JP2005504499A - 変換器回路 - Google Patents

Abstract

変換器回路は、ストレージインダクタンス（８）を有しており、ストレージインダクタンス（８）には、１次ストレージキャパシタンス（３）が前側に接続されており、２次ストレージキャパシタンス（４）、特にピエゾアクチュエータが後ろ側に接続されている。１次スイッチング素子（１２）と２次スイッチング素子（１４）との作動によって、エネルギが１次ストレージキャパシタンス（３）から２次ストレージキャパシタンス（４）に伝送されて、回復される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストレージインダクタンスを有する変換器回路であって、ストレージインダクタンスの一端は基準電位と接続されていて、反対側の端は、入力側が電源端子に接続されていて、出力側が２次ストレージキャパシタンスに接続されており、２次ストレージキャパシタンスの出力側は基準電位に接続されている変換器回路に関する。
【０００２】
燃料節約型エンジンの差し迫った需要により、昨今、リーンバーン（燃料希薄燃焼）方式の燃料直接噴射式火花点火エンジンが開発されている。つまり、このエンジンでは、従来のλ＝１に制御される吸気管内に燃料を直接噴射するエンジンに較べて、１５％もの平均燃料節約を期待することができるからである。部分負荷の下で、燃焼室内で層状給気が行われる。つまり、燃焼室が２つのゾーンに分割されており、つまり、第１のゾーンは、点火プラグ近傍内で燃焼性の燃料空気混合気で満たされており、第２のゾーンは、空気および残留ガスで満たされており、この第２のゾーンは、第１のゾーンを囲み、燃焼室の壁に対して熱的に絶縁されている。層状給気により、エンジンの過給期間中、燃料噴射時点を極端に遅速することができ、典型的には０．５ｍｓの極端に短い燃料噴射時間にすることができる。エンジン負荷が大きくなると、均一運転に移行する。その際、給気期間中既に、つまり、非常に早機に燃料が噴射されて、空気および燃料を十分に混合させることができる。
【０００３】
特に有利には、燃料噴射弁の操作のために、ピエゾアクチュエータまたは多層技術で製造された他の電気ひずみアクチュエータを利用してもよい。つまり、このようなアクチュエータは、ほぼ遅延なしに応動するからである。このピエゾアクチュエータまたは多層技術で製造された電気ひずみアクチュエータは、外部電圧印加時に長手方向に膨張する金属製の積層体を有している。
【０００４】
回路技術上、ピエゾアクチュエータは、外部印加電圧によって蓄電されるキャパシタンスを示す。その際、エネルギはピエゾアクチュエータ内に蓄積される。ピエゾアクチュエータは、燃料噴射用途の場合、典型的には１０〜５００Ｈｚの周波数で蓄電および放電されるので、ピエゾアクチュエータ内に蓄積されたエネルギが、ピエゾアクチュエータの放電時に回復される点は注目される。従って、ピエゾアクチュエータを出来る限り損失なしに作動することができるような回路が必要である。このことは、電気ひずみアクチュエータにも当然当てはまる。
【０００５】
Ｔｉｅｔｚｅ，Ｓｃｈｅｎｋ，”Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒ−Ｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ，９．Ａｕｆｌａｇｅ，５６３ページ”から、一端がアースに接続されたストレージインダクタンスを有する反転変換器が公知である。反対側の端で、ストレージインダクタンスはスイッチと接続されており、このスイッチは、ストレージインダクタンスの反対側の端を交互に入力側および出力側と接続する。出力側には、切換スイッチおよびストレージインダクタンスに対して並列に平滑コンデンサが接続されている。ストレージインダクタンスが、切換スイッチを介して電流源に接続された入力側と接続されている場合、切換スイッチが出力側に切り換えられている場合に、方向も維持するコイル電流がストレージインダクタンスを流れる。更にコイル電流が流れることによって、平滑コンデンサは、正の入力電圧の場合に負の電圧値に蓄電される。
