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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonanzwechselrichter, der bei einer Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung verwendbar ist, die für einen Verbrennungsmotor mit schlechter Zündfähigkeit (des Gemisches) verwendet wird, um die Zündung des Verbrennungsmotors durchzuführen.
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STAND DER TECHNIK
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In einem Verbrennungsmotor, wie beispielsweise einem Automobilmotor, sind Maßnahmen, wie etwa die Herstellung von kraftstoffarmer und hoch aufgeladener Luft erforderlich, um Umweltbelastungen zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Als Zündvorrichtung mit einer höheren Zündfähigkeit hat man eine Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung entwickelt, bei der nach der Zündentladung durch eine Zündkerze hochfrequenter Strom angelegt wird, um einen Plasmazustand bei hoher Temperatur und hohem Druck zur Durchführung der Zündung zu erhalten.
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Für ein Hochfrequenz-Plasma-Zündgerät, das eine Batterie, einen Vollbrückenwechselrichter, einen Transformator, einen Resonanzkreis, eine Zündkerze und einen Hochspannungskreis aufweist, ist es bekannt, dass Zweige in einem Wechselrichterkreis geteilt werden, so dass die Anzahl der Zweige weniger als das Doppelte der Anzahl der Zündkerzen beträgt (z.B. Patentdokument 1).
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Darüber hinaus ist ein Schaltnetzteil bekannt, bei dem eine Dämpfungsschaltung zum Schutz eines Schaltelements vor zum Zeitpunkt des Schaltens auftretender Stoßspannung vorgesehen ist, eine Klemmdiode zwischen dem Schaltelement und einer Drossel vorgesehen ist und in einem Kondensator gespeicherte Energie zur Stromversorgung rückgeführt wird (z.B. Patentdokument 2).
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STAND DER TECHNIK
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- Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-86 702 A
- Patentdokument 2: Japanische Patentschrift JP 3 514 600 B1
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit der Erfindung zu lösende Probleme
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In der im Patentdokument 1 beschriebenen Technik ist jedoch kein Verfahren zum Schutz eines Schaltelements, das im Wechselrichter vorgesehen ist, vor einem Schaltstoß dargestellt. In der im Patentdokument 2 beschriebenen Technik ist eine Schaltung dargestellt, die eine Klemmdiode zum Klemmen durchführt, um einen Ausfall durch Spannungsdurchbruch des Schaltelements zu verhindern, aber es besteht das Problem, dass bei jedem Einschalten des Schaltelements ein Schaltverlust zu verursacht wird.
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Die vorliegende Erfindung soll die oben genannten Probleme lösen, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Resonanzwechselrichter aufzuzeigen, der ein Schaltelement, das einen Wechselrichter bildet, vor einem Schaltstoß schützt, Schaltverluste beim Einschalten reduziert und die Energierückgewinnung der in einem Dämpfungskondensator gespeicherten Energie an eine Eingangs-Gleichspannungsquelle durchführt.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Ein Resonanzwechselrichter gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: einen Eingangskondensator und einen Wechselrichter, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind;
eine Dämpfungsschaltung, die aus einer Reihenschaltung eines Regenerationswiderstandes und eines Dämpfungskondensators gebildet und parallel zu dem jeweiligen Zweig des Wechselrichters geschaltet ist;
eine Klemmdiode, die zwischen einen Drain eines Schaltelements des Wechselrichters und eine Verbindungsstelle zwischen dem Regenerationswiderstand und dem Dämpfungskondensator der Dämpfungsschaltung geschaltet ist;
einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einem Wechselstrom-Ende des Wechselrichters verbunden ist;
eine Resonanzspule, einen Resonanzkondensator und einen Stromsensor, die mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind; und
eine Steuereinheit zum Steuern des Wechselrichters, wobei die Steuereinheit auf der Grundlage des vom Stromsensor erfassten Stroms das Schaltelement des Wechselrichters steuert, um beim Einschalten eine Nullspannungsumschaltung bei einer Frequenz durchzuführen, bei der eine Last, welche die Resonanzspule und den Resonanzkondensator einschließt, kapazitiv wird, und eine Energierückgewinnung der im Dämpfungskondensator gespeicherten Energie zur Gleichspannungsquelle durchführt.
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Effekt der Erfindung
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Der Resonanzwechselrichter gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: die Dämpfungsschaltung, die an jedem Zweig des Wechselrichters vorgesehen ist; die Klemmdiode; den Transformator, dessen Primärwicklung mit dem Wechselrichterende verbunden ist; die Resonanzspule, den Resonanzkondensator und den Stromsensor, der mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist; und die Steuereinheit.
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Die Steuereinheit steuert das Schaltelement des Wechselrichters, um eine Nullspannungsumschaltung bei einer Frequenz durchzuführen, bei der die Last einschließlich der Resonanzspule und des Resonanzkondensators kapazitiv wird, und führt eine Leistungsrückgewinnung der im Dämpfungskondensator gespeicherten Energie zur Gleichspannungsquelle durch. Somit ist es möglich, das Schaltelement, das der Wechselrichter aufweist, vor einem Schaltstoß zu schützen, die Schaltverluste beim Einschalten zu reduzieren und die im Dämpfungskondensator gespeicherte Energie zur Gleichspannungsquelle zurückzuführen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaltbild eines Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 2 veranschaulicht die Funktionsweise des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 3 veranschaulicht die Funktionsweise des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 4 veranschaulicht die Lastresonanz im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 5 veranschaulicht die Nullspannungsschaltung im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 6 veranschaulicht die Nullspannungsschaltung im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 7 veranschaulicht die Nullspannungsschaltung im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 8 veranschaulicht die Leistungsrückgewinnung der Stoßspannung im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 9 veranschaulicht die Leistungsrückgewinnung der Stoßspannung im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 10 veranschaulicht die Leistungsrückgewinnung der Stoßspannung im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 11 veranschaulicht die Reduzierung des gemeinsamen Stroms im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 12 veranschaulicht die Reduzierung des gemeinsamen Stroms im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 13 veranschaulicht die Wirkung einer Dämpfungsschaltung im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 14 veranschaulicht die Leistungsrückgewinnung des Kapazitäts-Entladestroms zum Zeitpunkt des dielektrischen Durchschlags einer Zündkerze im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 15 veranschaulicht die Leistungsrückgewinnung des Kapazitäts-Entladestroms zum Zeitpunkt des dielektrischen Durchschlags der Zündkerze im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 16 veranschaulicht die Leistungsrückgewinnung des Kapazitäts-Entladestroms zum Zeitpunkt des dielektrischen Durchschlags der Zündkerze im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 17 veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise eines Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
- 18 veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise eines Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;
- 19 veranschaulicht die Funktionsweise des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;
- 20 veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise eines Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung; und
- 21 veranschaulicht die Funktionsweise des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform 1
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Ausführungsform 1 bezieht sich auf einen Resonanzwechselrichte, der Folgendes aufweist:
eine Gleichstrom-Spannungsquelle; einen Eingangskondensator; einen Vollbrückenwechselrichter; Dämpfungsschaltungen; einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einem Wechselrichterende verbunden ist; eine Resonanzspule und einen Resonanzkondensator auf einer Sekundärwicklungsseite des Transformators; eine Zündkerze; eine dielektrischer-Durchbruchstromversorgung; einen Stromsensor; und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit auf der Grundlage des vom Stromsensor erfassten Stroms Schaltelemente steuert, um beim Einschalten eine Nullspannungsumschaltung bei einer Frequenz durchzuführen, bei der eine Last, die die Resonanzspule und den Resonanz-kondensator beinhaltet, kapazitiv wird, und eine Leistungsrückgewinnung der in Dämpfungs-Kondensatoren gespeicherten Energie zu einer Gleichspannungsquelle durchführt.
