DE10303779A1 - Device for charging and discharging piezoelectric elements e.g. for motor vehicle common rail diesel fuel injectors, has two parallel circuits connected together at their output sides and to choke terminal - Google Patents

Device for charging and discharging piezoelectric elements e.g. for motor vehicle common rail diesel fuel injectors, has two parallel circuits connected together at their output sides and to choke terminal Download PDF

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Abstract

A device for charging and discharging piezoelectric elements, has a DC/DC converter (1) with charge- or switching-converter (2) and first- and second power switches (S1,S2). A stop switch (3) is connected to the piezoelectric element (P). In the charge/switching converter first- and second capacitors (C1,C2) is connected in parallel to each of the power switches and to the diodes (D1,D2). The parallel circuit of the first power switch (S1), first diode (D1) and first capacitor (C1) is connected to a first output terminal of the DC/DC converter device, and a parallel circuits of the second power switch (S2), second diode (D2) and second capacitor (C2) are connected to a second output terminal of the DC/DC converter device. The two parallel circuits are connected to one another at their output and to one terminal of a choke (L), the latter being connected at its other terminal to a first output terminal of the switching converter (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere von Piezoaktuatoren in Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen.The invention relates to a device for charging and discharging piezoelectric elements, in particular of piezoactuators in injectors for fuel injection in Motor vehicles.

Aus "Piezo-Aktorik löst Magnetventiltechnik ab", Elektronik Automotive, April 2002 ist es bekannt, Piezo-Aktoren in Common-Rail-Diesel-Kraftstoffeinspritzsystemen anstelle von Magnetventilen zu verwenden, da durch das schnellere Schalten von Piezo-Injektoren eine bessere zeitliche und räumliche Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes möglich ist. Die Kraftstoffmenge kann auf mehrere Einzeleinspritzungen verteilte werden, d.h. mehrere Voreinspritzungen sehr kleiner Kraftstoffmenge folgen der Haupteinspritzung sowie bei Bedarf wiederum mehrere Nacheinspritzungen.From "Piezo actuators replace solenoid valve technology", Electronics Automotive, April 2002, it is known piezo actuators in common-rail diesel fuel injection systems Instead of using solenoid valves, because of the faster Switching from piezo injectors a better temporal and spatial distribution the injected fuel is possible. The amount of fuel can be distributed to several single injections, i. several Pre-injections of very small amounts of fuel follow the main injection and, if necessary, several injections again.

Beispielsweise ist aus der DE 199 27 087 A1 eine Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente bekannt, wobei diese piezoelektrischen Elemente unter anderem als Aktuatoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelektrische Elemente sein können, wie sie beispielsweise bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen verwendet werden. Eine aus dieser Druckschrift bekannte Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements ist in 6 gezeigt. Wie aus 6 ersichtlich, liegt ein erster Anschluss des piezoelektrischen Elements P dauerhaft auf Masse, d.h. ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden, wohin gegen ein zweiter Anschluss des piezoelektrische Elements P über eine Drossel L und eine Parallelschaltung aus einem Ladeschalter S11 und einer Diode D1 mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle und über die Drossel L und eine Parallelschaltung aus einem Entladeschalter S22 und einer Diode D2 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Die Drossel L, der Ladeschalter S11, die Diode D1, der Entladeschalter S22 und die Diode D2 bilden einen Lade- bzw. Schaltwandler 2. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit der Spannungsquelle B, einem DC/DC-Wandler 10 und einem Speicherkondensator CSP.For example, is from the DE 199 27 087 A1 a device for charging and discharging a plurality of piezoelectric elements known, said piezoelectric elements may be used among other things as actuators piezoelectric elements, such as those used in fuel injection nozzles for internal combustion engines. A known from this document for loading and unloading a piezoelectric element is in 6 shown. How out 6 can be seen, a first terminal of the piezoelectric element P is permanently connected to ground, that is connected to a first pole of a voltage source, where against a second terminal of the piezoelectric element P via a throttle L and a parallel circuit of a charging switch S11 and a diode D1 with a second pole of the voltage source and via the inductor L and a parallel circuit of a discharge switch S22 and a diode D2 is connected to the first pole of the voltage source. The inductor L, the charging switch S11, the diode D1, the discharging switch S22, and the diode D2 constitute a charging / switching converter 2 , Furthermore, the device comprises a DC / DC converter device 1 with the voltage source B, a DC / DC converter 10 and a storage capacitor C SP .

Die Spannungsquelle wird durch ein kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel ein Speicherkondensator CSP ist, gebildet. Der Speicherkondensator CSP wird durch einen Batterie B, beispielsweise eine Kfz-Batterie und einen dieser nachgeschalteten Gleichspannungsbzw. DC/DC-Wandler 10 geladen. Der DC/DC-Wandler 10 setzt die Batteriespannung (beispielsweise 12V) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleichspannung um und lädt den Speicherkondensator CSP auf diese Spannung auf.The voltage source is formed by a capacitive element comprising, in the example considered, a storage capacitor C SP . The storage capacitor C SP is powered by a battery B, for example, a motor vehicle battery and one of these downstream DC voltage. DC / DC converter 10 loaded. The DC / DC converter 10 sets the battery voltage (for example 12V) in a substantially any other DC voltage and charges the storage capacitor CS P to this voltage.

Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements P erfolgt durch Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element, nämlich dem Speicherkondensator CSP über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element, beispielsweise die Drossel L, zum piezoelektrischen Element P oder umgekehrt.The charging and discharging of the piezoelectric element P takes place by carrying out a charge transport from an element having capacitive properties, namely the storage capacitor C SP via an element having inductive properties, for example the inductor L, to the piezoelectric element P or vice versa.

Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements P erfolgt getaktet, d.h. der Ladeschalter S11 und der Entladeschalter S22 werden während des Lade- bzw. Entladevorgangs wiederholt geschlossen und geöffnet.The charging and discharging of the piezoelectric Elements P is clocked, i. the charging switch S11 and the discharging switch S22 will be during of the charging or discharging repeatedly closed and opened.

Es ist weiterhin aus dieser Druckschrift bekannt, bei mehreren zu ladenden und entladenden piezoelektrischen Elementen jedes Piezoelement über einen ersten Widerstand mit Masse zu verbinden und parallel zu dieser Anordnung eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand und eine Parallelschaltung aus einem Stopschalter und einer Diode vorzusehen.It is still from this document known, with several to be charged and discharged piezoelectric Elements each piezo element over a connect the first resistor to ground and parallel to it Arrangement a series connection of a second resistor and to provide a parallel circuit of a stop switch and a diode.

Der zweite Widerstand, der Stopschalter und die Diode dienen dazu, die piezoelektrischen Elemente vollständig zu entladen, falls diese durch das "normale" Entladen nicht vollständig entladen wurden. Der Stopschalter wird vorzugsweise nach dem "normalen" Entladen, d.h. dem getakteten Entladen über den Entladeschalter S22 geschlossen. Er schließt damit das Piezoelektrische Element über die Widerstände kurz und sorgt so für das Entfernen von eventuell in dem piezoelektrischen Element verbliebener Restladung.The second resistor, the stop switch and the diode serve to completely close the piezoelectric elements unload if they are not completely discharged by the "normal" unloading were. The stop switch is preferably after the "normal" unloading, i. the clocked unloading over closed the discharge switch S22. He concludes the piezoelectric Element over the resistances short and ensures so the removal of any remaining in the piezoelectric element Residual charge.

Der erste Widerstand dient zur Messung der beim Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente fließenden Ströme.The first resistor is for measurement the currents flowing during charging and discharging of the piezoelectric elements.

Die Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein geregeltes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente P; insbesondere kann durch ein von der Größe der Ströme abhängendes Schließen und Öffnen des Ladeschalter S11 und des Entladeschalters S22 erreicht werden, dass der Ladestrom und der Entladestrom auf vorbestimmte Mittelwerte eingestellt werden und/oder vorbestimmte Maximalwerte und/oder Minimalwerte nicht übersteigen bzw. unterschreiten.The knowledge of these currents allows a regulated Charging and discharging the piezoelectric elements P; in particular can by a depending on the size of the streams Conclude and open the charging switch S11 and the discharging switch S22 are reached, that the charging current and the discharge current to predetermined average values are set and / or predetermined maximum values and / or minimum values do not exceed or fall below.

Die mit dem Stopschalter parallel geschaltete Diode verhindert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen, da diese hierdurch unter Umständen zerstört werden können.The parallel with the stop switch switched diode prevents the occurrence of negative voltages at the piezoelectric elements, as these may be destroyed by this can.

Problematisch bei derartigen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist jedoch eine sehr hohe Verlustleistung. Die in den Vorrichtungen erzeugte Wärme ist ggf. durch eine einfache Luftkühlung nicht mehr abführbar, so dass eine zusätzliche Wasserkühlung erforderlich wird, die den Bauraum vergrößert und die Kosten erhöht.Problematic in such devices for Charging and discharging piezoelectric elements, however, is a very high power loss. The heat generated in the devices is possibly by a simple air cooling no longer dischargeable, so an extra water cooling is required, which increases the space and increases the cost.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente zu schaffen, die eine verringerte Verlustleistung aufweist, so dass eine zusätzliche Wasserkühlung nicht mehr erforderlich ist.It is therefore an object of the present invention an apparatus for loading and unloading pie To provide zoelektrischer elements having a reduced power loss, so that an additional water cooling is no longer required.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere von Piezoaktuatoren in Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by a Device for charging and discharging piezoelectric elements, in particular of piezoactuators in injectors for fuel injection in Motor vehicles solved with the features of claim 1. advantageous Further developments of the invention are specified in the subclaims.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente kann mit geringem Bauteileaufwand unter Verwendung von zwei Leistungsschaltern, von denen nur einer stromführend ist und geringe Durchlassverluste aufweist, die Verlustleistung deutlich verringert werden. Abschaltverluste werden durch die Ausbildung von Kondensatoren über die zwei Leistungsschalter und Nullspannungsschalten fast vollständig vermieden. Eine zusätzliche Wasserkühlung ist dadurch nicht mehr erforderlich.By the inventive device for Charging and discharging piezoelectric elements can be low Component overhead using two circuit breakers, from which only one energized is and has low forward losses, the power loss be significantly reduced. Shutdown losses are due to the training of Capacitors over the two circuit breakers and zero voltage switching almost completely avoided. An additional water cooling is no longer necessary.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.These and other tasks, features and advantages of the present invention will become apparent from the following Description of a preferred embodiment in conjunction with the drawing obvious.

