EP0674102A2 - Alternating current ignition with optimized electronic circuit - Google Patents
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- EP0674102A2 EP0674102A2 EP95102930A EP95102930A EP0674102A2 EP 0674102 A2 EP0674102 A2 EP 0674102A2 EP 95102930 A EP95102930 A EP 95102930A EP 95102930 A EP95102930 A EP 95102930A EP 0674102 A2 EP0674102 A2 EP 0674102A2
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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- F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
- F02P15/10—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having continuous electric sparks
Definitions
- the invention relates to an AC ignition system with at least one ignition output stage according to the preamble of patent claim 1.
- Such an alternating current ignition system is known from DE-OS 39 28 726, which has the advantage over conventional ignition systems, for example so-called transistor ignitions with static high voltage distribution, that small and thus inexpensive ignition coils can be used. This enables the ignition point to be reached quickly in the ⁇ s range. Furthermore, according to the above. Document ensures the optimal ignition in that it remains switched on for the entire burning time, regardless of the speed, during which it generates a bipolar spark current.
- FIG. 1 Such an alternating current ignition system known from the above-mentioned document is shown in FIG. 1.
- reference number Z denotes an ignition output stage, which has an ignition coil Tr with a primary and secondary coil, a semiconductor switch T connected in series with the primary coil and an oscillating circuit capacitor C and an energy recovery diode D, which are also arranged in series with the primary winding.
- a current measuring resistor R1 for detecting the actual value of the Primary coil current provided.
- a control and regulating circuit 1 takes over the control of the semiconductor switch T via its control electrode, for which purpose the voltage drop across the resistor R1 and the voltage U T occurring at the semiconductor switch T are supplied via the circuit node A.
- the control and regulating circuit 1 is supplied with a control signal containing the ignition signal via its connection U st .
- a switching power supply (not shown in FIG. 1) generates an operating voltage U B of 180 V, which is applied to the primary coil of the ignition coil Tr.
- the switched-mode power supply in turn, is powered by an on-board battery.
- the ignition output stage Z is operated in current mode, i. H. the semiconductor switch T is turned on until a certain current through the primary coil is reached. At this time, the semiconductor switch T turns off, so that the energy stored in the primary coil can charge the capacitor C. This leads to an approximately sinusoidal curve of the voltage applied to the semiconductor switch T. The negative half-wave of the oscillation is limited by diode D to small voltage amplitudes. During this phase of the current flow through the diode D, the semiconductor switch T should be switched on again. At this point in time, the switch-on losses are also very low, since the voltage applied to the semiconductor switch has almost the value zero.
- the actual value of the current flowing through the primary winding is usually measured via the voltage drop across the resistor R1. After reaching the desired value of the current, the semiconductor switch T is switched off, with the result that the voltage across the resistor R1 drops very quickly. Immediate Various measures are known to prevent the semiconductor switch from being switched on again.
- One of the known measures consists in evaluating the voltage U T present at the semiconductor switch T. According to FIG. 1, this is done by connecting point A of semiconductor switch T with the primary winding of ignition coil Tr to control and regulating circuit 1 and evaluating it there.
- this solution has the disadvantage that it can only be prevented from being switched on again when the voltage U T is greater than the supply voltage U B. Therefore, in order to prevent vibrations for the period of time until the voltage U T has reached the value of the supply voltage U B , an additional lock, for. B. can be used via a timer. Such an additional lock must also be provided if the voltage U T at the semiconductor switch T falls below the value of the supply voltage U B again in order to achieve the above-mentioned advantage of switching at a voltage value of almost zero.
- the disadvantage of such a timing element that can be implemented in a simple manner is that the switch-off threshold of the primary current is influenced. If multiple primaries are present, is also disadvantageous in that then the detection of the voltages U T generated at the semiconductor switches T depending on the primary circuit must be made at least once, even if the evaluation of the primary currents is done only once for the entire ignition system.
- Another known solution uses a monostable multivibrator to prevent the semiconductor switch T from being switched on again for a defined period of time.
- This solution with a defined time delay has the disadvantage that the time delay to be selected is a function of the selected primary current and also depends on whether the spark gap has already broken through on the secondary side of the ignition coil or not.
- the tolerances of all time-determining components are also included in the time delay to be selected. Therefore, safe operation of the power stage cannot be ensured in all cases with this solution.
- the object of the present invention is to provide an AC ignition system of the type mentioned at the outset, which has a simple circuit for controlling the semiconductor switch and with which a safe operation of the ignition system is ensured.
- the resonant circuit capacitor - as is known from the above-mentioned DE-OS 39 28 726 - can be arranged parallel to the semiconductor switch.
- a particularly advantageous embodiment is obtained when the resonant circuit capacitor is connected in parallel to the primary coil of the ignition coil.
- the voltage load on the capacitor is thereby reduced by approximately 20%, so that a more cost-effective component can then be used.
- an alternating current ignition system has a plurality of ignition output stages, all ignition output stages each containing an energy recovery diode.
- the diodes are connected to form a wired-or circuit in order to be able to lead their diode currents to a single resistor, the voltage drop of which then serves as a trigger signal for switching the semiconductor switch on again.
- the evaluation of the diode current is advantageously carried out only once for the entire system and not for each individual channel.
- a clamping circuit for limiting the voltage applied to the semiconductor switch, which is constructed from a voltage divider and a comparator connected downstream of it.
- the voltage divider is connected directly to the circuit node connecting the semiconductor switch to the primary coil; the output of the comparator, on the other hand, directly controls the control electrode of the semiconductor switch.