【０００６】
平滑コンデンサまたは負荷に蓄積されたエネルギを電流源に帰還することは、公知の回路ではできない。
【０００７】
このような従来技術に基づいて、本発明の課題は、２次ストレージキャパシタンス内に蓄積されたエネルギを、少なくとも部分的に回復することができる変換器回路を提供することにある。
【０００８】
この課題は、本発明によると、ストレージインダクタンスの入力側には、１次ストレージキャパシタンスが直列接続されており、１次ストレージキャパシタンスの入力側は、１次スイッチング素子を介して基準電位と接続可能であり、２次ストレージキャパシタンスは、２次スイッチング素子と接続されていることにより解決される。
【０００９】
本発明によると、入力側に付加的な１次ストレージキャパシタンスが設けられている。この１次ストレージキャパシタンスでは、２次ストレージキャパシタンス内に蓄積されたエネルギが、少なくとも部分的に戻される。殊に、２次スイッチング素子が短時間閉じられることによって、ストレージインダクタンスおよび２次ストレージキャパシタンスを流れる電流を形成することができ、それに続いて、２次スイッチング素子を短時間開いて更に通電し、そうすることによって、１次ストレージキャパシタンスを蓄電することができる。そうすることによって、２次ストレージキャパシタンス内に蓄電されたエネルギを、１次ストレージキャパシタンスに少なくとも部分的に戻すことができる。
【００１０】
更に、本発明の変換回路は、ストレージインダクタンス用に単に簡単なコイルしか必要としないという利点を有している。殊に、本発明の変換回路用に、リングコアトランスは必要ない。従って、本発明の変換器回路では、漂遊磁界によるエネルギ損失も生じない。更に、漂遊磁界によって生じる電圧ピーク値を阻止するためのフィルタ回路を設ける必要もない。その種のフィルタ回路の作動のためには、エネルギが必要であるので、簡単なコイルを用いると、２重の観点で効率に良好に作用する。
【００１１】
本発明の有利な実施例では、１次スイッチング素子が、電源端子に印加された給電電圧に対して遮断方向に極性付けられたダイオード素子で橋絡され、２次スイッチング素子が、電源端子に印加された給電電圧に対して流れ方向に極性付けられたダイオードで橋絡されている。
【００１２】
１次および２次スイッチング素子を橋絡するダイオード素子に基づいて、１次および２次スイッチング素子のスイッチング特性は同期しないようにする必要がある。殊に、２次ストレージキャパシタンスの電圧を、１次スイッチング素子の単純な作動によって高くし、２次スイッチング素子の作動によって低下することができる。
【００１３】
有利な実施例では、ストレージインダクタンスに空心コイルが使用される。かさばるフェライトコアまたは高架なナノ結晶磁性材料を使わないので、コストを節約して、変換器回路全体を小さく、且つ、軽量に構成することができる。
【００１４】
別の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。
【００１５】
以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際：
図１は、本発明の変換器回路の第１の実施例を示す図、
図２は、本発明の変換器回路の第２の実施例を示す図、
図３は、１次および２次スイッチング素子に供給される制御信号および２次ストレージキャパシタンスに印加される電圧を示す図、
図４は、２次ストレージキャパシタンスに印加される、正弦波経過特性の電圧の測定値を示す図
を示す。
【００１６】