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Im Folgenden werden die Konfiguration und Funktionsweise des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung und ihrer Beschreibung erläutert und zwar unter Bezugnahme auf 1, die ein Schaltbild des Resonanzwechselrichters zeigt, 2 und 3, die die Funktionsweise veranschaulichen, 4, die die Belastungsresonanz veranschaulicht, 5 bis 7, die die Nullspannungsumschaltung veranschaulichen, 8 bis 10, die die Leistungsrückgewinnung der Stoßspannung veranschaulichen, 11 und 12, die die Reduzierung des gemeinsamen Stroms veranschaulichen, 13, die die Wirkung der Dämpfungsschaltung veranschaulicht, und 14 bis 16, die die Leistungsrückgewinnung des Kapazitäts-Entladestroms zum Zeitpunkt des dielektrischen Durchschlags der Zündkerze veranschaulichen.
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Zunächst wird die Schaltung des Resonanzwechselrichters der Ausführungsform 1 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
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Die Zündkerze ist in einem Verbrennungsmotor, wie beispielsweise einem Automobilmotor, montiert und ist ursprünglich nicht Bestandteil des Resonanzwechselrichters. Die Zündkerze ist jedoch eng mit dem Betrieb des Resonanzwechselrichters verbunden und wird daher als Teil des Resonanzwechselrichters beschrieben, ohne besonders unterschieden zu werden. Auch können die Gleichspannungsquelle und die dielektrischer-Durchbruchstromversorgung in der Konfiguration des Resonanzwechselrichters weggelassen werden.
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Gemäß 1 weist ein Resonanzwechselrichter 1 drei Bereiche auf: einen Bereich auf der Primärseite des Transformators 7, der hauptsächlich einen Vollbrückenwechselrichter 4 aufweist; einen Bereich auf der Sekundärseite des Transformators 7, der hauptsächlich eine Zündkerze 10 aufweist; und einen Bereich, der für die Steuerung des Vollbrückenwechselrichter 4 relevant ist. Es wird darauf hingewiesen, dass im Folgenden der Vollbrückenwechselrichter 4 gegebenenfalls als Wechselrichter 4 bezeichnet werden kann.
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Der Bereich auf der Primärseite des Transformators 7, der hauptsächlich den Wechselrichter 4 aufweist, weist Folgendes auf: eine Gleichspannungsquelle 2, einen Eingangskondensator 3, den Wechselrichter 4, Dämpfungsschaltungen 5, 6 und eine Transformator-Primärwicklung 7a. Der Bereich auf der Sekundärseite des Transformators 7, der hauptsächlich die Zündkerze 10 aufweist, weist Folgendes auf: eine Resonanzspule 8 auf der Sekundärseite des Transformators 7, einen Resonanzkondensator 9, eine Zündkerze 10 und eine dielektrischer-Durchbruchstromversorgung 11. Der für die Steuerung des Wechselrichters 4 relevante Bereich weist Folgendes auf: einen Stromsensor 12 zur Erfassung des durch die Zündkerze 10 fließenden Stroms und eine Steuereinheit 13.
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Der Wechselrichter 4 weist einen ersten Zweig auf, der durch eine Reihenschaltung der Schaltelemente SW1 und SW2 gebildet wird, und einen zweiten Zweig, der durch eine Reihenschaltung der Schaltelemente SW3 und SW4 gebildet wird. Die Schaltelemente SW1 bis SW4 haben antiparallele Dioden (Substratdioden).
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Die Drain-Anschlüsse der Schaltelemente SW1 und SW3 des Wechselrichters 4 werden mit den Plus-(P)-Enden der Gleichspannungsquelle 2 und des Eingangskondensators 3 verbunden. Die Source-Anschlüsse der Schaltelemente SW2 und SW4 des Wechselrichters 4 sind mit den Minus-(N)-Enden der Gleichspannungsquelle 2 und des Eingangskondensators 3 verbunden.
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Die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 2 wird vom Wechselrichter 4 über den Eingangskondensator 3 in Wechselspannung umgewandelt. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Transformator-Primärwicklung 7a, die mit dem Wechselrichter 4 verbunden ist, und einer Transformator-Sekundärwicklung 7b, beträgt 1 : n. Hierbei ist n eine reelle Zahl größer als 1.
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Daher wird die Spannung der Transformator-Primärwicklung 7a an der Sekundärwicklung 7b in eine n-fache Spannung umgewandelt. Der Strom der Transformator-Sekundärwicklung 7b wird an der Primärwicklung 7a in n-fachen Strom umgewandelt.
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Als Windungsverhältnis n zwischen der Transformator-Primärwicklung 7a und der Transformator-Sekundärwicklung 7b wird ein geeigneter Wert nach den Vorgaben der Zündkerze 10, der Gleichspannungsquelle 2, der dielektrischer-Durchbruchstromversorgung 11, der Schaltelemente des Wechselrichters 4 und dergleichen ausgewählt. So wird beispielsweise n = 4,5 verwendet.