- Such a clamping circuit can reliably prevent the maximum permissible voltages at the semiconductor switch, the energy recovery diode and the resonant circuit capacitor from being exceeded. Because without such a clamping circuit, correspondingly high safety distances from the maximum permissible values would have to be maintained to compensate for tolerances, with a negative cost consequence with regard to the components used.
- the clamping circuit has the effect that the voltage U T at the semiconductor switch is limited to a value which is only slightly less than the maximum permissible value. As a result, the components used can be used close to their load limit.
- Such a clamp circuit has the advantage over the usual use of Zener diodes that little chip area is consumed when the circuit is implemented in integrated circuit technology, since a large number of Zener voltages occur in the kV range in the case of the high voltages which occur during AC ignition. Diodes would be required, so that this would lead to a high chip area consumption.
- bipolar transistors In ignition systems, it is known to use bipolar transistors, power MOS field-effect transistors or IGBT transistors (isolated gate bipolar transistors) as semiconductor switches.
- IGBT transistors isolated gate bipolar transistors
- An advantageous embodiment of the invention is also achieved with a MOS-controlled thyristor (MCT) as a semiconductor switch.
- MCT thyristors MOS-controlled thyristors
- the circuit diagram of an alternating current ignition system according to FIG. 2 shows, compared to that according to FIG. 1, a resistor R2 connected in series with the energy recovery diode D.
- the current through this diode D begins to flow in the negative half-wave of the voltage oscillation generated by the capacitor C and the primary coil of the ignition coil Tr.
- the voltage drop which then arises at this resistor R2 is fed to the control and regulating circuit 1, so that this voltage signal can serve as a trigger signal for switching the semiconductor switch T on again. Since only small voltages are present at the semiconductor switch T at this time, the switching on can take place without electrical losses.
- the current is then taken over by the semiconductor switch T at the zero crossing of the oscillation.
- the value of the resistor R2 is measured with a low resistance, so that the voltage drop across it is sufficient to control an electronic switch, for example a bipolar transistor. Compared to the circuit according to FIG. 1, the line between the semiconductor switch T circuit nodes connecting the primary coil and the control circuit 1 are eliminated.
- the exemplary embodiment according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 2 in that the resonant circuit capacitor C is connected in parallel with the primary coil of the ignition coil Tr and also in that a MOS-controlled thyristor (MCT) is used as the semiconductor switch T.
- MCT MOS-controlled thyristor
- Such an MCT thyristor combines the advantageous properties of the thyristors, such as high dielectric strength, low forward losses and high specific current carrying capacity, with the ability to switch off the power semiconductors used to date, such as bipolar transistors, power MOS field-effect transistors or IGBT transistors.
- the advantage that is achieved with the parallel connection of the resonant circuit capacitor C to the primary coil is that the voltage load on this capacitor is reduced by approximately 20%, so that a less expensive component can be used.
- the voltage drop across the resistor R1 is still fed to the control and regulating circuit 1 in order to detect the actual value of the primary coil current.
- the circuit according to FIG. 4 shows an AC ignition system with four ignition output stages Z1 to Z4.
- Each of these ignition output stages contains an ignition coil Tr1 to Tr4, in each case a resonant circuit capacitor C1 to C4 connected in parallel to the primary coil, a semiconductor switch T1 to T4 each connected in series with the primary coil and a recovery diode D1 to D4 connected in parallel to the semiconductor switch.
- diodes D1 to D4 are each connected with their cathode to the circuit node connecting the semiconductor switch to the primary coil, the anodes of which are led to a single resistor R2, which in turn is at reference potential.
- a corresponding wired-or circuit is also implemented for the source electrodes of the semiconductor switches T1 to T4 by means of a single resistor R1, the voltage drop of which serves to determine the actual value of the primary coil current for all ignition output stages Z1 to Z4.
- the resonant circuit capacitors C1 to C4 can also be connected in parallel to the semiconductor switches T1 to T4 in accordance with the reference symbols C1 'to C4' instead of in parallel with the primary coils.
- FIG. 5 shows a circuit arrangement for an AC ignition system according to FIG. 2 with an oscillating circuit capacitance C 'arranged parallel to the semiconductor switch T, which can also be arranged parallel to the primary coil according to FIG. 3 (see reference symbol C).
- this FIG. 5 contains a clamping circuit 2 for voltage limitation at the semiconductor switch T.
- This clamping circuit 2 prevents the maximum permissible voltage at the semiconductor switch T of the diode D and the resonant circuit capacitor C or C 'from being exceeded. Without such a clamping circuit, correspondingly high safety distances from the maximum permissible values would have to be maintained to compensate for tolerances.
- the clamp circuit 2 causes, for example, the voltage generated across the semiconductor switch T U T is limited to a value which is only slightly lower than the maximum permissible value.
- the expensive components, that is to say the semiconductor switch T, the resonant circuit capacitor C or C ′ and the energy recovery diode D can thus be used close to their load limits.
- the clamping circuit 2 shown in FIG. 5 is constructed with a voltage divider R4 / R5 and a comparator K connected downstream.
- the voltage divider R4 / R5 is connected to the connection point A, which connects the semiconductor switch T to the primary coil, whereas the output of the comparator K on the one hand directly to the control electrode of the semiconductor switch T and on the other hand via a resistor R6 to the output of the control and regulating circuit 1 is connected.
