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Die
Erfindung betrifft eine Konverterschaltung insbesondere zum Auf-/Entladen
eines kapazitiven Stellgliedes, zum Beispiel für ein Einspritzventil einer
Brennkraftmaschine, welche zwischen einem ersten und einem zweiten
Versorgungsanschluss einer Energiequelle angeordnet ist. Die Erfindung
betrifft ferner eine Brennkraftmaschine.
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Bei
modernen Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung besteht
der Bedarf, dass die verwendeten Kraftstoffinjektoren möglichst
verzögerungsfrei
ansprechbar sind. Dieser Anforderung werden kapazitive Stellglieder
und hier insbesondere kapazitiv wirkende Piezo-Elemente gerecht.
Solche kapazitiven Stellglieder stellen für die entsprechende Konverterschaltung
eine starke kapazitive Last dar, die in einer sehr kurzen Zeitspanne
auf eine vorgegebene Spannung aufgeladen und anschließend sehr schnell
wieder entladen werden muss. Zudem muss die Ansteuerung und damit
die Aufladung sehr exakt und reproduzierbar möglich sein, so dass auch für kleinste
Kraftstoffmengen eine definierte Einspritzung realisiert werden
kann. Zum Öffnen
des entsprechenden Kraftstoffinjektors wird das kapazitive Stellglied
auf eine bestimmte Ladung aufgeladen und zum Schließen wird
das Stellglied wieder entladen. Es kommt hier auf einen möglichst
hohen Wirkungsgrad der Konverterschaltung sowie auf eine geringe Belastung
der Speicherelemente der Konverterschaltung an.
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Bei
kapazitiven, piezo-elektrischen Kraftstoffinjektoren werden zur
Ansteuerung vorzugsweise elektronische Endstufen eingesetzt, die
nach dem Prinzip eines LC-Schwingkreises arbeiten und bei denen
die kapazitive Last bzw. der Piezo-Aktor den Kondensator darstellt.
Bei diesen Endstufen erfolgt der Ladeprozess des Piezo-Aktors als
Umschwingvorgang der Ladung aus einer Ladungsquelle über eine
Umladungsspule zum Piezo- Aktor,
wobei die Induktivität
der Umladespule zusammen mit den Kapazitäten der Ladungsquelle und des
Piezo-Aktors die Zeitkonstante für
den Lade- bzw. Entladevorgang und damit die Lade- bzw. Entladezeit
bestimmen.
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Aufgrund
der speziellen Anforderung kann so mit einem einmaligen Umschwingvorgang
das Stellglied für
den Kraftstoffinjektor aufgeladen werden. Hier ist man allerdings
bezüglich
der Dynamik stark eingeschränkt,
da lediglich komplette Lade- bzw.
Entladevorgänge
möglich
sind und der zeitliche Verlauf von Lade- bzw. Entladevorgängen von
den jeweils verwendeten Bauelementen der Konverterschaltung abhängig ist.
Wird der Spannungshub für den
Auflade- bzw. Entladevorgang des kapazitiven Stellgliedes gesteuert,
so steigt der Schaltungsaufwand für die Konverterschaltung und
damit die Komplexität
der Auflade-Regelung erheblich an.
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Als
Konverterschaltung sollen daher solche Schaltungen mit einem möglichst
hohen Wirkungsgrad verwendet werden, beispielsweise Gleichspannungswandler.
Solche Gleichspannungswandler sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen
bekannt, zum Beispiel als Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck/Boost-Konverter, Flyback-Konverter,
Zeta-Konverter, CuK-Konverter, SEPIC-Konverter, Wittenbreder-Konverter,
etc.