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Das eine Ende der Transformator-Sekundärwicklung 7b ist mit einem Ende der Zündkerze 10 und der dielektrischer-Durchbruchstromversorgung 11 über die Resonanzspule 8 und einen ersten Resonanzkondensator 9a verbunden. Das andere Ende der Transformator-Sekundärwicklung 7b ist mit dem anderen Ende der Zündkerze 10 und der dielektrischer-Durchbruchstromversorgung 11 verbunden. Die Reihenschaltung des ersten Resonanzkondensators 9a und eines zweiten Resonanzkondensators 9b ist parallel zur Zündkerze 10 und zur dielektrischer-Durchbruchstromversorgung 11 geschaltet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Resonanzkondensator 9 den ersten Resonanzkondensator 9a und den zweiten Resonanzkondensator 9b aufweist, aber sie werden einfach als Resonanzkondensator 9 bezeichnet, sofern sie nicht unterschieden werden müssen.
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Die Dämpfungsschaltung 5 weist einen Regenerationswiderstand 5d, einen Dämpfungskondensator 5c und Klemmdioden 5a, 5b auf.
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Die Reihenschaltung des Regenerationswiderstandes 5d und des Dämpfungskondensators 5c ist parallel zur Reihenschaltung der Schaltelemente SW1 und SW2 geschaltet und bildet den ersten Zweig des Wechselrichters 4. Die Kathoden der Klemmdioden 5a und 5b sind mit der Verbindungsstelle zwischen dem Regenerationswiderstand 5d und dem Dämpfungskondensator 5c verbunden. Die Anode der Klemmdiode 5a ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements SW1 verbunden, und die Anode der Klemmdiode 5b ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements SW2 verbunden.
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Die Dämpfungsschaltung 6 weist einen Regenerationswiderstand 6d, einen Dämpfungskondensator 6c und Klemmdioden 6a, 6b auf.
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Die Reihenschaltung aus Regenerationswiderstand 6d und Dämpfungskondensator 6c ist parallel zur Reihenschaltung der Schaltelemente SW3 und SW4 geschaltet und bildet den zweiten Zweig des Wechselrichters 4. Die Kathoden der Klemmdioden 6a und 6b sind mit der Verbindungsstelle zwischen dem Regenerationswiderstand 6d und dem Dämpfungskondensator 6c verbunden. Die Anode der Klemmdiode 6a ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements SW3 verbunden, und die Anode der Klemmdiode 6b ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements SW4 verbunden.
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Der durch die Zündkerze 10 fließende Strom wird vom Stromsensor 12 erfasst und die Steuereinheit 13 steuert die Schaltfrequenz des Wechselrichters 4 so, dass sich der Stromwert des Stromsensors 12 einem vorgegebenen Stromwert annähert. Der Wechselrichter 4 weist eine Vollbrückenschaltung auf, die den ersten Zweig aus den Schaltelementen SW1, SW2 und den zweiten Zweig aus den Schaltelementen SW3, SW4 aufweist, und jedes Schaltelement wird durch einen Metalloxid-Halbleiter (MOS) mit einer Diode gebildet. Der Wechselrichter 4 ist jedoch nicht auf eine Vollbrückenkonfiguration beschränkt, und die Schaltelemente können auch bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) sein.
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Als nächstes wird die grundsätzliche Funktionsweise des Resonanzwechselrichters 1, d.h. der Betrieb als hochfrequente Plasmazündvorrichtung, unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben. Gemäß 2 bezeichnet A einen „Zündkerzen-Dielektrischer-Durchbruch-Zeitverlauf“ und B einen „Kapazitäts-Entladestrom des Resonanzkondensators“ .
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Gemäß 2 wird von der dielektrischer-Durchbruchstromversorgung 11 eine Minus-Spannung an die Zündkerze 10 angelegt. Und wenn die Spannung eine bestimmte Höhe erreicht, erfährt die Zündkerze 10 einen dielektrischen Durchbruch und eine Entladung, und der Kapazitäts-Entladestrom fließt, der bei einer Resonanzfrequenz der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9 schwingt. Dieser Strom wird mit dem Übersetzungsverhältnis (n) des Transformators 7 multipliziert und der resultierende Strom fließt durch die Transformator-Primärwicklung 7a.
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Nach dem Abklingen des bei der Resonanzfrequenz schwingenden Kapazitäts-Entladestroms wird der Wechselrichter 4 angesteuert, einen Schaltvorgang zum Anlegen von hochfrequentem Strom an die Zündkerze 10 durchzuführen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Kapazitäts-Entladestrom ein Entladungsstrom ist, der entsteht, wenn im Resonanzkondensator 9 gespeicherte Energie durch den dielektrischen Durchbruch eines Zündkerzen-Elektrodenteils der Zündkerze 10 entladen wird.
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3 veranschaulicht die Konfiguration und Funktionsweise der Steuereinheit 13, wobei 3(a) eine Verschaltung der Steuereinheit 13 und 3(b) die Funktionsweise darstellen.
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Die Steuereinheit 13 weist Folgendes auf: einen Rechner 131, einen Komparator 132, einen mit Begrenzer ausgestatteten Oszillator 133 und einen Gatesignalgenerator 134.
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Der Stromsensor 12 erkennt den Strom, der durch die Transformator-Sekundärwicklung 7b fließt, d.h. den Strom durch die Zündkerze 10.
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Der Rechner 131 subtrahiert den Erfassungsstrom Iout vom Stromsensor 12, von einem benötigten Wert für den Zündkerzenstrom Ireq.
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Ist der Erfassungsstrom Iout, der ein aktueller Messwert des Zündkerzenstroms ist, kleiner als der benötigte Wert für den Zündkerzenstrom Ireq, gibt der Vergleicher 132 den Wert „H“ aus. In diesem Fall senkt der mit Begrenzer ausgestattete Oszillator 133 eine zu erzeugende Wechselrichter-4-Treiberfrequenz. Der mit einem Begrenzer ausgestattete Oszillator 133 ist jedoch mit einer unteren Grenze versehen, so dass die Frequenz des Oszillators gleich oder höher als die Resonanzfrequenz gehalten wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Gatesignalgenerator 134 die Ausgangsfrequenz vom mit Begrenzer ausgestatteten Oszillator 133 empfängt und Gatesignale zum Ansteuern der Schaltelemente SW1 bis SW4 des Wechselrichters 4 erzeugt.