- An accurate and temperature-stable reference voltage source U ref serves as a comparison standard for limiting the voltage U T generated at the semiconductor switch T by supplying it to the non-inverting input of the comparator K.
- the tap of the voltage divider R4 / R5 is present at the inverting input of the comparator K.
- the voltage U T generated at the semiconductor switch T is divided down by this voltage divider R4 / R5 and compared with the reference voltage U ref by the comparator circuit K.
- the output of the comparator K controls the semiconductor switch T, whereby a high accuracy and long-term constancy of the limiting voltage is achieved.
- FIG. 6 A circuit design of the clamp circuit according to FIG. 5 is shown in FIG. 6, where the comparator K is constructed with an npn transistor T5 and a pnp transistor T6.
- the base electrode of the transistor T5 is connected to the voltage divider R4 / R5, while its emitter electrode is connected to the reference voltage source U ref via a resistor R7 and its collector electrode is led to the base electrode of the transistor T6.
- the base electrode of transistor T6 is connected on the one hand to the reference potential via a resistor R8 and on the other hand to the emitter electrode of transistor T6 via a resistor R9.
- the emitter electrode of the transistor T6 is connected to the battery voltage U Bat .
- the collector electrode of transistor T6 forms the output of the comparator.
- the base voltage of the transistor T5 rises to a value which is greater than the sum of its base-emitter voltage and the reference voltage U ref , this transistor T5 becomes conductive.
- the collector current of the transistor T5 can drive the transistor T6, which amplifies this current and thus drives the semiconductor switch T.
- the resistor circuit with the resistors R7 to R9 is designed so that a quick response without over- and undershoots is achieved.
- this clamping circuit 2 according to FIG. 6 offers the advantage of a small chip area consumption compared to the usual use of Zener diodes. Because using Zener diodes would be in the kV range due to the high voltages that occur with AC ignition very many zener diodes required. A corresponding implementation in integrated circuit technology with these Zener diodes would require a large chip area.
- An MCT thyristor can also be provided for the semiconductor switch T in the AC ignition systems according to FIGS. 4 and 5.
- a clamping circuit 2 according to FIG. 5 or 6 can be provided for all ignition output stages Z1 to Z4.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Wechselstrom-Zündanlage mit wenigstens einer Zündendstufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an AC ignition system with at least one ignition output stage according to the preamble of
Eine solche Wechselstrom-Zündanlage ist aus der DE-OS 39 28 726 bekannt, die gegenüber herkömmlichen Zündanlagen, beispielsweise sogenannten Transistor-Zündungen mit ruhender Hochspannungsverteilung, den Vorteil hat, daß kleine und somit kostengünstige Zündspulen einsetzbar sind. Dadurch wird ein schnelles Erreichen des Zündzeitpunktes im µs-Bereich erreicht. Ferner wird gemäß der o. g. Druckschrift die optimale Zündung dadurch sichergestellt, daß sie für die gesamte Brenndauer, unabhängig von der Drehzahl eingeschaltet bleibt, während der sie einen bipolaren Funkenbrennstrom erzeugt.Such an alternating current ignition system is known from DE-OS 39 28 726, which has the advantage over conventional ignition systems, for example so-called transistor ignitions with static high voltage distribution, that small and thus inexpensive ignition coils can be used. This enables the ignition point to be reached quickly in the µs range. Furthermore, according to the above. Document ensures the optimal ignition in that it remains switched on for the entire burning time, regardless of the speed, during which it generates a bipolar spark current.
Eine solche aus der o. g. Druckschrift bekannte Wechselstrom-Zündanlage ist in Figur 1 dargestellt. Dort ist mit dem Bezugszeichen Z eine Zündendstufe bezeichnet, die eine Zündspule Tr mit einer Primär- und Sekundärspule, einen in Reihe zur Primärspule geschalteten Halbleiterschalter T sowie einen Schwingkreiskondensator C und eine Energierückgewinnungsdiode D, die ebenfalls in Reihe zur Primärwicklung angeordnet sind, aufweist. Ferner ist in Reihe zum Halbleiterschalter T ein Strommeßwiderstand R1 zur Erfassung des Istwertes des Primärspulenstromes vorgesehen. Eine Steuer- und Regelschaltung 1 übernimmt die Steuerung des Halbleiterschalters T über dessen Steuerelektrode, wozu ihr der Spannungsabfall an dem Widerstand R1 sowie die an dem Halbleiterschalter T auftretende Spannung UT über den Schaltungsknoten A zugeführt wird. Der Steuer- und Regelschaltung 1 wird über dessen Anschluß Ust ein das Zündsignal enthaltendes Steuersignal zugeführt. Ein in der Figur 1 nicht dargestelltes Schaltnetzteil erzeugt eine Betriebsspannung UB von 180 V, die an die Primärspule der Zündspule Tr angelegt wird. Das Schaltnetzteil seinerseits wird von einer Bordbatterie gespeist.Such an alternating current ignition system known from the above-mentioned document is shown in FIG. 1. There, reference number Z denotes an ignition output stage, which has an ignition coil Tr with a primary and secondary coil, a semiconductor switch T connected in series with the primary coil and an oscillating circuit capacitor C and an energy recovery diode D, which are also arranged in series with the primary winding. Furthermore, in series with the semiconductor switch T is a current measuring resistor R1 for detecting the actual value of the Primary coil current provided. A control and regulating
Die Zündendstufe Z wird im Current-Mode betrieben, d. h. der Halbleiterschalter T wird so lange eingeschaltet, bis ein bestimmter Strom durch die Primärspule erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt schaltet der Halbleiterschalter T ab, so daß die in der Primärspule gespeicherte Energie den Kondensator C aufladen kann. Dies führt zu einem annähernd sinusförmigen Verlauf der am Halbleiterschalter T anliegenden Spannung. Dabei wird die negative Halbwelle der Schwingung durch die Diode D auf kleine Spannungsamplituden begrenzt. Während dieser Phase des Stromflusses durch die Diode D soll der Halbleiterschalter T wieder eingeschaltet werden. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Einschaltverluste sehr gering, da die an dem Halbleiterschalter anliegende Spannung nahezu den Wert Null aufweist.The ignition output stage Z is operated in current mode, i. H. the semiconductor switch T is turned on until a certain current through the primary coil is reached. At this time, the semiconductor switch T turns off, so that the energy stored in the primary coil can charge the capacitor C. This leads to an approximately sinusoidal curve of the voltage applied to the semiconductor switch T. The negative half-wave of the oscillation is limited by diode D to small voltage amplitudes. During this phase of the current flow through the diode D, the semiconductor switch T should be switched on again. At this point in time, the switch-on losses are also very low, since the voltage applied to the semiconductor switch has almost the value zero.