図１の変換回路は、電源端子１を有しており、電源端子の後ろ側には、フィルタコイル２が接続されている。フィルタコイル（リアクタンス）２の、電源端子１と反対側の端には、１次ストレージキャパシタンス３、例えば、コンデンサと、２次ストレージキャパシタンス４、例えば、ピエゾアクチュエータが接続されている。このピエゾアクチュエータは、各電極５間に埋め込まれた各ピエゾ電気材料６の積層を有しており、このピエゾ電気材料６の拡がりは、外部電圧の印加時に変化する。簡単にするために、図には、所属の各電極５を有する圧電材料の単一の層しか示されていない。
【００１７】
線路７には、１次キャパシタンス３と２次キャパシタンス４との間に、ストレージインダクタンス８が接続されており、ストレージインダクタンス８は、線路７とは反対側の端がアース９に接続されている。フィルタコイル２を１次ストレージキャパシタンス３と接続する線路１０から、線路１１が分岐しており、線路１１は、１次スイッチング素子１２に接続されている。１次スイッチング素子１２は、線路１０とは反対側の端が同様にアース９と接続されている。更に、１次スイッチング素子１２は、給電電圧ＵＤＤが印加された電源端子１に、遮断方向に極性付けられたダイオード１３で橋絡されている。２次ストレージキャパシタンス４と直列に、２次スイッチング素子１４が設けられており、この２次スイッチング素子１４は、同様にアース９と接続されていて、ダイオード１５で橋絡されている。この場合、ダイオード１５は、低給電電圧ＵＤＤ印加時には、電源端子１に順方向に極性付けられる。
【００１８】
以下、回路の機能について、詳細に説明する。
【００１９】
給電電圧ＵＤＤが電源端子１に接続されていて、１次スイッチング素子が開かれている場合、先ず、１次ストレージキャパシタンス３が、線路１０および１１間のノード点１６が電位ＵＤＤになる迄蓄電される。線路７と、ストレージインダクタンス８に接続された線路１８との間のノード点１７は、線路１０および１１間のノード点１６が電位ＵＤＤになる時点で、アース電位になる。
【００２０】
１次スイッチング素子１２が閉じられると、ノード点１６は、アース電位となる。そうすることによって、ノード点１７は、電位−ＵＤＤに変化し、その結果、ストレージインダクタンス８によって、電流ＩＬが、ストレージインダクタンス８、１次ストレージキャパシタンス３および１次スイッチング素子１２を介して流れる。１次スイッチング素子１２が開かれた後、ストレージインダクタンス８は、電流Ｉ_Ｌを維持し、それにより、２次ストレージキャパシタンス４が蓄電される。その際、電流ＩＬ_Ｌは、２次ストレージキャパシタンス４とダイオード１５とを介して流れる。２次ストレージキャパシタンスは、蓄電され、その際、各電極５のアース側の電極は、アース電位の下側の負の電位になる。従って、２次ストレージキャパシタンス４が放電するのが阻止される。
【００２１】
２次ストレージキャパシタンス１４の放電のために、２次スイッチング素子１４が閉じられ、その結果、２次スイッチング素子１４、２次ストレージキャパシタンス４およびストレージインダクタンス８を介して電流Ｉ_Ｒが流れる。２次スイッチング素子１４が開かれた後、ストレージインダクタンス８は、電流Ｉ_Ｒを維持し、そうすることによって、１次ストレージキャパシタンス３が蓄電される。その際、電流が１次ストレージキャパシタンス３と１次ダイオード１３とを介して流れる。２次ストレージキャパシタンス４内に蓄積された電荷が、このようにして、少なくとも部分的に１次ストレージキャパシタンスに戻される。従って、２次ストレージキャパシタンス４内に蓄積されたエネルギは、完全には失われず、１次ストレージキャパシタンス３内に戻されて蓄積される。
【００２２】
１次ダイオード１３および２次ダイオード１５は、回路の機能にとって必ずしも必須ではない。１次スイッチング素子１２および２次スイッチング素子１４を電流が流れる必要があって、且つ、アースとの接続が遮断される必要がある場合に、１次スイッチング素子１２および２次スイッチング素子１４を、適切な制御によって閉じるようにすることも基本的に考え得る。しかし、著しい回路コストがかかることになり、その結果、それに対して、図１に示された変換器回路は、著しく簡単な解決手段を示す。
【００２３】