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Ist hingegen der Erfassungsstrom Iout höher als der benötigte Wert für den Zünd-kerzenstrom Ireq, gibt der Vergleicher 132 den Wert „L“ aus, und der mit Begrenzer ausgestattete Oszillator 133 erhöht die zu erzeugende Frequenz.
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Durch den obigen Vorgang vergleicht die Steuereinheit 13 den Erfassungsstrom Iout vom Stromsensor 12 mit dem benötigten Wert für den Zündkerzenstrom Ireq und passt die erzeugte Frequenz des mit Begrenzer ausgestatteten Oszillators 133 an, so dass der durch die Zündkerze fließende Strom gesteuert wird.
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Als nächstes werden der Frequenzgang und die Resonanzverstärkung einer Last einschließlich der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9 unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
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4 zeigt die Relation zwischen einem Resonanzpunkt und der Resonanzverstärkung der Last einschließlich der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9. Gemäß 4 wird die Last bei einer Frequenz, die höher als der Resonanzpunkt ist, zu einer kapazitiven Last für den Wechselrichter 4 und bei einer Frequenz, die niedriger als der Resonanzpunkt ist, wird die Last zu einer induktiven Last.
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In einem Frequenzbereich, der höher als der Resonanzpunkt ist, nimmt die Resonanzverstärkung mit zunehmender Frequenz ab. In einem Frequenzbereich, der niedriger als der Resonanzpunkt ist, steigt die Resonanzverstärkung mit zunehmender Frequenz.
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Wie in der 3 dargestellt, verwendet der Resonanzwechselrichter 1 der Ausführungsform 1 die Kennlinie im Frequenzbereich oberhalb des Resonanzpunkts, also den kapazitiven Lastfrequenzbereich. Durch die Einstellung der Betriebsfrequenz des Wechselrichters 4 wird die an die Zündkerze 10 angelegte Spannung verändert, wobei der durch die Zündkerze 10 fließende Strom gesteuert/geregelt wird.
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Als nächstes wird die Nullspannungsumschaltung der Schaltelemente SW1 bis SW4 des Wechselrichters 4 zum Zeitpunkt des Einschaltens unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben.
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5 ist ein Wellenformdiagramm, wenn der Wechselrichter 4 angesteuert wird, mit einer Frequenz im kapazitiven Bereich zu schalten, und zeigt Gatesignale für die Schaltelemente SW1 bis SW4, Drain-Source-Spannungssignale und den Strom, der durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließt. Gemäß 5 zeigt a einen Zeitpunkt des Anstiegs der Gatesignale für die Schaltelemente SW1, SW4 und b einen Zeitpunkt des Anstiegs der Gatesignale für die Schaltelemente SW2, SW3.
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6 und 7 veranschaulichen den Stromfluss. 6 stellt den Stromfluss dar, wenn die Polarität des durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließenden Stroms negativ ist, wenn SW1 und SW3 eingeschaltet sind, und 7 zeigt den Stromfluss, wenn die Polarität des durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließenden Stroms positiv ist, wenn SW2 und SW4 eingeschaltet sind. In den Zeichnungen zeigt P an, dass „die Polarität des Stroms positiv ist“, und N bedeutet, dass „die Polarität des Stroms negativ ist“. Gleiches gilt auch für die nachfolgenden Zeichnungen.
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Beim Einschalten jedes Schaltelements SW1 bis SW4, die im Wechselrichter 4 eingebaut sind, wird eine Nullspannungsumschaltung durchgeführt, so dass Schaltverluste unterdrückt werden. Dazu ist es notwendig, den Wechselrichter 4 mit einer Frequenz zu betreiben, die höher ist als der Resonanzpunkt der Last mit der Resonanzspule 8 und dem Resonanzkondensator 9, also im kapazitiven Lastbereich.
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Wird der Wechselrichter 4 mit einer Frequenz betrieben, die höher ist als der Resonanzpunkt der Last einschließlich der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9, so wird die aus der Resonanzspule 8 und dem Resonanzkondensator 9 gebildete Schaltung zu einer kapazitiven Last. Daher weist der durch den Transformator fließende Strom eine um 90° führende Phase gegenüber der Phase der Spannung auf, und Spannung und Strom haben unterschiedliche Polaritäten.
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Gemäß 5 sind zum Zeitpunkt a des Anstiegs der Gatesignale für die Schaltelemente SW1, SW4 die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente SW1, SW4 Null. Zum Zeitpunkt b des Anstiegs der Gatesignale für die Schaltelemente SW2, SW3 sind die Drain-Source-Spannungen der Schaltelemente SW2, SW3 Null.
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Wie vorstehend beschrieben, ist beim Einschalten jedes Schaltelements SW1 bis SW4 die Spannung zwischen Drain und Source des einzuschaltenden Schaltelements Null, so dass eine Nullspannungsumschaltung erreicht wird, so dass die Schaltverluste reduziert werden können.
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6 zeigt den Stromfluss für den Fall, dass die Polarität des Stroms zum Zeitpunkt a gemäß 5 negativ ist, d.h. den Stromfluss, wenn die Schaltelemente SW1, SW4 das Schalten durchführen. 7 zeigt den Stromfluss für den Fall, dass die Polarität des Stroms zum Zeitpunkt b gemäß 5 positiv ist, d.h. den Stromfluss, wenn die Schaltelemente SW2, SW3 das Schalten durchführen.
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Bei induktiver Last liegt die Phase des Stroms um 90° gegenüber der Phase der Spannung zurück. Daher muss jeder Halbleiter in einem Zustand eingeschaltet werden, in dem eine gewisse Spannung zwischen Drain und Source des einzuschaltenden Halbleiters verbleibt. Somit wird bei induktiver Last, d.h. in einem Frequenzbereich unterhalb des Resonanzpunktes gemäß 4, beim Einschalten jedes Schaltelements SW1 bis SW4 keine Nullspannungsschaltung durchgeführt. Daher werden im Resonanzwechselrichter 1 der Ausführungsform 1 die Schaltelemente SW1 bis SW4 so angesteuert, dass das Schalten in einem kapazitiven Lastbereich durchgeführt wird.