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Eine
Schaltungstopologie für
einen Konverter zum Aufladen bzw. Entladen des kapazitiven Stellgliedes,
die darüber
hinaus auch sehr einfach steuerbar ist, stellt der Flyback-Konverter dar. Die Verwendung
eines Flyback-Konverters als Konverterschaltung bzw. als Treiberstufe
für das
kapazitive Stellglied zeichnet sich dadurch aus, dass die bei einem
Ladevorgang in das kapazitive Stellglied eingespeiste elektrische
Energie beim Entladen im wesentlichen auch wieder zurückgewonnen
wird, im Schaltnetzteil zwischengespeichert und für den folgenden
Schaltvorgang erneut wieder verwendet werden kann. Allerdings erweist
sich die rein induktive Kopplung des Transformators hinsichtlich
der Verluste und des Wir kungsgrades der Flyback-Konverterschaltung
als kritisch. Ferner weist ein Flyback-Konverter sägezahnartige
Eingangs- und Ausgangsströme
auf, die die Kondensatorelemente der Konverterschaltung bzw. des
kapazitiven Stellgliedes erheblich belasten. Solche sägezahnartige
Ströme
bewirken insbesondere eine erhöhte
EMV-Abstrahlung. Schließlich
weist die Konverterschaltung im Falle eines sägezahnartigen Stromes einen
sehr hohen Oberwellenanteil bei gleichzeitig geringem Mittelwert zu
Effektivwert auf.
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Solche,
mit einem Flyback-Konverter ausgestattete Konverterschaltungen zum
Auf-/Entladen eines kapazitiven Stellgliedes sind unter anderem
in der
DE 199 44 733
A1 und der
DE
199 52 950 A1 beschrieben.
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Weiter
ist eine Ansteuerschaltung für
einen piezoelektrischen Aktor bekannt (
FR 2841 403 A1 ), bei der
der Aktor über
einen durch eine Wechselspannung versorgten Transformator und eine
Resonanzinduktanz mit Energie versorgt wird.
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Eine
ebenfalls bekannte Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen
Elements (
DE 197 14
609 A1 ) weist einen Transformator auf, dessen Sekundärwicklung über eine
Brückenschaltung
mit einem Kondensator verbunden ist.
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Bei
einem anderen bekannten Schaltwandler (
US 5,307,004 A ) ist eine
erste Spule über
einen Abgriff im Bereich ihrer Wicklungen galvanisch mit einer zweiten
Spule verbunden. Durch den speziellen Aufbau des Schaltwandlers
wird ein weiches Schalten der Schalter des Wandlers erreicht.
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Auch
ist ein Schaltwandler mit einem Transformator mit mehreren Wicklungen
bekannt (
DE 100 30
605 A1 ). Das Schaltnetzteil weist ein Übertragermodul auf, das induktiv
mit einem Lastmodul gekoppelt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der elektrischen
Eigenschaften verbesserte Konverterschaltung für ein kapazitives Stellglied,
insbesondere für
Kraftstoffinjektoren, anzugeben. Insbesondere soll eine hinsichtlich
der EMV-Abstrahlung, der Oberwellen und des Wirkungsgrades optimierte
Konverterschaltung angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Konverterschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs
11 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Konverterschaltung weist
eine Brückenschaltung,
einen Speicherkondensator und einen Transformator auf, dessen primärseitige
Wicklung mit dem Speicherkondensator verbunden ist und dessen sekundärseitige
Wicklung den Ausgangsanschluss der Brückenschaltung mit dem kapazitiven
Stellglied verbindet. Die primärseitige Spule
und die sekundärseitige
Spule sind einerseits physikalisch miteinander verbunden und ferner
induktiv miteinander gekoppelt. Ferner ist eine Rückspeisung
von Energie in den Speicherkondensator im Falle eines Entladen des
kapazitiven Stellgliedes möglich,
was energetisch besonders günstig
ist. Aufgrund der geringen Belastung der kapazitiven Elemente, z.
B. des Speicherkondensators, weist die Konverterschaltung ferner
einen hohen Wirkungsgrad auf.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Pufferkondensator
vorgesehen, der parallel zur Brückenschaltung
angeordnet ist und der über die
Primärspule
mit der Energieversorgung verbunden ist. Der Pufferkondensator weist
typischerweise eine geringere Kapazität als der versorgungsseitig vorgeschaltete
Speicherkondensator auf.