Es zeigen:Show it:

1 eines prinzipiellen Aufbaus einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, 1 a basic structure of a device for charging and discharging piezoelectric elements,

2 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Piezospannung sowie des Mittelwerts des Lade- und Entladestroms des piezoelektrische Elements, 2 a schematic representation of the course of the piezoelectric voltage and the average value of the charging and discharging of the piezoelectric element,

3 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, 3 the principle of a device according to the invention for charging and discharging piezoelectric elements,

4 einen prinzipiellen Strom- und Spannungsverlauf in einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente gemäß 3 bei Unterdrückung der Abschaltverluste in S1 durch C1 und C2, 4 a principal current and voltage curve in a device for charging and discharging piezoelectric elements according to 3 suppressing the turn-off losses in S1 through C1 and C2,

5 Strom- und Spannungsverläufe in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente beim Aufladevorgang und 5 Current and voltage curves in the inventive device for charging and discharging piezoelectric elements during charging and

6 eine herkömmliche Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente. 6 a conventional device for charging and discharging piezoelectric elements.

Bei neuen Dieselmotoren mit Common-Rail-Einspritzung oder Otto-Motoren mit strahlgeführter Direkteinspritzung werden Injektoren mit Piezoaktuatoren eingesetzt, um die hohen Dynamikanforderungen bei Mehrfacheinspritzungen zu erfüllen. Piezoaktuatoren verhalten sich elektrisch wie nichtlineare verlustbehaftete Kapazitäten. Bei Betrieb des Aktuators wird der nichtlineare Kondensator auf- und entladen, d.h. es muss Ladung bzw. Energie aufgebracht und heruntergenommen werden. Die Ladekurve ist dabei hysteresebehaftet.For new diesel engines with common-rail injection or petrol engines with spray-guided Direct injection, injectors with piezoactuators are used, to the high dynamic requirements of multiple injections fulfill. Piezoactuators behave electrically like non-linear lossy ones Capacities. During operation of the actuator, the non-linear capacitor is opened and closed unloaded, i. it has to be charged or taken down and taken down become. The charge curve is hysteresis.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, die für den vorstehend erwähnten Zweck verwendbar ist und eine wesentlich verringerte Verlustleistung aufweist, wodurch keine zusätzliche Wasserkühlung erforderlich ist. Jedoch besteht keine Einschränkung auf einen derartigen Einsatz piezoelektrischer Elemente; die piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.The present invention relates Therefore, a device for loading and unloading piezoelectric Elements for the aforementioned Purpose is usable and a significantly reduced power dissipation which means no additional water cooling is required. However, there is no limitation to such use piezoelectric elements; The piezoelectric elements can basically in any devices for be used for any purpose.

In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 und einen Lade- bzw. Schaltwandler 2. Einem Eingang der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 wird eine Energie ED zugeführt und es liegt daran eine Betriebsspannung UB an. Diese Energie ED wird von der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit einem Wirkungsgrad ηD einem Speicherkondensator CSP zugeführt, über den eine Spannung USP abfällt. EV D bezeichnet die Verlustenergie der DC/DC-Wandlervorrichtung 1. Der Schaltwandler 2 entnimmt dem Speicherkondensator CSP in der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 Energie EHS für eine Streckung des piezoelektrischen Elements und führt sie dem Speicher CSP abzüglich der Verluste im piezoelektrischen Element und dem Schaltwandler 2 bei der Stauchung des piezoelektrischen Elements als Energie ER S wieder zu. EVHS und EVRS stellen die Energieverluste bei der Hin- bzw. Rückübertragung der Energie von der/zu der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 dar, während EVS den Energieverlust im Schaltwandler 2 bezeichnet. Der Energietransport in beiden Richtungen ist nämlich mit Verlusten verbunden. Vom Schaltwandler 2 wird bei einer Streckung des piezoelektrischen Elements der Piezokapazität CP, über die eine Piezospannung UP abfällt, eine Energie EHP zugeführt, bzw. bei einer Stauchung des piezoelektrischen Elements eine Energie ERP von der Piezokapazität empfangen wird. In der Piezokapazität ist eine Energie EC P gespeichert und bei einem Lade- oder Entladevorgang fließt ein Strom IP.In 1 a basic structure of a device for charging and discharging piezoelectric elements is shown. The device according to the invention comprises a DC / DC converter device 1 and a charging or switching converter 2 , An input of the DC / DC converter device 1 an energy E D is supplied and an operating voltage U B is applied thereto. This energy E D is supplied from the DC / DC converter device 1 with an efficiency η D to a storage capacitor C SP , across which a voltage U SP drops. E V D denotes the loss energy of the DC / DC converter device 1 , The switching converter 2 takes the storage capacitor C SP in the DC / DC converter device 1 Energy E HS for an extension of the piezoelectric element and leads them to the memory C SP minus the losses in the piezoelectric element and the switching converter 2 in the compression of the piezoelectric element as energy E R S again. E VHS and E VRS represent the energy losses in the transmission of the energy back and forth from / to the DC / DC converter device 1 while E VS the energy loss in the switching converter 2 designated. The energy transport in both directions is associated with losses. From the switching converter 2 is at an extension of the piezoelectric element of the piezoelectric capacitance C P , via which a piezoelectric voltage U P drops, an energy E HP supplied, or at a compression of the piezoelectric element, an energy E RP is received by the piezoelectric capacitor. An energy E C P is stored in the piezo capacity and a current I P flows during a charging or discharging process.