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Als nächstes wird die Leistungsrückgewinnung der in den Schaltelementen SW1 bis SW4 auftretenden Stoßspannung unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 beschrieben. 8 ist ein Wellenformdiagramm der Gatesignale für die Schaltelemente SW1 bis SW4, für Drain-Source-Spannungssignale und für den Strom, der durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließt. Gemäß 8 gibt der Punkt c einen Zeitpunkt für den Abfall der Gatesignale für die Schaltelemente SW1, SW4 und der Punkt d einen Zeitpunkt für den Abfall der Gatesignale für die Schaltelemente SW2, SW3 an.
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9 und 10 veranschaulichen den Stromfluss. 9 stellt den Stromfluss dar, wenn die Polarität des durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließenden Stroms negativ ist, und 10 zeigt den Stromfluss, wenn die Polarität des durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließenden Stroms positiv ist.
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Wie aus 8 ersichtlich, wird jedes der Schaltelemente SW1 bis SW4 ausgeschaltet, wenn der Strom-Wert groß ist. Daher ist es durch den Einfluss von parasitären Komponenten aufgrund von Verdrahtung, Transformator-Leckinduktivität und dergleichen wahrscheinlich, dass Stoßspannung oder oszillierende Spannung durch Resonanz entsteht.
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Wie in 9 dargestellt, wird bei negativer Polarität des Stroms die am Drain-Anschluss des Schaltelements SW1 auftretende Spannung von der Klemmdiode 5a bei der Spannung Vc des Dämpfungskondensators 5c geklemmt. Die im Dämpfungskondensator 5c gespeicherte Energie wird über den Regenerationswiderstand 5d zum Eingangskondensator 3 und die Gleichspannungsquelle 2 rückgeführt.
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Unterdessen wird die am Drain-Anschluss des Schaltelements SW4 auftretende Spannung von der Klemmdiode 6b auf die Spannung Vc des Dämpfungskondensators 6c geklemmt. Die im Dämpfungskondensator 6c gespeicherte Energie wird über den Regenerationswiderstand 6d zum Eingangskondensator 3 und die Gleichspannungsquelle 2 rückgeführt.
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Wie in 10 dargestellt, wird auch bei positiver Polarität des Stroms die am Drain-Anschluss des Schaltelements SW3 auftretende Spannung von der Klemmdiode 6a bei der Spannung Vc des Dämpfungskondensators 6c geklemmt. Die im Dämpfungskondensator 6c gespeicherte Energie wird über den Regenerationswiderstand 6d zum Eingangskondensator 3 und zur Gleichspannungsquelle 2 rückgeführt.
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Unterdessen wird die am Drain-Anschluss des Schaltelements SW2 auftretende Spannung von der Klemmdiode 5b bei der Spannung Vc des Dämpfungskondensators 5c geklemmt. Die im Dämpfungskondensator 5c gespeicherte Energie wird über den Regenerationswiderstand 5d zum Eingangskondensator 3 und zur Gleichspannungsquelle 2 rückgeführt.
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Die Reduzierung des gemeinsamen Stroms, der für die Sprünge relevant ist, die auftreten, wenn jedes der Schaltelemente SW1 bis SW4 ausgeschaltet wird, wird unter Bezugnahme auf 11 und 12 beschrieben.
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11 veranschaulicht die Schaltelemente SW1 bis SW4 durch Modellierung mittels Kondensatoren zwischen den Drain- und den Sourceanschlüssen. 11(a) ist eine Grundschaltung, bestehend aus der Gleichspannungsquelle 2, dem Eingangskondensator 3 und den Schaltelementen SW1 bis SW4 des Wechselrichters 4. 11(b) und 11(c) zeigen die Schaltelemente SW1 bis SW4, die von Kondensatoren modelliert werden. 11(b) zeigt den Wechselrichter 4 ohne Dämpfungsschaltung und 11(c) den Wechselrichter 4 mit Dämpfungsschaltungen 5,6.
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12 zeigt exemplarisch die Wellenform der Spannung zwischen den beiden Enden des Kondensators entsprechend dem Schaltelement SW4. 12(a) entspricht 11(b), in der die Dämpfungsschaltungen 5, 6 nicht vorgesehen sind, und zeigt die Spannungswellenform am Punkt C gemäß 11(b). 12(b) entspricht 11(c), in der die Dämpfungsschaltungen 5, 6 vorgesehen sind, und zeigt die Spannungswellenform am Punkt D gemäß 11(c).
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Hier wird die Wirkung der Dämpfungsschaltungen unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. 13 zeigt eine Spannungswellenform, die durch Experimente erhalten wurde. In 13 bezeichnet K eine „Spannungswellenform (durchgezogene Linie) bei fehlender Dämpfungsschaltung“ und L eine „Spannungswellenform (gestrichelte Linie) mit Dämpfungsschaltungen“. M gibt den „Reduktionsgrad durch die Dämpfungsschaltungen = 69 V“ an.
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Das heißt, bei keiner Dämpfungsschaltung beträgt die Spitzenspannung 245 V, während mit Dämpfungsschaltung die Spitzenspannung 176 V beträgt und somit eine Dämpfung um 69 V bestätigt werden kann.
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Wenn, wie in 11(b) und 12(a) dargestellt, im Wechselrichter 4 keine Dämpfungsschaltungen 5 und 6 vorgesehen sind, kommt es beim Abschalten jedes Schaltelements SW1 bis SW4 zu hochfrequenten Stoßspannungen oder oszillierenden Spannungen am Wechselstromende des Wechselrichters 4. Die auf der Wechselspannungsseite auftretende hochfrequente Stoßspannung oder oszillierenden Spannung führt zu einem Ladungs-/Entladungsstrom des Kondensators durch den oberen und den unteren Zweig, so dass Strom in einem hochfrequenten Gleichtakt zur Gleichspannungsquelle 2 fließt.
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Wenn andererseits die Dämpfungsschaltungen 5 und 6 im Wechselrichter 4, wie in 11(c) und 12(b) dargestellt, vorgesehen sind, wird die hochfrequente oder oszillierende Spannung, die beim Ausschalten jedes Schaltelements SW1 bis SW4 entsteht, durch die Dämpfungsschaltungen 5 und 6 gedämpft, und der Strom fließt durch die Dämpfungskondensatoren 5c, 6c, so dass Strom nicht durch die Kondensatoren des oberen oder des unteren Zweigs fließt. Dadurch wird der Strom, der im Gleichtakt zur Gleichspannungsquelle 2 fließt, verringert. Das heißt, die Anwendung der Dämpfungsschaltungen 5 und 6 wandelt gemeinsamen Strom in normalen Strom um.