Der Istwert des durch die Primärwicklung fließenden Stromes wird üblicherweise über den Spannungsabfall an dem Widerstand R1 gemessen. Nach dem Erreichen des Sollwertes des Stromes wird der Halbleiterschalter T abgeschaltet, mit der Folge, daß die Spannung an dem Widerstand R1 sehr schnell abfällt. Um ein sofortiges Wiedereinschalten des Halbleiterschalters zu verhindern, sind verschiedene Maßnahmen bekannt.The actual value of the current flowing through the primary winding is usually measured via the voltage drop across the resistor R1. After reaching the desired value of the current, the semiconductor switch T is switched off, with the result that the voltage across the resistor R1 drops very quickly. Immediate Various measures are known to prevent the semiconductor switch from being switched on again.
Eine der bekannten Maßnahmen besteht darin, die an dem Halbleiterschalter T anstehende Spannung UT auszuwerten. Nach Figur 1 erfolgt dies dadurch, daß der Verbindungspunkt A des Halbleiterschalters T mit der Primärwicklung der Zündspule Tr auf die Steuer- und Regelschaltung 1 geführt ist und dort ausgewertet wird. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß das Wiedereinschalten erst bei Werten der Spannung UT verhindert werden kann, die größer als die Versorgungsspannung UB ist. Daher muß zur Verhinderung von Schwingungen für die Zeitdauer bis die Spannung UT den Wert der Versorgungsspannung UB erreicht hat, eine zusätzliche Sperre, z. B. über ein Zeitglied, verwendet werden. Ebenso muß eine solche zusätzliche Sperre vorgesehen werden, wenn die Spannung UT am Halbleiterschalter T wieder unter den Wert der Versorgungsspannung UB fällt, um den o. g. Vorteil des Schaltens bei einem Spannungswert von nahezu Null zu erreichen. Der Nachteil eines solchen auf einfache Weise zu realisierenden Zeitgliedes ist jedoch, daß die Abschaltschwelle des Primärstromes beeinflußt wird. Wenn mehrere Primärstromkreise vorhanden sind, ist ferner nachteilig, daß dann die Erfassung der an den Halbleiterschaltern T erzeugten Spannungen UT mindestens einmal je Primärstromkreis erfolgen muß, auch wenn die Auswertung der Primärströme nur einmal für die gesamte Zündanlage erfolgt.One of the known measures consists in evaluating the voltage U T present at the semiconductor switch T. According to FIG. 1, this is done by connecting point A of semiconductor switch T with the primary winding of ignition coil Tr to control and regulating
Eine andere bekannte Lösung setzt eine monostabile Kippstufe (Mono-Flop) ein, um das Wiedereinschalten des Halbleiterschalters T für eine definierte Zeitdauer zu verhindern. Diese Lösung mit einer definierten Zeitverzögerung hat den Nachteil, daß die zu wählende Zeitverzögerung zum einen eine Funktion des gewählten Primärstromes ist und zum anderen auch davon abhängt, ob auf der Sekundärseite der Zündspule der Durchbruch der Funkenstrecke bereits erfolgt ist oder nicht. Letztlich gehen auch die Toleranzen aller zeitbestimmenden Bauelemente in die zu wählende Zeitverzögerung ein. Daher kann mit dieser Lösung nicht in allen Fällen ein sicherer Betrieb der Endstufe sichergestellt werden.Another known solution uses a monostable multivibrator to prevent the semiconductor switch T from being switched on again for a defined period of time. This solution with a defined time delay has the disadvantage that the time delay to be selected is a function of the selected primary current and also depends on whether the spark gap has already broken through on the secondary side of the ignition coil or not. Ultimately, the tolerances of all time-determining components are also included in the time delay to be selected. Therefore, safe operation of the power stage cannot be ensured in all cases with this solution.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wechselstrom-Zündanlage der eingangs genannten Art anzugeben, die eine einfache Schaltung zur Steuerung des Halbleiterschalters aufweist und mit der ein sicherer Betrieb der Zündanlage sichergestellt ist.The object of the present invention is to provide an AC ignition system of the type mentioned at the outset, which has a simple circuit for controlling the semiconductor switch and with which a safe operation of the ignition system is ensured.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, wonach der Stromfluß durch die Diode als Steuersignal für den Halbleiterschalter verwendet wird. Somit dient der beginnende Stromfluß durch die Energierückgewinnungsdiode als Triggersignal für das Wiedereinschalten des Halbleiterschalters. In vorteilhafter Weise liegen zu diesem Zeitpunkt nur kleine Spannungen am Halbleiterschalter an, wodurch das Einschalten ohne elektrische Verluste erfolgen kann. Der Strom wird dann im Nulldurchgang der von dem Kondensator und der Primärspule erzeugten Schwingungen vom Halbleiterschalter übernommen. Vorzugsweise wird der Stromfluß durch die Energierückgewinnungsdiode durch einen in Reihe zu dieser Diode geschalteten niederohmigen Widerstand detektiert.This object is achieved by the characterizing features of