Beispielsweise ist der Wirkungsgrad des Schaltwandlers 2 bei der Aufladung des piezoelektrischen Elements ηH S = EH P/EHS, wobei EHP die vom Schaltwandler 2 ausgegebene Energie und EHS die aus dem Speicher CSP in der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 entnommene Energie ist. Bei dem Piezoinjektor wird beispielsweise von einem Injektor mit Servounterstützung mit folgenden Eigenschaften ausgegangen:

  • – Maximale Piezospannung UP = 200V
  • – Piezokapazität bei 200V CP = 6μF
  • – Lade- bzw. Entladezeit t = 200μs
For example, the efficiency of the switching converter 2 in the charging of the piezoelectric element η H S = E H P / E HS , where E HP that of the switching converter 2 output energy and E HS from the memory C SP in the DC / DC converter device 1 taken energy is. For example, the piezo injector uses a servo-assisted injector with the following characteristics:
  • - Maximum piezo voltage U P = 200V
  • - Piezocapacity at 200V C P = 6μF
  • - Charging or discharging time t = 200μs

In 2 ist der Verlauf der Piezospannung UP sowie der Mittelwert des Lade- und Entladestroms IP schematisch dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, dass der Strom durch Piezokapazität IP beim Ladevorgang ein positiver Rechteckpuls ist, während er beim Entladevorgang ein negativer Rechteckpuls und in den Zeiträumen dazwischen gleich Null ist.In 2 is the course of the piezo voltage U P and the average value of the charging and discharging current I P shown schematically. It can be seen that the current through the piezoelectric capacitance I P during charging is a positive rectangular pulse, while it is a negative rectangular pulse during the discharge process and equal to zero during the periods in between.

Die Vorgaben durch die Piezoeigenschaften führen im bevorzugten Ausführungsbeispiel zu folgenden Konsequenzen:

  • – Der mittlere Ladestrom für das piezoelektrische Element muss IP = 6A sein.
  • – Für den eingangsseitigen mittleren Lade- bzw. Schaltwandlerstrom von 6A wird eine eingangsseitige Speicherspannung von USP > 200V benötigt.
  • – Es ist ein Gleichspannungs/Gleichspannungs(DC/DC)-Wandler zur Wandlung der Betriebsspannung UB = 14V auf USP > 200V erforderlich.
  • – Wegen der kurzzeitigen hohen Leistungsaufnahme von 200·6VA ist ein Speicher erforderlich, damit der DC/DC-Wandler für eine wesentlich geringere Spitzenleistung ausgelegt werden kann.
The specifications by the piezoelectric properties lead in the preferred embodiment to the following consequences:
  • - The average charging current for the piezoelectric element must be I P = 6A.
  • - For the input-side average charging or switching converter current of 6A, an input-side storage voltage of U SP > 200V is required.
  • - It is a DC / DC converter (DC / DC) to convert the operating voltage U B = 14V to U SP > 200V required.
  • - Due to the short-term high power consumption of 200 · 6VA, a memory is required, so that the DC / DC converter can be designed for a much lower peak power.

Der Speicherkondensator CSP hat beispielsweise eine Kapazität von ca. 50μF.The storage capacitor C SP , for example, has a capacity of about 50μF.

Eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente erzeugt beim Betrieb Verlustwärme. Der Aufwand für die Ableitung der Verlustwärme und damit die Verlustwärmemenge sollte daher so gering wie möglich sein. Bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist das Wärmeaufkommen jedoch hoch.A device for charging and discharging piezoelectric Elements generates waste heat during operation. The effort for the derivation the heat loss and thus the amount of heat loss should therefore be as low as possible his. In conventional devices for charging and discharging piezoelectric elements is the heat however high.