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Wie vorstehend beschrieben, wird die Stoßspannung oder oszillierende Spannung, die beim Abschalten jedes Schaltelements SW1 bis SW4 auftritt, die den Wechselrichter 4 bilden, durch die Dämpfungsschaltungen 5, 6 gleich oder kleiner als die Klemmenspannung Vc gemacht, so dass der gemeinsame Strom verringert werden kann.
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Als Nächstes wird der Vorgang der Leistungsrückgewinnung des Kapazitäts-Entladestroms zum Zeitpunkt des dielektrischen Durchschlags der Zündkerze zur Eingangsseite unter Bezugnahme auf die 14 bis 16 beschrieben.
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14 zeigt den Stromfluss für den Fall, dass der Strom, der durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließt, negativ ist, und 15 zeigt den Stromfluss für den Fall, dass der durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließende Strom positiv ist.
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16 zeigt die Änderung der an die Zündkerze 10 angelegten Zündkerzenspannung und die Änderung des Stroms der Transformator-Primärwicklung 7a, genauer gesagt, die Änderung des Resonanz-Stroms durch die Entladung des Kondensators 9 nach dem dielektrischen Durchschlag der Zündkerze. In 16 zeigt E einen „Zündkerzen-Dielektrischer-Durchbruch-Zeitverlauf“ an, und F zeigt einen „Resonanzstrom aufgrund der Entladung des Resonanzkondensators“.
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Wenn die Zündkerze 10 aufgrund der Spannungsbeaufschlagung durch die dielektrischer-Durchbruchstromversorgung 11 einen dielektrischen Durchschlag erfährt, führt die in der Zündkerze 10 und dem Resonanzkondensator 9 gespeicherte Energie zu einem Kapazitäts-Entladestrom basierend auf der Resonanzfrequenz der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9.
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Der durch die Transformator-Sekundärwicklung 7b fließende Kapazitäts-Entladestrom wird mit dem Windungsverhältnis (n) zwischen der Transformator-Primärwicklung 7a und der Sekundärwicklung 7b multipliziert und der n-fache Strom tritt in der Transformator-Primärwicklung 7a auf. Der in der Transformator-Primärwicklung 7a auftretende Kapazitäts-Entladestrom wird durch die Dämpfungsschaltungen 5 und 6 zum Eingangskondensator 3 und zur Gleichspannungsquelle 2 rückgeführt.
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Gemäß 14 wird für den Fall, dass die Polarität des Stroms in der Transformator-Primärwicklung 7a negativ ist, der in der Transformator-Primärwicklung 7a auftretende n-fache Kapazitäts-Entladestrom unterteilt in einen Strom, der durch die Körperdioden von SW1 und SW4 fließt und einen Strom, der durch die Klemmdiode 5b, den Dämpfungskondensator 5c und den Regenerationswiderstand 5d fließt, um eine Leistungsrückgewinnung zum Eingangskondensator 3 und zur Gleichspannungsquelle 2 durchzuführen.
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Gemäß 15 wird bei positiver Polarität des Stroms in der Transformator-Primärwicklung 7a der in der Transformator-Primärwicklung 7a auftretende n-fache Kapazitäts-Entladestrom unterteilt in einen Strom, der durch die Körperdioden von SW2 und SW3 fließt, und einen Strom, der durch die Klemmdiode 6b, den Dämpfungskondensator 6c und den Regenerationswiderstand 6d fließt, um eine Leistungsrückgewinnung zum Eingangskondensator 3 und zur Gleichspannungsquelle 2 durchzuführen.
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Gemäß 1 ist der Dämpfungskondensator 5c beispielsweise mit den Klemmdioden 5a, 5b verbunden. Je nach Komponentenanordnung kann der Verdrahtungsabstand zwischen der Klemmdiode 5a und dem Dämpfungskondensator 5c länger sein als der Verdrahtungsabstand zwischen der Klemmdiode 5b und dem Dämpfungskondensator 5c. Wird in diesem Fall ein weiterer Dämpfungskondensator an die Kathode der Klemmdiode 5a angeschlossen, kann der Kondensatoreffekt verbessert werden.
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Wie oben beschrieben, weist der Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 Folgendes auf: die Gleichspannungsquelle; der Eingangskondensator; den Vollbrückenwechselrichter; die Dämpfungsschaltungen; den Transformator mit der Primärwicklung, die mit dem Wechselrichterende verbunden ist; die Resonanzspule und den Resonanzkondensator auf der Sekundärwicklungsseite des Transformators; die Zündkerze; die Dielektrischer-Durchbruch-Stromversorgung; den Stromsensor; und die Steuereinheit, wobei die Steuereinheit auf der Grundlage des vom Stromsensor erfassten Stroms die Schaltelemente so steuert, dass sie beim Einschalten eine Nullspannungsumschaltung mit einer Frequenz durchführt, bei der die von der Resonanzspule und dem Resonanzkondensator gebildete Schaltung zu einer kapazitiven Last wird, und eine Leistungsrückgewinnung der in den Dämpfungskondensatoren gespeicherten Energie zur Gleichspannungsquelle durchführt.
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So kann der Resonanzwechselrichter gemäß der Ausführungsform 1 die Schaltelemente des Wechselrichters vor Schaltsprüngen schützen, die Schaltverluste beim Einschalten reduzieren und die in den Dämpfungskondensatoren gespeicherte Energie zur Gleichspannungsquelle zurückführen.
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Ausführungsform 2
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Ein Resonanzwechselrichter gemäß der Ausführungsform 2 wird erhalten, indem ein Kapazitätsentladestrom-Kondensator parallel zu jedem Dämpfungskondensator im Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 1 angeschlossen wird.
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Im Folgenden wird der Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 2 beschrieben, und zwar konzentriert auf den Unterschied zur Ausführungsform 1, unter Bezugnahme auf 17, die die Konfiguration und Funktionsweise zeigt. Gemäß 17 werden Teile, die mit denen gemäß 1 in Ausführungsform 1 übereinstimmen oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Zunächst wird die Konfiguration eines Resonanzwechselrichters 100 der Ausführungsform 2 unter Bezugnahme auf 17 beschrieben.