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wechselstrom-Zündanlage kann der Schwingkreiskondensator - wie es aus der o. g. DE-OS 39 28 726 bekannt ist - parallel zum Halbleiterschalter angeordnet werden.In one embodiment of the AC ignition system according to the invention, the resonant circuit capacitor - as is known from the above-mentioned DE-OS 39 28 726 - can be arranged parallel to the semiconductor switch.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich dann, wenn der Schwingkreiskondensator parallel zur Primärspule der Zündspule geschaltet wird. Die Spannungsbelastung des Kondensators wird dadurch um ca. 20 % vermindert, so daß dann ein kostengünstigeres Bauelement einsetzbar ist.A particularly advantageous embodiment is obtained when the resonant circuit capacitor is connected in parallel to the primary coil of the ignition coil. The voltage load on the capacitor is thereby reduced by approximately 20%, so that a more cost-effective component can then be used.
In der Regel weist eine Wechselstrom-Zündanlage mehrere Zündendstufen auf, wobei alle Zündendstufen jeweils eine Energierückgewinnungsdiode enthalten. Bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung sind die Dioden unter Bildung einer Wired-Or-Schaltung verbunden, um deren Diodenströme auf einen einzigen Widerstand führen zu können, dessen Spannungsabfall dann als Triggersignal zum Wiedereinschalten der Halbleiterschalter dient. In vorteilhafter Weise wird dadurch die Auswertung des Diodenstromes nur einmal für die gesamte Anlage und nicht für jeden einzelnen Kanal durchgeführt.As a rule, an alternating current ignition system has a plurality of ignition output stages, all ignition output stages each containing an energy recovery diode. In such an embodiment of the invention, the diodes are connected to form a wired-or circuit in order to be able to lead their diode currents to a single resistor, the voltage drop of which then serves as a trigger signal for switching the semiconductor switch on again. In this way, the evaluation of the diode current is advantageously carried out only once for the entire system and not for each individual channel.
Weiterhin ist bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Klemmschaltung zur Begrenzung der an dem Halbleiterschalter anliegenden Spannung vorgesehen, die aus einem Spannungsteiler und einem diesem nachgeschalteten Komparator aufgebaut ist. Dabei ist der Spannungsteiler direkt an den den Halbleiterschalter mit der Primärspule verbindenden Schaltungsknoten angeschlossen; der Ausgang des Komparators dagegen steuert direkt die Steuerelektrode des Halbleiterschalters. Mit einer solchen Klemmschaltung können Überschreitungen der maximal zulässigen Spannungen an dem Halbleiterschalter, der Energierückgewinnungsdiode und des Schwingkreiskondensators sicher verhindert werden. Denn ohne eine solche Klemmschaltung müßten zum Ausgleich von Toleranzen entsprechend hohe Sicherheitsabstände von den maximal zulässigen Werten eingehalten werden, mit einer negativen Kostenfolge bezüglich der verwendeten Bauelemente. Die Klemmschaltung bewirkt, daß die Spannung UT am Halbleiterschalter auf einen Wert begrenzt wird, der nur wenig geringer als der maximal zulässige Wert ist. Dadurch können die verwendeten Bauelemente bis nahe an ihre Belastungsgrenze ausgenutzt werden.Furthermore, in a further preferred development of the invention, a clamping circuit is provided for limiting the voltage applied to the semiconductor switch, which is constructed from a voltage divider and a comparator connected downstream of it. The voltage divider is connected directly to the circuit node connecting the semiconductor switch to the primary coil; the output of the comparator, on the other hand, directly controls the control electrode of the semiconductor switch. Such a clamping circuit can reliably prevent the maximum permissible voltages at the semiconductor switch, the energy recovery diode and the resonant circuit capacitor from being exceeded. Because without such a clamping circuit, correspondingly high safety distances from the maximum permissible values would have to be maintained to compensate for tolerances, with a negative cost consequence with regard to the components used. The clamping circuit has the effect that the voltage U T at the semiconductor switch is limited to a value which is only slightly less than the maximum permissible value. As a result, the components used can be used close to their load limit.
Ferner bietet eine solche Klemmschaltung gegenüber der üblichen Verwendung von Zener-Dioden den Vorteil, daß bei einer Realisierung der Schaltung in integrierter Schaltungstechnik wenig Chipfläche verbraucht wird, da bei den hohen, bei der Wechselstrom-Zündung auftretenden Spannungen im kV-Bereich sehr viele Zener-Dioden erforderlich wären, so daß dies zu einem hohen Chipflächenverbrauch führen würde.Furthermore, such a clamp circuit has the advantage over the usual use of Zener diodes that little chip area is consumed when the circuit is implemented in integrated circuit technology, since a large number of Zener voltages occur in the kV range in the case of the high voltages which occur during AC ignition. Diodes would be required, so that this would lead to a high chip area consumption.