１次スイッチング素子１２および２次スイッチング素子１４に、機械的なスイッチを使う必要がないことは当然のことである。図１に示された実施例では、例えば、１次スイッチング素子１２に、ｎｐｎバイポーラトランジスタまたはｎチャネル電界効果トランジスタを使うとよい。図１に示された実施例での２次スイッチング素子１４の場合、２次スイッチング素子に、ｐｎｐバイポーラトランジスタまたはｐチャネル電界効果トランジスタを使ってもよい。
【００２４】
バイポーラトランジスタおよび電界効果トランジスタの代わりに、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使ってもよい。
【００２５】
ストレージインダクタンス８およびフィルタコイル２に、有利には、空心コイルが使われ、その際、フィルタコイル２のインダクタンスは、ストレージインダクタンス８のインダクタンスよりも大きくて、ノイズパルスが網内に蓄積されるのを阻止することができる。ストレージインダクタンス８およびフィルタコイル２用に空心コイルを用いると、変換器回路をコンパクトに、且つ、コストを節約して構成することができるという利点がある。つまり、嵩張る、または、高価なマグネットコアを用いずに済むからである。
【００２６】
図１に示されている変換器回路は、アップコンバータとして利用してもダウンコンバータとして利用してもよい。コンバータ回路によって、ストレージインダクタンス８だけを用いて、つまり、変成器を用いずに、給電電圧よりも大きな出力電圧を形成したり、給電電圧よりも小さな出力電圧を形成したりすることができる。実験から、１２Ｖ〜８０Ｖの給電電圧で、０〜４００Ｖの出力電圧を形成することができるようになる。
【００２７】
更に、図１に示された変換器回路では、ストレージインダクタンス８を電流Ｉ_Ｌも電流Ｉ_Ｒも流れる。従って、ストレージインダクタンス８を流れる電流の１つの電流測定装置によって、２次ストレージキャパシタンス４に蓄積される電荷、並びに、２次ストレージキャパシタンス４から放電される電荷を測定することができる。
【００２８】
図２には、変換器回路の別の実施例が示されている。この実施例では、図１に示された実施例に較べて、スイッチング素子１４と所属の２次ダイオード１５との直列接続が取り替えられている。これは、特に、２次ストレージキャパシタンス４が安全上の理由からアース９に接続されているような用途では重要である。そうすることによって、２次ストレージキャパシタンス４として使用されるピエゾアクチュエータのケーシングをアースすることができる。何れにせよ、図２に示された実施例は、図１に示された実施例に較べて、２次スイッチング素子１４のために、所謂ハイサイドスイッチを使わなければならないという欠点を有している。つまり、２次スイッチング素子１４は、電位に依存して振動するからである。
【００２９】
その他の点では、図１に示された実施例が全体的に相応している。
【００３０】
図３は、２次ストレージキャパシタンス４に印加される電圧を曲線１９で示す図である。更に、図３では、１次スイッチング素子１２を操作する制御パルス２０が示されている。更に、図３には、２次スイッチング素子１４を制御するために使われる制御パルス２１が示されている。この制御パルス２０の持続期間に亘って、２次ストレージキャパシタンス４内の電荷が増大し、従って、２次ストレージキャパシタンスの電圧を制御することができる。その際、制御パルス２０および２１の持続期間は、２次ストレージキャパシタンス４の荷電状態と所望の電圧上昇に依存して変化する。同様に、２次スイッチング素子１４の制御パルス２１を用いて、２次スイッチング素子１４の放電を制御することができる。ここでも、制御パルス２１の持続期間は、２次ストレージキャパシタンス１４および所望の電圧降下に依存する。
【００３１】
パルス持続期間が十分に小さく選定されている場合、ほぼ連続的に上昇し、２次ストレージキャパシタンスで降下する電圧が低下する。そのような場合、図４に示されているように、曲線２２が、２次ストレージキャパシタンス４の電圧経過特性を示す。その際、パルスレートは、１００ｋＨｚの領域内となる。
