JP2020129868A - 昇圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧コイルの特性変動に起因してエネルギーの放出が終了したときに、昇圧スイッチを待機状態とすることなく昇圧動作を行えるようにした昇圧装置を提供する。【解決手段】昇圧コイル２に対し、電源電圧ＶＢから昇圧コイル２、昇圧スイッチ３および抵抗４を介して通電する。昇圧コイル２に発生する高電圧ＶＨを、ダイオード５を介してコンデンサ６に充電する。電圧検出回路７は、昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄを検出して制御回路１に入力する。制御回路１は、昇圧スイッチ３にゲート電圧Ｖｇを与える。制御回路１は、昇圧スイッチ３を一定時間オン駆動し、オフ状態ではドレイン電圧Ｖｄが電源電圧ＶＢに近い閾値電圧Ｖｔｈ以下になるとオン駆動する。【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧装置に関する。

昇圧装置は、例えば燃料噴射装置に用いられ、電源電圧を高電圧に昇圧して燃料噴射用のインジェクタに給電する。このような昇圧装置では、昇圧コイルに対して昇圧スイッチであるＭＯＳトランジスタをスイッチング動作させることで昇圧された高電圧をコンデンサに充電するように構成される。この場合、従来では昇圧スイッチのオンオフ制御は、オン時間およびオフ時間を所定時間に設定して行うように構成される。

しかしながら、上記のような従来構成では、次のような不具合が発生している。すなわち、昇圧コイルからコンデンサへの充電過程で、昇圧コイルのエネルギーが完全に放出される期間が温度などの要因により変動的となっている。このため、オフ時間が経過する前に昇圧コイルのエネルギー放出が終了すると、次にオン動作させるまで昇圧動作を行わない無駄な時間が生じてしまうことがあった。

特開２０１７−１３７７７１号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、昇圧コイルの特性変動に起因してエネルギーの放出が終了したときに、昇圧スイッチを待機状態とすることなく昇圧動作を行えるようにした昇圧装置を提供することにある。

請求項１に記載の昇圧装置は、直流電源とグランドとの間に昇圧コイル（２）および昇圧スイッチ（３）の直列回路を接続し、前記昇圧スイッチをオンさせて前記直流電源から前記昇圧コイルに通断電し、ダイオード（５）を介して前記昇圧コイルに発生する誘起電圧をコンデンサ（６）に充電する昇圧装置であって、前記昇圧スイッチと前記昇圧コイルの共通接続点の電圧を検出する電圧検出回路（７）と、前記昇圧スイッチに対して、オン時点から所定のオン時間が経過するとオフ動作させると共に、オフ状態では前記電圧検出回路により検出される電圧に基づいてオン動作させる制御回路（１）とを備える。

上記構成を採用することにより、制御回路により昇圧スイッチがオン動作されると、直流電源から昇圧コイルに通電されてエネルギーが蓄積される。この後、制御回路により所定のオン時間が経過すると昇圧スイッチがオフ動作されると、昇圧コイルに高圧のエネルギーが発生する。これにより、昇圧コイルのエネルギーがダイオードを介してコンデンサに充電される。

このとき、昇圧コイルと昇圧スイッチとの共通接続点の電圧は電圧検出回路により検出されており、昇圧コイルのエネルギーがコンデンサ側に放出されている状態では、検出電圧が高く、エネルギーの放出すなわち充電動作が終了すると検出電圧が低下する。制御回路は、この電圧検出回路により検出される検出電圧の変化に応じて昇圧スイッチをオン動作させる。

これによって、昇圧コイルのエネルギーが放出された状態で昇圧スイッチをオン動作させることができるので、昇圧コイルのインピーダンスが温度変動などの要因によって変動してコンデンサのエネルギー放出が早く終了した場合でも、的確なタイミングで昇圧スイッチをオン動作させることができる。

第１実施形態を示す電気的構成図 昇圧コイルの変動に対する特性変化を示す図 タイムチャート 第２実施形態を示すタイムチャート

（第１実施形態）
以下、本発明を燃料噴射装置の昇圧装置に適用した場合の第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