Bei Zündanlagen ist es bekannt, als Halbleiterschalter Bipolartransistoren, Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren oder IGBT-Transistoren (Isolated-Gate-Bipolar-Transistor) einzusetzen. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch mit einem MOS-Controlled-Thyristor (MCT) als Halbleiterschalter erzielt. Mit solchen MCT-Thyristoren vereinigen sich die vorteilhaften Eigenschaften der Thyristoren, wie hohe Spannungsfestigkeit, geringe Durchlaßverluste und große spezifische Stromtragfähigkeit mit der Eigenschaft der Abschaltbarkeit der bisher verwendeten Leistungshalbleiter.In ignition systems, it is known to use bipolar transistors, power MOS field-effect transistors or IGBT transistors (isolated gate bipolar transistors) as semiconductor switches. An advantageous embodiment of the invention is also achieved with a MOS-controlled thyristor (MCT) as a semiconductor switch. With such MCT thyristors, the advantageous properties of the thyristors, such as high dielectric strength, low forward losses and high specific current carrying capacity, are combined with the ability to switch off the power semiconductors previously used.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:
Figur 2- ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wechselstrom-Zündung,
Figur 3- ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wechselstrom-Zündung mit einem MCT-Thyristor als Halbleiterschalter,
- Figur 4
- ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wechselstrom-Zündung mit vier Zündendstufen,
- Figur 5
- ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Wechselstrom-Zündung mit einer Klemmschaltung und
- Figur 6
- ein detailliertes Schaltbild einer Klemmschaltung gemäß Figur 5.
- Figure 2
- 2 shows a circuit diagram of a first embodiment of the alternating current ignition according to the invention,
- Figure 3
- 1 shows a circuit diagram of a further embodiment of the AC ignition according to the invention with an MCT thyristor as a semiconductor switch,
- Figure 4
- 2 shows a circuit diagram of a further embodiment of the AC ignition according to the invention with four ignition output stages,
- Figure 5
- a circuit diagram of an embodiment of the AC ignition according to the invention with a clamping circuit and
- Figure 6
- 5 shows a detailed circuit diagram of a clamping circuit according to FIG. 5.
Das Schaltbild einer Wechselstrom-Zündanlage nach Figur 2 zeigt gegenüber demjenigen nach Figur 1 einen in Reihe zur Energierückgewinnungsdiode D geschalteten Widerstand R2. Der Strom durch diese Diode D beginnt in der negativen Halbwelle der von dem Kondensator C und der Primärspule der Zündspule Tr erzeugten Spannungsschwingung zu fließen. Der dann an diesem Widerstand R2 entstehende Spannungsabfall wird der Steuer- und Regelschaltung 1 zugeführt, so daß dieses Spannungssignal als Triggersignal zum Wiedereinschalten des Halbleiterschalters T dienen kann. Da zu diesem Zeitpunkt nur kleine Spannungen an dem Halbleiterschalter T anliegen, kann das Einschalten ohne elektrische Verluste erfolgen. Der Strom wird dann beim Nulldurchgang der Schwingung vom Halbleiterschalter T übernommen. Der Wert des Widerstandes R2 wird niederohmig bemessen, so daß die an ihm abfallende Spannung ausreicht, einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen Bipolartransistor anzusteuern. Gegenüber der Schaltung nach Figur 1 kann somit die Leitung zwischen dem den Halbleiterschalter T mit der Primärspule verbindenden Schaltungsknoten und der Steuer- und Regelschaltung 1 entfallen.The circuit diagram of an alternating current ignition system according to FIG. 2 shows, compared to that according to FIG. 1, a resistor R2 connected in series with the energy recovery diode D. The current through this diode D begins to flow in the negative half-wave of the voltage oscillation generated by the capacitor C and the primary coil of the ignition coil Tr. The voltage drop which then arises at this resistor R2 is fed to the control and regulating
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 unterscheidet sich von demjenigen nach Figur 2 einmal dadurch, daß der Schwingkreiskondensator C parallel zur Primärspule der Zündspule Tr geschaltet ist und ferner, daß als Halbleiterschalter T ein MOS-Controlled-Thyristor (MCT) verwendet wird. Ein solcher MCT-Thyristor vereinigt die vorteilhaften Eigenschaften der Thyristoren, wie hohe Spannungsfestigkeit, geringe Durchlaßverluste und große spezifische Stromtragfähigkeit mit der Eigenschaft der Abschaltbarkeit der bisher verwendeten Leistungshalbleiter, wie beispielsweise Bipolartransistoren, Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren oder IGBT-Transistoren.The exemplary embodiment according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 2 in that the resonant circuit capacitor C is connected in parallel with the primary coil of the ignition coil Tr and also in that a MOS-controlled thyristor (MCT) is used as the semiconductor switch T. Such an MCT thyristor combines the advantageous properties of the thyristors, such as high dielectric strength, low forward losses and high specific current carrying capacity, with the ability to switch off the power semiconductors used to date, such as bipolar transistors, power MOS field-effect transistors or IGBT transistors.
Der Vorteil, der mit der Parallelschaltung des Schwingkreiskondensators C zur Primärspule erreicht wird, besteht darin, daß die Spannungsbelastung dieses Kondensators um ca. 20 % vermindert wird, so daß ein kostengünstigeres Bauteil einsetzbar ist.The advantage that is achieved with the parallel connection of the resonant circuit capacitor C to the primary coil is that the voltage load on this capacitor is reduced by approximately 20%, so that a less expensive component can be used.