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Speicherkondensator,
Pufferkondensator, Brückenschaltung
und kapazitive Last sind jeweils mit einem Anschluss eines Bezugspotenzials,
beispielsweise der Bezugsmasse, verbunden. Dies erleichtert die
Realisierung der Kontroll- und Regelschaltung sowie der Ansteuerschaltung
für die
Schaltung.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungstopologie zeichnet
sich (wie ein Wittenbreder-Konverter) durch einen dreieckförmigen Eingangs-
und Ausgangsstrom aus, wodurch die Belastung der kapazitiven Speicherelemente,
zum Beispiel des Ladekondensators und der kapazitiven Last, gering
gehalten wird. Darüber
hinaus bewirkt eine Konverterschaltung mit dreieckförmigen Strömen im Vergleich
zu sägezahnförmigen Strömen eine
deutlich geringere EMV-Abstrahlung, was sich aus den flacheren Schaltflanken ergibt.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungstopologie der
Konverterschaltung weist im Vergleich zu herkömmlichen Konvertern ferner
die Vorteile auf, dass zumindest einer der steuerbaren Schalter
bezogen auf ein Referenzpotenzial, zum Beispiel die Bezugsmasse,
geschaltet ist und damit nicht "floated". Dies ermöglicht es,
dass die Treiberschaltung zur Ansteuerung dieses steuerbaren Schalters
sehr viel einfacher ausgebildet ist. Der jeweils andere steuerbare Schalter
der Halbbrücke, der
also mit einem Versorgungspotenzial verbunden ist, kann damit vorteilhafterweise
lediglich im Bereich zwischen der von der Energieversorgung bereitgestellten
Spannung, also zwischen dem Referenzpotenzial und dem Versorgungspotenzial,
schwanken.
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In
einer typischen Ausgestaltung ist die Brückenschaltung als Halbbrücke ausgebildet,
die zwei steuerbare Schalter aufweist. Die steuerbaren Schalter
sind aufgrund der sehr hohen zu treibenden Ströme typischerweise als Leistungsschalter,
zum Beispiel Leistungs-MOSFETs oder IGBTs, ausgebildet. Die Steueranschlüsse dieser
steuerbaren Schalter können
durch einfache Halbbrückentreiber
angesteuert werden.
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Die
Erfindung eignet sich besonders für eine Brennkraftmaschine in
einem Kraftfahrzeug, dessen Kraftstoffinjektoren durch kapazitive
bzw. piezo-elektrische Stellglieder angesteuert werden, die durch eine
erfindungsgemäße Konverterschaltung
aufgeladen bzw. entladen werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie
der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung
näher erläutert. Die
Figur zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Konverterschaltung
zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes.
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In
der Figur ist mit Bezugszeichen 1 die Konverterschaltung
bezeichnet. Die Konverterschaltung 1 weist zwei Versorgungsanschlüsse 2, 3 auf, über die
eine Versorgungsspannung Vin einer in der Figur nicht dargestellten
Energiequelle einkoppelbar ist. Die Energiequelle kann beispielsweise
aus einem DC/DC-Wandler mit einstellbarer Ausgangsspannung bestehen.
Der erste Versorgungsanschluss 2 weist ein erstes Versorgungspotenzial,
Vbb auf, während
der zweite Versorgungsan schluss 3 ein zweites Versorgungspotenzial,
beispielsweise das Potenzial der Bezugsmasse GND, aufweist.
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Zwischen
den Ausgangsanschlüssen 4, 5 ist ein
kapazitives Stellglied 6 geschaltet, das über eine Ladespannung
Vout aufladbar bzw. entladbar ist. Bei dem kapazitiven Stellglied 6 handelt
es sich zum Beispiel um ein piezo-elektrisches Stellglied 6,
welches der Ansteuerung eines oder mehrerer Kraftstoffeinspritzventile
einer Brennkraftmaschine dient (in der Figur nicht dargestellt).
Dieses kapazitive Stellglied 6 stellt den Hub des Kraftstoffeinspritzventils
ein und steuert somit die in die jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine
eingespritzte Kraftstoffmenge. Ein piezo-elektrisches Stellglied 6 besteht
typischerweise aus einem Stapel parallel geschalteter und betriebener
Piezo-Keramikscheiben, um die für
einen ausreichenden Hub der Nadel des Kraftstoffeinspritzventils notwendige
Feldstärke
erreichen zu können.