Der Hauptanteil der Verlustleistung der Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente entsteht herkömmlich im Lade- bzw. Schaltwandler in den Bauteilen mit ohmschem Wi derstand, die einen hohen Ladestrom führen. Es sind dies Halbleiterschalter und eine Drossel im Schaltwandler. Die Verluste in den Halbleiterschaltern setzen sich aus Abschaltverlusten und Durchlassverlusten zusammen. Die Abschaltverluste könnten durch schneller schaltende Transistoren reduziert werden. Kürzere Schaltzeiten würden jedoch höherwertige Transistoren erfordern, den Aufwand für die Treiberschaltung erhöhen, einen induktivitätsarmen Treiberaufbau erfordern und daher die Kosten erhöhen.The main part of the power loss the device for charging and discharging piezoelectric elements arises conventionally in the charging or switching converter in the components with ohmic Wi resistance, which carry a high charging current. These are semiconductor switches and a choke in the switching converter. The losses in the semiconductor switches consist of switch-off losses and transmission losses together. The turn-off losses could be due to faster switching transistors are reduced. Shorter switching times, however, would higher quality transistors require the effort for increase the driver circuit, a low-inductance Require driver construction and therefore increase the cost.

Diese vorstehend angeführten Nachteile von in herkömmlichen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere durch den dort verwendeten Lade- bzw. Schaltwandler sollen nun durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente beseitigt werden.These above-mentioned disadvantages from in conventional Devices for charging and discharging piezoelectric elements, in particular by the charge or switching converter used there should now by the inventive device for loading and Discharge piezoelectric elements are eliminated.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist in 3 gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente weist eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1, einen erfindungsgemäßen Schaltwandler 2, der für den Auf- und Entladevorgang des Piezokondensators P nur zwei Leistungsschalter S1, S2 und jeweils eine parallel zu jedem Leistungsschalter angeordnete Dioden D1, D2 benötigt sowie einen Stopschalter 3 auf, der die Piezospannung UP sicher auf den Wert Null bringen kann.An inventive device for charging and discharging piezoelectric elements is in 3 shown. The device according to the invention for charging and discharging piezoelectric elements has a DC / DC converter device 1 , A switching converter according to the invention 2 for the charging and discharging of the piezoelectric capacitor P only two power switches S1, S2 and one arranged in parallel to each circuit breaker diodes D1, D2 and a stop switch 3 on, which can safely bring the piezo voltage U P to the value zero.

In der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 ist eine DC/DC-gewandelte Betriebsspannung UB mit einem Speicherkondensator CS P parallel geschaltet, so dass die über den Speicherkondensator CSP abfallende Spannung an den Ausgangsanschlüssen anliegt.In the DC / DC converter device 1 is a DC / DC-converted operating voltage U B connected in parallel with a storage capacitor C S P , so that the voltage drop across the storage capacitor C SP voltage applied to the output terminals.

Der Schaltwandler 2 weist zwei als Leistungstransistoren ausgebildete erste und zweite Leistungsschalter S1, S2 auf. Zu jedem dieser Leistungsschalter S1, S2 ist jeweils eine erste bzw. zweite Diode D1 bzw. D2 und ein erster bzw. zweiter Kon densator C1 bzw. C2 parallel geschaltet. Die Parallelschaltung aus dem ersten Leistungsschalter S1, der ersten Diode D1 und dem ersten Kondensator C1 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 verbunden, während die Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter S2, der zweiten Diode D2 und dem zweiten Kondensator C2 mit dem zweiten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung 1, der auf Masseniveau liegt, verbunden ist. Die über die Parallelschaltung aus dem ersten Leistungsschalter S1, der ersten Diode D1 und den ersten Kondensator C1 abfallende Spannung wird mit U3 bezeichnet, während die über die Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter S2, der zweiten Diode D2 und dem zweiten Kondensator C2 abfallende Spannung mit U2 bezeichnet wird. Die beiden Parallelschaltungen sind an ihrem Ausgang miteinander und mit einem Anschluss einer Drossel L verbunden. Ein durch die Drossel L fließender Strom wird mit IL bezeichnet. Die Drossel L ist an ihrem anderen Anschluss mit einem ersten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden. Der Eingang der Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter S2, der zweiten Diode D2 und dem zweiten Kondensator C2 ist mit Masse verbunden.The switching converter 2 has two power transistors designed as first and second power switches S1, S2. To each of these power switches S1, S2 is respectively a first and second diode D1 and D2 and a first and second Kon capacitor C1 and C2 connected in parallel. The parallel connection of the first power switch S1, the first diode D1 and the first capacitor C1 is connected to the first output terminal of the DC / DC converter device 1 while the parallel connection of the second power switch S2, the second diode D2 and the second capacitor C2 to the second output terminal of the DC / DC converter device 1 which is at a mass level. The voltage dropping across the parallel connection of the first power switch S1, the first diode D1 and the first capacitor C1 is designated U3, while the voltage across the parallel circuit comprising the second power switch S2, the second diode D2 and the second capacitor C2 is designated U2 referred to as. The two parallel circuits are connected at their output to each other and to a terminal of a choke L. A current flowing through the reactor L is indicated by IL. The throttle L is at its other terminal to a first output terminal of the switching converter 2 connected. The input of the parallel circuit of the second power switch S2, the second diode D2 and the second capacitor C2 is connected to ground.