【００３２】
ここで説明している変換器回路を用いると、自動車の搭載電源網の低直流電圧から、２次ストレージキャパシタンス４の所定の電圧経過特性を精確に形成することができる。その際、難なく、ピーク電圧は、数１００Ｖ領域内に達することがある。その際、特に有利には、回路の効率を高くすることもできる。つまり、２次ストレージキャパシタンス４、つまり、ピエゾアクチュエータに蓄積されたエネルギを回復することができるからである。図１および２に示された変換器回路は、変成器を用いなくてよいので、変換器回路に、場合によって漂遊磁場によってリングコアに生じる電圧ピーク値を減衰するフィルタを設けなくてもよい。
【００３３】
既に繰り返し説明したように、変換器回路は、特に圧電構成素子または電気歪構成素子の作動用に適している。これは、燃料直接噴射エンジンまたはピエゾエンジン内のインジェクタバルブの操作用にするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の変換器回路の第１の実施例を示す図
【図２】本発明の変換器回路の第２の実施例を示す図
【図３】１次および２次スイッチング素子に供給される制御信号および２次ストレージキャパシタンスに印加される電圧を示す図
【図４】２次ストレージキャパシタンスに印加される、正弦波経過特性の電圧の測定値を示す図

Claims (13)

1. ストレージインダクタンス（８）を有する変換器回路であって、前記ストレージインダクタンスの一端は基準電位（９）と接続されていて、反対側の端は、入力側が電源端子（１）に接続されていて、出力側が２次ストレージキャパシタンス（４）に接続されており、前記２次ストレージキャパシタンス（４）の出力側は基準電位（９）に接続されている変換器回路において、
   ストレージインダクタンス（８）の入力側には、１次ストレージキャパシタンス（３）が直列接続されており、前記１次ストレージキャパシタンス（３）の入力側は、１次スイッチング素子（１２）を介して基準電位（９）と接続可能であり、
   ２次ストレージキャパシタンス（４）は、２次スイッチング素子（１４）と接続されていることを特徴とする変換器回路。
2. １次スイッチング素子（１２）は、電源端子（１）に印加された給電電圧に対して遮断方向に極性付けられたダイオード素子（１３）で橋絡されている請求項１記載の変換器回路。
3. ２次スイッチング素子（１４）は、電源端子（１）に接続された給電電圧に対して流れ方向に極性付けられたダイオード素子（１５）で橋絡されている請求項１又は２記載の変換器回路。
4. ストレージインダクタンス（８）は、空心コイルである請求項１から３迄の何れか１記載の変換器回路。
5. 電源端子（１）と１次ストレージキャパシタンス（３）との間に、フィルタインダクタンス（２）が接続されている請求項１から４迄の何れか１記載の変換器回路。
6. フィルタインダクタンス（２）は、空心コイルである請求項５記載の変換器回路。
7. フィルタインダクタンス（２）のインダクタンスの値は、ストレージインダクタンス（８）のインダクタンスの値よりも大きい請求項１から６迄の何れか１記載の変換器回路。
8. １次スイッチング素子（１２）は、ｎｐｎバイポーラトランジスタである請求項１から７迄の何れか１記載の変換器回路。
9. ２次スイッチング素子（１４）は、ｐｎｐバイポーラトランジスタである請求項１から８迄の何れか１記載の変換器回路。
10. ２次ストレージキャパシタンス（４）は、電気ひずみ構成素子である請求項１から９迄の何れか１記載の変換器回路。
11. ２次ストレージキャパシタンス（４）は、圧電素子である請求項１から９迄の何れか１記載の変換器回路。
12. 圧電素子（１２）は、内燃機関内のバルブ操作に適したピエゾアクチュエータである請求項１１記載の変換器回路。
13. 圧電素子（１２）は、多層技術で製造されるピエゾアクチュエータ請求項１１又は１２記載の変換器回路。