Wenngleich in der Figur lediglich ein einziges kapazitives Element 6 von
der Konverterschaltung 1 angesteuert wird, kann die Konverterschaltung 1 selbstverständlich auch
dazu ausgelegt sein, über
mehrere, beispielsweise parallel geschaltete piezo-elektrische Elemente,
die jeweiligen Kraftstoffeinspritzventilen zugeordnet sind, anzusteuern.
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Zwischen
den Versorgungsanschlüssen 2, 3 der
Konverterschaltung 1 ist ein Ladekondensator 7 geschaltet,
der von der Energiequelle auf eine gewünschte Spannung aufgeladen
wird. Diese Ausgangsspannung kann beispielsweise über die
Eingangsspannung Vin der Konverterschaltung 1 eingestellt
werden. Parallel zu dem Ladekondensator ist ein Pufferkondensator 8 angeordnet,
der versorgungspotenzialseitig über
eine primärseitige
Spule 9 eines Transformators 10 mit dem Versorgungsanschluss 2 verbunden
ist. Der Pufferkondensator 8 dient der Pufferung der in
der Primärwicklung 9 gespeicherten
elektrischen Energie. Ohne Pufferkondensator 8 würde die
Konverterschaltung eine rein induktive Kopplung aufweisen, wodurch
der steuerbare Schalter 12 der Brückenschaltung 11 im
Falle einer zu hohen elektrischen Energie der Primärwicklung 9 unerwünschterweise
durchbrechen würde.
Der Pufferkondensator 8 ist typischerweise sehr viel kleiner dimensioniert
als der Ladekondensator 7. Typische Größenverhältnisse für die Kapazitätswerte
dieser Kondensatoren 7, 8 liegen im Falle des
Ladekondensators 7 im Bereich von 10 μF – 1 mF und im Falle des Pufferkondensators 8 im
Bereich von 100 nF – 10 μF. Typischerweise
beträgt
das Verhältnis
des Ladekondensators zum Pufferkondensator etwa 100:1.
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Parallel
zu dem Pufferkondensator 8 ist eine Brückenschaltung 11 vorgesehen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Brückenschaltung 11 als Halbbrücke ausgebildet.
Die Halbbrückenschaltung 11 weist
zwei Leistungs-MOSFETs 12, 13 auf, deren gesteuerte
Strecken in Reihe angeordnet sind, wobei diese Reihenschaltung über die
Primärspule 9 mit dem
ersten Versorgungsanschluss 2 und andererseits mit dem
zweiten Versorgungsanschluss 3 verbunden sind. Die Ansteuerschaltung
zum Steuern bzw. Schalten der MOSFETs 12, 13 wurde
der besseren Übersicht
wegen nicht dargestellt. Jedoch kann aufgrund der gewählten erfindungsgemäßen Schaltungstopologie
der Konverterschaltung 1 hier eine sehr einfache Treiberschaltung,
beispielsweise eine Gegentaktausgangsstufe, verwendet werden.
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Parallel
zu den gesteuerten Strecken eines jeweiligen MOSFETs 12, 13 ist
jeweils eine Freilaufdiode 14, 15 angeordnet.
Bei Verwendung von MOSFETs 12, 13 kann auf eine
Diode 14, 15 verzichtet werden, da MOSFETs strukturbedingt
eine eigene Diode aufweisen. Die Freilaufdioden 14, 15 wären dann
optional.
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Der
Mittelabgriff 17 bzw. der Ausgang 17 der Halbbrückenschaltung 11 ist über eine
Sekundärspule 16 des
Transformators 10 mit dem Ausgang 4 und somit
mit dem kapazitiven Stellglied 6 verbunden.
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Sollte
das kapazitive Stellglied 6 über eine Ausgangsspannung Vout
aufgeladen bzw. wieder entladen werden, ist vorteilhaf ter Weise
zwischen dem Ausgangsanschluß 4 und
dem kapazitiven Stellglied 6 ein in der Figur nicht dargestelltes
Glättungsfilter
zum Glätten
dieser Spannung erforderlich. Für den
Fall, dass das kapazitive Stellglied 6 durch einen Ausgangsstrom
angesteuert wird, kann auf ein solches Glättungsfilter verzichtet werden.