Der Stopschalter 3 ist wiederum mit dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden und dient zum vollständigen Entladen des piezoelektrischen Elements, wenn dieses durch das „normale" Entladen nicht vollständig entladen wurde. Zwischen seinen beiden Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ist eine Parallelschaltung aus einem Leistungsschalter S3 und einer Diode angeordnet. Hierbei verhindert die Diode das Auftreten negativer Spannungen am piezoelektrischen Element.The stop switch 3 is in turn connected to the first and second output terminals of the switching converter 2 When the piezoelectric element is fully discharged, it is completely discharged by the "normal" discharge, and a parallel circuit of a power switch S3 and a diode is arranged between its two input and output terminals, preventing the diode from experiencing negative voltages on the piezoelectric element.

Die Ausganganschlüsse des Stopschalters 3 sind schließlich mit einer Piezokapazität P verbunden, die einerseits über einen ersten Messwiderstand Rmess1 mit Masse verbunden ist und zu der weiterhin eine Reihenschaltung aus zwei weiteren Messwiderständen Rmess, Rmess2 parallel geschaltet ist. Die Messwi derstände Rmess, Rmess1, Rmess2 dienen dabei zum Messen der beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements fließenden Ströme und der am piezoelektrischen Element liegenden Spannung.The output terminals of the stop switch 3 are finally connected to a piezoelectric capacitance P, which is connected on the one hand via a first measuring resistor R mess1 to ground and to which furthermore a series connection of two further measuring resistors R mess , R mess2 is connected in parallel. The Messwi resistances R mess , R mess1 , R mess2 serve to measure the current flowing during charging and discharging of the piezoelectric element currents and the voltage lying on the piezoelectric element.

Im Folgenden wird die Funktion des Schaltwandlers in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente genauer erläutert.The following is the function of the Switching converter in the inventive device for loading and Discharge piezoelectric elements explained in more detail.

Beim Aufladevorgang der Piezokapazität P sind im Schaltwandler 2 ein erster Leistungsschalter S1 oder eine zweite Diode D2 und beim Entladevorgang der Piezokapazität ein zweiter Leistungsschalter S2 oder eine Diode D1 stromführend.During the charging process of the piezo capacity P are in the switching converter 2 a first power switch S1 or a second diode D2 and during discharge of the piezoelectric capacitance, a second power switch S2 or a diode D1 energized.

Um Abschaltverluste der Leistungshalbleiter zu vermeiden, sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente im Schaltwandler 2 die Kondensatoren C1 bzw. C2 parallel zu den Leistungsschaltern S1 bzw. S2 sowie den Dioden D1 bzw. D2 ausgebildet.In order to avoid turn-off losses of the power semiconductors are in the inventive device for charging and discharging piezoelectric elements in the switching converter 2 the capacitors C1 and C2 are formed in parallel with the power switches S1 and S2 and the diodes D1 and D2.

In 4 ist für den Fall des Aufladens der Piezokapazität P der prinzipielle Strom- und Spannungsverlauf bei Unterdrückung der Abschaltverluste im ersten Leistungsschalter S1 durch die ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 gezeigt. Dabei ist U3 ein Spannungsabfall über den ersten Leistungsschalter S1 und U2 ein Spannungsabfall über den zweiten Leistungsschalter S2. Wenn der erste Leistungsschalter S1, der ebenso wie der zweite Leistungsschalter S2 vorzugsweise ein MOSFET ist, abschaltet, ändert sich die Spannung U3 wegen der ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 nur langsam. Der Abschaltvorgang von S1 ist in der 4 dargestellt. Der Strom IS1 durch den ersten Leistungsschalter S1 wird auf Null abgebaut, solange die Spannung U3 noch klein ist. Damit sind die Verluste während der Schaltzeiten des ersten Leistungsschalters S1 praktisch zu vernachlässigen.In 4 For example, in the case of charging of the piezoelectric capacitance P, the principal current and voltage characteristic in suppressing the turn-off losses in the first power switch S1 is shown by the first and second capacitors C1 and C2. In this case, U3 is a voltage drop across the first power switch S1 and U2 is a voltage drop across the second power switch S2. If the first power switch S1, which is like the second power switch S2, preferably a MOSFET, turns off, the voltage U3 changes only slowly because of the first and second capacitors C1 and C2. The shutdown of S1 is in the 4 shown. The current IS1 through the first power switch S1 is reduced to zero as long as the voltage U3 is still small. Thus, the losses during the switching times of the first circuit breaker S1 are virtually negligible.