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Ein Kapazitätsentladestrom-Kondensator 5e ist parallel zum Dämpfungs-Kondensator 5c und ein Kapazitätsentladestrom-Kondensator 6e parallel zum Dämpfungs-Kondensator 6c angeschlossen.
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Wenn die Zündkerze 10 dielektrische Durchschläge und Entladungen erfährt, schwingt der Kapazitäts-Entladestrom mit der Resonanzfrequenz der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9 und ein Strom, multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis (n) des Transformators 7, durchströmt die Transformator-Primärwicklung 7a.
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Sprünge oder parasitäre Schwingungen sind Schwingungen mit einer höheren Frequenz als der Schaltfrequenz des Wechselrichters 4. Die Dämpfungs-Kondensatoren 5c, 6c müssen niedrige Impedanzen in Bezug auf die hochfrequenten Schwingungen von Sprüngen oder parasitären Schwingung aufweisen.
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Andererseits müssen die Kapazitätsentladestrom-Kondensatoren 5e, 6e, die parallel zu den Dämpfungs-Kondensatoren 5c, 6c geschaltet sind, niedrige Impedanzen bei der Resonanzfrequenz der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9 aufweisen und über ausreichend große Kapazitäten zur Stromabsorption verfügen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Frequenz der Sprünge oder parasitären Schwingung höher ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzspule 8 und des Resonanzkondensators 9.
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Durch die Bereitstellung der jeweiligen Kondensatoren, die an diesen Funktionen beteiligt sind, kann verhindert werden, dass die Schaltelemente durch Stoßspannungen oder Schwingungsspannungen zum Zeitpunkt des Schaltens oder durch kapazitiven Entladungsstrom einen Spannungsdurchbruch erleiden.
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Wie vorstehend beschrieben, wird der Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 2 erhalten, indem ein Kapazitätsentladestrom-Kondensator parallel zu jedem Dämpfungskondensator des Resonanzwechselrichters der Ausführungsform 1 angeschlossen wird. So ist es wie beim Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 1 möglich, die Schaltelemente, aus denen sich der Wechselrichter zusammensetzt, vor Schaltstößen zu schützen, die Schaltverluste beim Einschalten zu reduzieren und die in den Dämpfungskondensatoren gespeicherte Energie zur Gleichspannungsquelle zurückzuführen. Weiterhin ist es möglich, die Schaltelemente vor kapazitivem Entladungsstrom zu schützen.
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Ausführungsform 3
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Ein Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 3 wird durch Hinzufügen eines Schutzschaltelements zu jeder Dämpfungsschaltung des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 1 erhalten.
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Im Folgenden wird der Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 3 beschrieben, und zwar konzentriert auf den Unterschied zu Ausführungsform 1, unter Bezugnahme auf 18, die die Konfiguration und Funktionsweise veranschaulicht, und 19, die die Funktionsweise veranschaulicht. Gemäß 18 werden Teile, die mit denen gemäß 1 bei der Ausführungsform 1 übereinstimmen oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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18 zeigt die Schaltungskonfiguration eines Resonanzwechselrichters 200 gemäß Ausführungsform 3 und den Stromfluss bei dielektrischem Durchschlag der Zündkerze 10 und den Kapazitäts-Entladestrom aufgrund der Zündkerze 10 und des Resonanzkondensators 9 durch die Transformator-Primärwicklung 7a. Es wird darauf hingewiesen, dass 18 den Stromfluss darstellt, wenn die Polarität des durch die Transformator-Primärwicklung 7a fließenden Stroms negativ ist. Der Fall, dass die Polarität des Stroms positiv ist, wird nicht gezeigt.
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19 zeigt den EIN/AUS-Zustand des Schutzschaltelements und den Zusammenhang zwischen dem durchfließenden Strom und der Spannung des Dämpfungskondensators. Gemäß 19 zeigt G „den Beginn des Fließens des kapazitiven Entladungsstroms“ an.
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Zunächst wird die Konfiguration des Resonanzwechselrichters 200 der Ausführungsform 3 unter Bezugnahme auf 18 beschrieben.
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Die Dämpfungsschaltung 5 gemäß der Ausführungsform 1 wird durch eine Dämpfungsschaltung 20 und die Dämpfungsschaltung 6 durch eine Dämpfungsschaltung 21 ersetzt.
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Die Dämpfungsschaltung 20 weist ein Schutzschaltelement SW5, einen ersten Regenerationswiderstand 20d und einen zweiten Regenerationswiderstand 20e auf, die ein in zwei Widerstände unterteilter Regenerationswiderstand sind, sowie einen Dämpfungskondensator 20c und Klemmdioden 20a, 20b.
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Die Reihenschaltung des ersten Regenerationswiderstands 20d, des zweiten Regenerationswiderstands 20e und des Dämpfungskondensators 20c ist parallel zur Reihenschaltung der Schaltelemente SW1 und SW2 des Wechselrichters 4 geschaltet. Die Kathoden der Klemmdioden 20a und 20b sind mit der Verbindungsstelle zwischen dem zweiten Regenerationswiderstand 20e und dem Dämpfungskondensator 20c verbunden. Die Anode der Klemmdiode 20a ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements SW1 und die Anode der Klemmdiode 20b ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements SW2 verbunden.
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Der Drain-Anschluss und der Source-Anschluss des Schutzschaltelements SW5 sind parallel zur Reihenschaltung des ersten Regenerationswiderstand 20d und des zweiten Regenerationswiderstand 20e geschaltet, und der Gate-Anschluss des Schutzschaltelements SW5 ist mit der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Regenerationswiderstand 20d und dem zweiten Regenerationswiderstand 20e verbunden.
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Die Konfiguration der Dämpfungsschaltung 21 ist die gleiche wie die der Dämpfungsschaltung 20, so dass deren erneute Beschreibung entfällt.
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Als nächstes wird der Betrieb des Resonanzwechselrichters 200 gemäß Ausführungsform 3 unter Bezugnahme auf 18 und 19 beschrieben.
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Bei der Dämpfungsschaltung 20 durchströmt der Kapazitäts-Entladestrom die Körperdiode des Schaltelements SW1, den ersten Regenerationswiderstand 20d und den zweiten Regenerationswiderstand 20e. Wird hier die Klemmenspannung Vc des Dämpfungskondensators 20c höher als die vorgegebene Spannung, steigt die Spannung geteilt durch den ersten Regenerationswiderstand 20d und den zweiten Regenerationswiderstand 20e, und das Schutzschaltelement SW5 wird eingeschaltet, so dass der Regenerationsgrad erhöht und der Spannungsanstieg im Dämpfungskondensator 20c unterdrückt wird.