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Die
Primärspule 9 und
Sekundärspule 16 des
Transformators 10 sind miteinander induktiv gekoppelt.
Vorteilhafterweise ist die induktive Kopplung zwischen Primärspule 9 und
Sekundärspule 16 sehr schlecht.
Dies wird dadurch erreicht, dass ein Transformator 10 mit
geringer Kopplung und somit einer hohen Streuung zur Verfügung gestellt
wird. Da es sehr häufig
nicht möglich
ist, einen Transformator 10 mit der entsprechend hohen
erforderlichen Streuung zur Verfügung
zu stellen, kann eine zusätzliche
Induktivität
vorgesehen sein, durch welche die erforderliche hohe Streuung realisiert
werden kann. Typischerweise weist der Transformator ein Übertragungsverhältnis W2/W1
im Bereich von etwa 1 auf.
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Nachfolgend
sei die Funktion der erfindungsgemäßen Konverterschaltung 1 näher erläutert:
In
einem Anfangszustand ist das kapazitive Stellglied 6 entladen,
sind die MOSFETs 12, 13 der Halbbrückenschaltung 11 nicht
leitend (geöffnet)
und der Ladekondensator 7 über die Energiequelle auf eine
vorgegebene Ausgangsspannung Vin aufgeladen. Soll das kapazitive
Stellglied 6 aufgeladen werden, wird der MOSFET 12 mit
vorgegebener Frequenz und vorgegebenem Tastverhältnis im Pulsbetrieb mit einer
vorgegebenen Anzahl von pulsweitenmodulierten Signalen bei der vorgegebenen
Ladespannung Vin angesteuert. Während
dieser leitenden Zustände des
MOSFETs 12 steigt der Strom durch die Primärspule 9 an
und wird jeweils durch Wiederöffnen
des MOSFETs 12 abgebrochen. In dieser Phase, in der durch
die Primärspule 9 aufgrund
des Öffnens
des MOSFETs 12 gerade kein Strom fließt, fließt über die induktiv gekoppelte
Sekundärspule 16 ein
dem Wicklungsverhältnis
W2/W1 entsprechender induzierter Strom. Dieser Strom zusammen mit
dem Strom bei geschlossenem Schalter 12 erzeugt eine Ladespannung
Vout, die das kapazitive Stellglied 6 auflädt. Die Ladezeit
zum Aufladen des kapazitiven Stellgliedes 6 kann je nach
Tastverhältnis
variiert werden, wobei die Zahl der Impulse entsprechend der gewünschten Stellgliedspannung
Vout anzupassen ist.
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Die
Entladung des kapazitiven Stellgliedes 6 erfolgt ebenfalls
mit pulsweitenmodulierten Signalen dadurch, dass der MOSFET 13 pulsförmig leitend und
nicht leitend gesteuert wird, wodurch die Stellgliedspannung Vout
so lange sinkt, bis sie zu Null wird. Die dafür erforderliche Entladezeit
kann ebenfalls je nach Tastverhältnis
variiert werden. Bei jedem Öffnen
des MOSFETs 13 wird zusätzlich
ein Teil der Entladeenergie auf die Primärspule 9 des Transformators 10 übertragen
und in den Ladekondensator 7 zurückgespeichert.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar.
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So
ist die Erfindung insbesondere nicht für die Ansteuerung eines piezo-elektrischen
Stellgliedes beschränkt,
sondern lässt
sich sehr vorteilhaft bei allen möglichen kapazitiven Stellgliedern
einsetzen.
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Ferner
sei die Erfindung auch nicht auf solche kapazitiven Stellglieder
beschränkt,
die für
Einspritzventile in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, sondern
lässt sich
auch für
die Einstellung sonstigen Injektoren für welche Anwendungen auch immer
einsetzen.
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Auch
ist die Erfindung nicht notwendigerweise auf die spezielle Ausgestaltung
einer Brückenschaltung
als Halbbrücke
beschränkt.
Vielmehr wäre die
Erfindung selbstverständlich auch
bei anderen Brückenschaltern,
beispielsweise einer Vollbrücke, einsetzbar.