Bevor der erste Leistungsschalter S1 wieder eingeschaltet werden kann, muss die Spannung U3 wieder auf den Wert Null bzw. U2 auf U1 gebracht werden, wie in 5 veranschaulicht. Anderenfalls würde der Umladestrom für die ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 über den Leistungsschalter S1 fließen und Schaltverluste verursachen. Die Umladung geschieht mit einem negativen Strom IL durch die Drossel L. Dies ist in 5 veranschaulicht.Before the first power switch S1 can be switched on again, the voltage U3 must again be brought to the value zero or U2 to U1, as in FIG 5 illustrated. Otherwise, the charge current for the first and second capacitors C1 and C2 would flow across the power switch S1 causing switching losses. The transhipment happens with a negative current IL through the choke L. This is in 5 illustrated.

Der zweite Leistungsschalter S2 bleibt solange geschlossen, bis ein genügend hoher Strom bzw. ausreichend Energie in der Drossel L gespeichert ist. Nach dem Öffnen des zweiten Leistungsschalters S2 werden die ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 mit dem negativen Strom umgeladen.The second power switch S2 remains as long as closed, until one is enough high current or sufficient energy stored in the inductor L. is. After opening of the second power switch S2 become the first and second Capacitors C1 and C2 are recharged with the negative current.

Analoge Vorgänge gelten für das Abschalten des zweiten Leistungsschalters S2 beim Entladen der Piezokapazität.Analogous operations apply to switching off the second circuit breaker S2 when discharging the piezo capacity.

Die Energie für den Umladevorgang muss der Piezokapazität P zuvor entnommen werden. Ein negativer Strom ist mit einer leichten Abnahme der Piezospannung UP verbunden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel schwankt der Strom zwischen 18A und – 6A. Mit diesem Strom wird die Piezokapazität von 6μF in 200 μs von 0V auf 200V aufgeladen. Die Frequenz beträgt etwa 50 kHz.The energy for the reloading process must be taken from the piezo capacity P beforehand. A negative current is associated with a slight decrease in the piezo voltage U P. In the preferred embodiment, the current varies between 18A and -6A. With this current, the piezo capacity of 6μF in 200μs is charged from 0V to 200V. The frequency is about 50 kHz.

Somit können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente mit wenigen Bauteilen und geringem geschalteten Strom sowie jeweils nur einem stromführenden Leistungsschalter zu einem bestimmten Zeitpunkt Schalterverluste erheblich reduziert werden. Durch die Verwendung von MOSFETs für die Leistungsschalter anstelle von IGBTs können die Durchlassverluste weiter verringert werden. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Schaltwandler eine erheblich reduzierte Verlustleistung erzielt werden. Dadurch ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente möglich, auf eine zusätzliche Kühlung zu verzichten.Thus, in the device according to the invention for charging and discharging piezoelectric elements with few components and low switched current and in each case only one current-carrying Circuit breaker at a given time switch losses be significantly reduced. By using MOSFETs for the circuit breakers instead of IGBTs the forward losses are further reduced. In this way can with the switching converter according to the invention a significantly reduced power loss can be achieved. Thereby it is in the device according to the invention possible to charge and discharge piezoelectric elements an additional cooling to renounce.

Selbstverständlich ist es auch möglich, nur eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 parallel mit einer Anzahl von Schaltwandlern 2 und diesen nachgeschalteten Stopschaltern 3 und Piezokapazitäten P zu verbinden, um beispielsweise eine Ansteuerung von Piezoaktuatoren in verschiedenen Zylindern zu realisieren.Of course, it is also possible to have only one DC / DC converter device 1 in parallel with a number of switching converters 2 and these downstream stop switches 3 and piezocapacities P to connect, for example, to realize a control of piezo actuators in different cylinders.

Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, mit der eine deutlich verringerte Verlustleistung und damit eine deutliche verringerte Erwärmung erzielt werden kann, so dass keine aufwendige Kühlung erforderlich ist. In der Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit mindestens einem Schaltwandler 2 verbunden, der über einen Stopschalter 3, der die Piezospannung sicher auf den Wert Null bringen kann, mit einer Piezokapazität P verbunden ist. Mit jedem Eingangsanschluss eines diese Vorrichtung enthaltenen Schaltwandlers 2 ist jeweils eine Parallelschaltung aus einem Leistungsschalter S1, S2, einer Diode D1, D2 und einem Kondensator C1, C2 verbunden. Der Ausgang der beiden Parallelschaltungen ist über eine Drossel L mit einem ersten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden, während ein zweiter Ausgangsanschluss direkt mit einem zweiten Eingangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden ist. Durch die Parallelschaltung der Kondensatoren C1, C2 zu den Leistungsschaltern S1, S2 und den Dioden D1, D2 können Abschaltverluste der Leistungsschalter S1, S2 unterdrückt werden.In summary, the present invention discloses a device for charging and discharging piezoelectric elements, with a significantly reduced power loss and thus a significant reduction in heating can be achieved, so that no costly cooling is required. In the device for charging and discharging piezoelectric elements is a DC / DC converter device 1 with at least one switching converter 2 connected via a stop switch 3 , which can bring the piezo voltage safely to the value zero, is connected to a piezo capacitance P. With each input terminal of a switching converter contained this device 2 in each case a parallel circuit of a power switch S1, S2, a diode D1, D2 and a capacitor C1, C2 is connected. The output of the two parallel circuits is via a throttle L with a first output terminal of the switching converter 2 connected while a second output terminal directly to a second input terminal of the switching converter 2 connected is. By the parallel connection of the capacitors C1, C2 to the circuit breakers S1, S2 and the diodes D1, D2 shutdown losses of the power switches S1, S2 can be suppressed.

