Of The University Of Toronto System and method to reduce the energy storage requirements of a cascaded converter system
WO2016069799A1 (en) 2014-10-28 2016-05-06 Advanced Charging Technologies, LLC Electrical circuit for delivering power to consumer electronic devices

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0871230B1 (de) * 1997-04-09 2004-09-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements
DE102012204576A1 (de) * 2012-03-22 2013-09-26 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Stellgliedes und Anordnung mit einer solchen Vorrichtung
DE102013217037B3 (de) * 2013-08-27 2014-12-11 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Stellgliedes und Anordnung mit einer solchen Vorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
US20170338680A1 (en) 2017-11-23
KR101982919B1 (ko) 2019-05-27
US10693305B2 (en) 2020-06-23
CN107395009A (zh) 2017-11-24
KR20170129619A (ko) 2017-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016208375B3 (de) Vorrichtung zum Laden und Entladen einer kapazitiven Last
EP2828969B1 (de) Verfahren zum betrieb eines kapazitiven stellgliedes
EP1920525B1 (de) Steuerungsanordnung für einen spannungskonverter und verfahren
DE102013217037B3 (de) Vorrichtung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Stellgliedes und Anordnung mit einer solchen Vorrichtung
DE102020200927A1 (de) Hybrid-Mehrpegel-Leistungsumsetzer mit lnduktor zwischen Stufen
DE112013007233T5 (de) DC/DC-Umsetzer
DE102008021090A1 (de) Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung
DE102004046192A1 (de) Schaltungsanordnung und Verfahren zum Laden und Entladen wenigstens einer kapazitiven Last
EP2895735A1 (de) Zündsystem für eine verbrennungskraftmaschine
EP1099260B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum ansteuern wenigstens eines kapazitiven stellgliedes
DE102018222905A1 (de) Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung
DE102005056338B4 (de) Spannungskonverter und Verfahren zur Spannungskonversion
DE102010002081A1 (de) LED-Spannungsmessung
DE102016110670B4 (de) Ladungsinjektion zur sofortigen Transientenunterstützung
DE102019219965A1 (de) Ladungspumpenübergangsantwortoptimierung durch gesteuerte Entladung eines fliegenden Kondensators während eines Übergangs vom Umgehungs- zum Schaltmodus
DE102004003838B4 (de) Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen von mehreren kapazitiven Stellgliedern
WO1997004513A1 (de) Vorrichtung zum ladungsausgleich zwischen einer vielzahl von energiespeichern oder -wandlern
DE102012100352B3 (de) Treiberschaltung für Leuchtdioden
DE102013219609A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Aktuators
DE102015112524A1 (de) Verfahren zur Spannungsbalancierung von in Reihe geschalteten Kondensatoren
DE10200828A1 (de) Schaltungsanordnung für die Wechselspannungsversorgung eines Plasma-Display-Panels
DE19823850C2 (de) Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers
DE102019116769A1 (de) Brückenschaltkreis und Ladungspumpe
DE19944249A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes
EP1683254B1 (de) Spannungswandler und verfahren zum betreiben eines spannungswandlers

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, 30165 HANNOVER, DE