Bei den Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 wird nach wie vor der Spannungsabfall über dem Widerstand R1 der Steuer- und Regelschaltung 1 zugeführt, um den Istwert des Primärspulenstromes zu detektieren.In the circuits according to FIGS. 2 and 3, the voltage drop across the resistor R1 is still fed to the control and regulating
Die Schaltung nach Figur 4 zeigt eine Wechselstrom-Zündanlage mit vier Zündendstufen Z1 bis Z4. Jede dieser Zündendstufen enthält eine Zündspule Tr1 bis Tr4, jeweils einen parallel zur Primärspule geschalteten Schwingkreiskondensator C1 bis C4, einen jeweils in Reihe zur Primärspule geschalteten Halbleiterschalter T1 bis T4 und jeweils eine parallel zum Halbleiterschalter geschaltete Rückgewinnungsdiode D1 bis D4.The circuit according to FIG. 4 shows an AC ignition system with four ignition output stages Z1 to Z4. Each of these ignition output stages contains an ignition coil Tr1 to Tr4, in each case a resonant circuit capacitor C1 to C4 connected in parallel to the primary coil, a semiconductor switch T1 to T4 each connected in series with the primary coil and a recovery diode D1 to D4 connected in parallel to the semiconductor switch.
Diese Dioden D1 bis D4 sind jeweils mit ihrer Kathode an den den Halbleiterschalter mit der Primärspule verbindenden Schaltungsknoten angeschlossen, wobei deren Anoden auf einen einzigen Widerstand R2 geführt sind, der seinerseits auf Bezugspotential liegt. Durch diese mit den Dioden D1 bis D4 realisierte Wired-Or-Schaltung braucht die Auswertung des Diodenstromes nur einmal für die gesamte Wechselstrom-Zündanlage und nicht für jeden Kanal einzeln durchgeführt werden.These diodes D1 to D4 are each connected with their cathode to the circuit node connecting the semiconductor switch to the primary coil, the anodes of which are led to a single resistor R2, which in turn is at reference potential. Through this wired-or circuit realized with the diodes D1 to D4, the evaluation of the diode current only needs to be carried out once for the entire AC ignition system and not for each channel individually.
Eine entsprechende Wired-Or-Schaltung ist auch für die Source-Elektroden der Halbleiterschalter T1 bis T4 mittels eines einzigen Widerstandes R1 realisiert, dessen Spannungsabfall zur Bestimmung des Istwertes des Primärspulenstromes für alle Zündendstufen Z1 bis Z4 dient.A corresponding wired-or circuit is also implemented for the source electrodes of the semiconductor switches T1 to T4 by means of a single resistor R1, the voltage drop of which serves to determine the actual value of the primary coil current for all ignition output stages Z1 to Z4.
Die Schwingkreiskondensatoren C1 bis C4 können anstatt in Parallelschaltung zu den Primärspulen auch parallel zu den Halbleiterschaltern T1 bis T4 entsprechend den Bezugszeichen C1' bis C4' geschaltet werden.The resonant circuit capacitors C1 to C4 can also be connected in parallel to the semiconductor switches T1 to T4 in accordance with the reference symbols C1 'to C4' instead of in parallel with the primary coils.
Die Figur 5 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine Wechselstrom-Zündanlage gemäß der Figur 2 mit einer parallel zum Halbleiterschalter T angeordneten Schwingkreiskapazität C', die gemäß Figur 3 auch parallel zur Primärspule angeordnet werden kann (siehe Bezugszeichen C). Gegenüber den Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 enthält diese Figur 5 eine Klemmschaltung 2 zur Spannungsbegrenzung an dem Halbleiterschalter T. Diese Klemmschaltung 2 verhindert ein Überschreiten der maximal zulässigen Spannung an dem Halbleiterschalter T der Diode D und des Schwingkreiskondensators C bzw. C'. Ohne eine solche Klemmschaltung müßten zum Ausgleich von Toleranzen entsprechend hohe Sicherheitsabstände von den maximal zulässigen Werten eingehalten werden.FIG. 5 shows a circuit arrangement for an AC ignition system according to FIG. 2 with an oscillating circuit capacitance C 'arranged parallel to the semiconductor switch T, which can also be arranged parallel to the primary coil according to FIG. 3 (see reference symbol C). Compared to the circuits according to FIGS. 2 and 3, this FIG. 5 contains a
Dabei wären maßgebliche Toleranzen, wie die Kapazitätstoleranzen des Schwingkreiskondensators C bzw. C', die Induktivitätstoleranzen der Zündspule Tr, die Toleranzen in der Stromregelung und die Toleranzen der Lastbedingungen auf der Sekundärseite der Zündspule Tr zu beachten. Die Berücksichtigung all dieser Toleranzen würde zu sehr hohen Sicherheitsabständen und damit zu entsprechend hohen Kosten führen. Die Klemmschaltung 2 bewirkt also, daß beispielsweise die an dem Halbleiterschalter T erzeugte Spannung UT auf einen Wert begrenzt wird, der nur wenig geringer als der maximal zulässige Wert ist. Somit können die teuren Bauelemente, also der Halbleiterschalter T, der Schwingkreiskondensator C bzw. C' sowie die Energierückgewinnungsdiode D nahe bis an ihre Belastungsgrenzen ausgenutzt werden.Relevant tolerances, such as the capacitance tolerances of the resonant circuit capacitor C or C ', the inductance tolerances of the ignition coil Tr, the tolerances in the current control and the tolerances of the load conditions on the secondary side of the ignition coil Tr would have to be observed. Taking all of these tolerances into account would lead to very high safety margins and thus correspondingly high costs. Thus, the