Claims (7)

Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, mit einer DC/DC-Wandlervorrichtung (1), einem Schaltwandler (2) für den Auf- und Entladevorgang zumindest eines piezoelektrischen Elements (P) mit einem erstem und einem zweiter Leistungsschalter (S1, S2), zu dem jeweils eine Diode (D1, D2) parallel geschaltet ist, und einem Stopschalter (3), der mit dem zumindest einen piezoelektrischen Element (P) verbunden ist und die Piezospannung (UP) sicher auf den Wert Null bringen kann, dadurch gekennzeichnet, im Schaltwandler (2) zu jedem der ersten und zweiten Leistungsschalter (S1, S2) jeweils zusätzlich zur ersten bzw. zweiten Diode (D1, D2) ein erster bzw. zweiter Kondensator (C1, C2) parallel geschaltet ist, die Parallelschaltung aus dem ersten Leistungsschalter (S1), der ersten Diode (D1) und dem ersten Kondensator (C1) mit einem ersten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung (1) verbunden ist, während die Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter (S2), der zweiten Diode (D2) und dem zweiten Kondensator (C2) mit einem zweiten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung (1), der auf Masseniveau liegt, verbunden ist, die beiden Parallelschaltungen an ihrem Ausgang miteinander und mit einem Anschluss einer Drossel (L) verbunden sind und die Drossel (L) an ihrem anderen Anschluss mit einem ersten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers (2) verbunden ist.Apparatus for charging and discharging piezoelectric elements, comprising a DC / DC converter device ( 1 ), a switching converter ( 2 ) for the charging and discharging process of at least one piezoelectric element (P) having a first and a second circuit breaker (S1, S2), to each of which a diode (D1, D2) is connected in parallel, and a stop switch ( 3 ), which is connected to the at least one piezoelectric element (P) and can bring the piezoelectric voltage (U P ) safely to the value zero, characterized in the switching converter ( 2 ) to each of the first and second power switches (S1, S2) in each case in addition to the first and second diode (D1, D2), a first and second capacitor (C1, C2) is connected in parallel, the parallel circuit of the first power switch (S1) , the first diode (D1) and the first capacitor (C1) having a first output terminal of the DC / DC converter device ( 1 ), while the parallel connection of the second power switch (S2), the second diode (D2) and the second capacitor (C2) to a second output terminal of the DC / DC converter device ( 1 ), which are connected to ground level, the two parallel circuits are connected to one another at their output and to one terminal of a choke (L), and the choke (L) is connected at its other terminal to a first output terminal of the switching converter ( 2 ) connected is. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Leistungsschalter (S1, S2) im Schaltwandler (2) Leistungstransistoren sind.Device according to Claim 1, characterized in that the first and second power switches (S1, S2) in the switching converter ( 2 ) Are power transistors. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der DC/DC-Wandlervorrichtung (1) eine DC/DC-gewandelte Betriebsspannung (UB) mit einem Speicherkondensator (CSP) parallel geschaltet ist, so dass die über den Speicherkondensator (CSP) abfallende Spannung an den Ausgangsanschlüssen anliegt.Device according to claim 1 or 2, characterized in that in the DC / DC converter device ( 1 ) a DC / DC-converted operating voltage (U B ) is connected in parallel with a storage capacitor (C SP ), so that the voltage across the storage capacitor (C SP ) voltage applied to the output terminals. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopschalter (3) mit dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers (2) verbunden ist und zum vollständigen Entladen des piezoelektrischen Elements dient, wenn dieses durch das „normale" Entladen nicht vollständig entladen wurde.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the stop switch ( 3 ) with the first and second output terminal of the switching converter ( 2 ) and is used to completely discharge the piezoelectric element when it has not been completely discharged by the "normal" discharge. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Stopschalters (3) eine Parallelschaltung aus einem Leistungsschalter (S3) und einer Diode angeordnet ist.Apparatus according to claim 4, characterized in that between both input and output terminals of the stop switch ( 3 ) is arranged a parallel circuit of a power switch (S3) and a diode. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Leistungsschalter (S1, S2) MOSFETs sind.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first and second power switches (S1, S2) are MOSFETs. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlervorrichtung (1) mit mehreren Schaltwandlern (2) verbunden ist, die jeweils mit einem Stopschalter (3) und einem piezoelektrischen Element (P) verbunden sind.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the DC / DC converter device ( 1 ) with several switching converters ( 2 ), each connected to a stop switch ( 3 ) and a piezoelectric element (P) are connected.
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