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Dadurch kann ein Durchbruch der Schaltelemente SW1 bis SW4, die im Wechselrichter 4 vorgesehen sind, verhindert werden. Darüber hinaus kann die Kapazität des Dämpfungskondensators 20c reduziert werden. Und da die Steuerung des Schutzschaltelements SW5 nicht durch die Steuereinheit 13 erfolgen muss, kann die Steuerung vereinfacht werden.
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Die Funktionsweise der Dämpfungsschaltung 21 ist die gleiche wie die der Dämpfungsschaltung 20, so dass deren erneute Beschreibung entfällt.
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In der Ausführungsform 3 werden die Schutzschaltelemente zu den Dämpfungsschaltungen des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 1 hinzugefügt. Die Schutzschaltelemente können jedoch auch zu den Dämpfungsschaltungen des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 2 hinzugefügt werden. In diesem Fall können die Schaltelemente des Wechselrichters 4 besser geschützt werden.
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Wie vorstehend beschrieben, wird der Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 3 durch Hinzufügen der Schutzschaltelemente zu den Dämpfungsschaltungen des Resonanzwechselrichters gemäß Ausführungsform 1 erhalten. So ist es wie im Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 1 möglich, die Schaltelemente des Wechselrichters vor Schaltstößen zu schützen, die Schaltverluste beim Einschalten zu reduzieren und die in den Dämpfungskondensatoren gespeicherte Energie zur Gleichspannungsquelle zurückzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, die Schaltelemente vor kapazitivem Entladungsstrom zu schützen und auch die Kapazitäten der Dämpfungskondensatoren zu reduzieren.
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Ausführungsform 4
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Ein Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 4 wird durch Hinzufügen einer Filterschaltung zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Eingangskondensator im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1 erhalten.
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Im Folgenden wird der Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 4 beschrieben, und zwar konzentriert auf den Unterschied zu Ausführungsform 1, unter Bezugnahme auf 20, die die Konfiguration und Funktionsweise veranschaulicht und 21, die die Funktionsweise veranschaulicht. Gemäß 120 werden Teile, die mit denen gemäß 1 in Ausführungsform 1 übereinstimmen oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Im Resonanzwechselrichter 300 gemäß der Ausführungsform 4 wird zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Eingangskondensator 3 eine Filterschaltung 321 mit Drosseln hinzugefügt.
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Die Hinzufügung der Filterschaltung 321 zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Eingangskondensator 3 soll verhindern, dass das im Wechselrichter 4 auftretende Rauschen auf die Gleichspannungsquelle 2 übertragen wird.
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Beim Hinzufügen der Filterschaltung 321 kann es jedoch je nach den Bedingungen durch den Eingangskondensator 3 und die Induktivität der Filterschaltung zu Resonanzspannungen kommen.
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Als nächstes wird die Unterdrückung des Auftretens von Resonanzspannungen durch Hinzufügen der Filterschaltung 321 unter Bezugnahme auf 21 beschrieben. Gemäß 21 gibt H den Fall „keine Dämpfungsschaltung“ und I den Fall „mit Dämpfungsschaltung (gestrichelte Linie)“ an. J bezeichnet „Resonanzspannung aufgrund der Induktivität des Filters und der Verdrahtung sowie des Eingangskondensators“.
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Es wird festgestellt, dass die Resonanzspannung, die zwischen der Induktivität der Filterschaltung 321 und der Verdrahtung und dem Eingangskondensator 3 entsteht, durch die Dämpfungsschaltung 5 abgeschwächt wird.
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Wenn die Resonanzfrequenz der Resonanzspannung mit fc und die Kapazität des Eingangskondensators 3 mit C benannt werden, ist die Impedanz des Eingangskondensators 3 am Resonanzpunkt 1/(2πfcC). Wenn die Summe der Impedanzen des Dämpfungskondensators 5c und des Regenerationswiderstandes 5d, die die Dämpfungsschaltung 5d aufweist, kleiner ist als die Impedanz des Eingangskondensators 3, dann ist es möglich, die Resonanzspannung, wie sie durch die gestrichelte Linie für den Fall „mit Dämpfungsschaltung“ in 21 angegeben ist, wirksam zu dämpfen.
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Bei der Ausführungsform 4 ist der Fall der Hinzufügung der Filterschaltung zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Eingangskondensator im Resonanzwechselrichter der Ausführungsform 1 beschrieben. Ebenso kann die Filterschaltung dem Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 2 oder Ausführungsform 3 hinzugefügt werden und auch in diesem Fall können die gleichen Effekte erzielt werden.
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Wie vorstehend beschrieben, erhält man den Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 4 durch Hinzufügen der Filterschaltung zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Eingangskondensator im Resonanzwechselrichter gemäß Ausführungsform 1. So ist es wie beim Resonanzwechselrichter gemäß der Ausführungsform 1 möglich, die Schaltelemente, aus denen sich der Wechselrichter zusammensetzt, vor einem Schaltstoß zu schützen, die Schaltverluste beim Einschalten zu reduzieren und die in den Dämpfungskondensatoren gespeicherte Energie zur Gleichspannungsquelle zurückzuführen. Darüber hinaus kann die Gleichspannungsquelle durch Hinzufügen des Filterschaltkreises vor Schaltüberspannung oder Kapazitäts-Entladestrom geschützt und die Resonanzspannung, die durch das Hinzufügen des Filterschaltkreises entstehen kann, reduziert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die oben genannten Ausführungsformen frei miteinander kombiniert oder jede der oben genannten Ausführungsformen entsprechend geändert oder vereinfacht werden können.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung kann die Schaltelemente, aus denen der Wechselrichter besteht, vor Schaltstößen schützen, Schaltverluste beim Einschalten reduzieren und die in den Dämpfungskondensatoren gespeicherte Energie zur Gleichspannungsquelle zurückführen. Daher ist die vorliegende Erfindung weithin verwendbar bei Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtungen, die die Zündung von Verbrennungsmotoren mit schlechter Zündfähigkeit durchführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2015086702 A [0004]
- JP 3514600 B1 [0004]