Die in der Figur 5 dargestellte Klemmschaltung 2 ist mit einem Spannungsteiler R4/R5 und einem diesem nachgeschalteten Komparator K aufgebaut. Der Spannungsteiler R4/R5 ist an den Verbindungspunkt A, der den Halbleiterschalter T mit der Primärspule verbindet, angeschlossen, wogegen der Ausgang des Komparators K einerseits direkt auf die Steuerelektrode des Halbleiterschalters T und andererseits über einen Widerstand R6 mit dem Ausgang der Steuer- und Regelschaltung 1 verbunden ist. Eine genaue und temperaturstabile Referenzspannungsquelle Uref dient als Vergleichsnormal für die Begrenzung der an dem Halbleiterschalter T erzeugten Spannung UT, indem sie dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators K zugeführt wird. An dem invertierenden Eingang des Komparators K liegt der Abgriff des Spannungsteilers R4/R5 an. Die an dem Halbleiterschalter T erzeugte Spannung UT wird durch diesen Spannungsteiler R4/R5 heruntergeteilt und durch die Komparatorschaltung K mit der Referenzspannung Uref verglichen. Der Ausgang des Komparators K steuert den Halbleiterschalter T an, wodurch eine hohe Genauigkeit und Langzeitkonstanz der Begrenzungsspannung erreicht wird.The
Eine schaltungstechnische Ausführung der Klemmschaltung nach Figur 5 zeigt die Figur 6, wo der Komparator K mit einem npn-Transistor T5 und einem pnp-Transistor T6 aufgebaut ist. Die Basis-Elektrode des Transistors T5 ist mit dem Spannungsteiler R4/R5 verbunden, während dessen Emitter-Elektrode über einen Widerstand R7 an der Referenzspannungsquelle Uref anliegt und dessen Kollektor-Elektrode auf die Basis-Elektrode des Transistors T6 geführt ist. Ferner ist die Basis-Elektrode des Transistors T6 einerseits über einen Widerstand R8 mit dem Bezugspotential und andererseits über einen Widerstand R9 mit der Emitter-Elektrode des Transistors T6 verbunden. Ferner ist die genannte Emitter-Elektrode des Transistors T6 an die Batteriespannung UBat angeschlossen. Die Kollektor-Elektrode des Transistors T6 bildet den Ausgang des Komparators. Wenn die Basisspannung des Transistors T5 auf einen Wert ansteigt, der größer ist als die Summe von dessen Basis-Emitterspannung und der Referenzspannung Uref, wird dieser Transistor T5 leitend. Somit kann der Kollektorstrom des Transistors T5 den Transistor T6 ansteuern, der diesen Strom verstärkt und damit den Halbleiterschalter T ansteuert. Die Widerstandsbeschaltung mit den Widerständen R7 bis R9 ist so ausgelegt, daß ein schnelles Ansprechen ohne Über- und Unterschwingungen erreicht wird.A circuit design of the clamp circuit according to FIG. 5 is shown in FIG. 6, where the comparator K is constructed with an npn transistor T5 and a pnp transistor T6. The base electrode of the transistor T5 is connected to the voltage divider R4 / R5, while its emitter electrode is connected to the reference voltage source U ref via a resistor R7 and its collector electrode is led to the base electrode of the transistor T6. Furthermore, the base electrode of transistor T6 is connected on the one hand to the reference potential via a resistor R8 and on the other hand to the emitter electrode of transistor T6 via a resistor R9. Furthermore, the emitter electrode of the transistor T6 is connected to the battery voltage U Bat . The collector electrode of transistor T6 forms the output of the comparator. If the base voltage of the transistor T5 rises to a value which is greater than the sum of its base-emitter voltage and the reference voltage U ref , this transistor T5 becomes conductive. Thus, the collector current of the transistor T5 can drive the transistor T6, which amplifies this current and thus drives the semiconductor switch T. The resistor circuit with the resistors R7 to R9 is designed so that a quick response without over- and undershoots is achieved.
Wird diese Klemmschaltung 2 nach Figur 6 als integrierte Schaltung ausgeführt, bietet sie gegenüber der üblichen Verwendung von Zener-Dioden den Vorteil eines geringen Chipflächenverbrauchs. Denn bei der Verwendung von Zener-Dioden wären aufgrund der bei der Wechselstrom-Zündung auftretenden hohen Spannungen im kV-Bereich sehr viele Zener-Dioden erforderlich. Eine entsprechende Realisierung in integrierter Schaltungstechnik mit diesen Zener-Dioden würde einen hohen Chipflächenbedarf erfordern.If this
Auch bei den Wechselstrom-Zündanlagen gemäß den Figuren 4 und 5 kann für den Halbleiterschalter T ebenfalls ein MCT-Thyristor vorgesehen werden.An MCT thyristor can also be provided for the semiconductor switch T in the AC ignition systems according to FIGS. 4 and 5.
Ferner kann bei einer Zündanlage nach Figur A für alle Zündendstufen Z1 bis Z4 jeweils eine Klemmschaltung 2 gemäß Figur 5 oder Figur 6 vorgesehen werden.Furthermore, in an ignition system according to FIG. A, a
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