図１において、昇圧装置は、直流電源としての電源端子ＶＢに供給される車載バッテリの電圧ＶＢを所定の高電圧ＶＨに昇圧して電源端子ＶＨに供給する。制御回路１は、昇圧装置における昇圧動作を制御する。

電源端子ＶＢは、昇圧コイル２、昇圧スイッチ３および抵抗４を直列に介してグランドに接続されている。昇圧スイッチ３は、例えばｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタを用いている。昇圧コイル３と昇圧スイッチ４との共通接続点は、ダイオード５を順方向に介すとともにコンデンサ６を介してグランドに接続される。ダイオード５とコンデンサ６との共通接続点は電源端子ＶＨに接続される。

昇圧スイッチ３のドレイン端子は抵抗７ａおよび７ｂの直列回路からなる電圧検出回路７を介してグランドに接続される。抵抗７ａと７ｂとの共通接続点である検出端子は、制御回路１の入力端子Ａに接続される。昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄは、電圧検出回路７を通じて検出電圧Ｖｄｘとして検出され、制御回路１に取り込まれる。制御回路１の出力端子Ｂは、昇圧スイッチ３のゲートに接続され、ゲート電圧Ｖｇが出力される。
次に、上記構成の作用について図２および図３も参照して説明する。

制御回路１は、昇圧制御の動作として、昇圧スイッチ３のオンオフ制御を実施する。この場合、昇圧スイッチ３がオン動作されると電源端子ＶＢから車載バッテリの電圧が昇圧コイル２に通電される。この後、昇圧スイッチ３がオフされると昇圧コイル２に発生する高圧の誘起電圧でダイオード５を通じてコンデンサ６に充電される。

この場合、制御回路１は、昇圧スイッチ３に対するオン動作を実行する期間Ｔｏｎは、予め設定された固定的時間であるのに対して、オフ動作は次のようにして設定している。すなわち、昇圧動作においては、昇圧コイル２の昇圧特性に応じて発生する誘起電圧やコンデンサ６への充電動作が変動することがあるため、制御回路１は、昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄのレベルを検出してオフタイミングの制御を行う。

まず、昇圧コイル２の特性変動の要因として大きく影響するのは温度変動である。図２は温度変動に対する種々の特性変動について示している。温度変動に対する変動要素として、昇圧コイル２のインダクタンス、昇圧動作によるエネルギー量、コンデンサ６への充電時間などがある。温度が上昇（「小」→「大」）すると、インダクタンス、エネルギー量、充電時間は減少して「小」となる傾向であり、反対に温度が下降（「大」→「小」）すると、インダクタンス、エネルギー量、充電時間は増大して「大」となる傾向である。

このような温度変動に対する特性変動の要素が存在しているので、昇圧スイッチ３を一定時間でオフ期間の設定をすると、すでに１回のオン期間での昇圧コイル２による充電動作が終了しているのにオフ状態が継続することがある。このため、昇圧コイル２からコンデンサ６への充電動作が行われない期間が発生することになって、全体として充電動作に無駄な時間が発生して充電が遅れる結果をもたらす場合がある。

これに対して、本実施形態における制御回路１は、昇圧スイッチ３に対してオフ状態からオン状態への移行のタイミングを、電圧検出回路７からの検出信号Ｖｄｘつまり昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄによって決めている。すなわち、制御回路１は、出力端子Ｂからのゲート電圧Ｖｇを停止して昇圧スイッチ３のオフ状態で、電圧検出回路７から入力端子Ａに入力される検出信号Ｖｄｘから得られるドレイン電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ以下になると、出力端子Ｂから昇圧スイッチ３のゲートにゲート電圧Ｖｇを印加する。

この場合、昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄが、昇圧電圧ＶＨから大幅に下がり、電源電圧ＶＢに近づくことは、昇圧スイッチ３のオン期間Ｔｏｎでのオン動作によって昇圧コイル２からコンデンサ６に充電される誘起電圧が低下して電源電圧ＶＢに近いレベルまで低下してきている状態である。したがって、この状態を検出して昇圧スイッチ３をオン動作させることが最も適切なタイミングとなる。

なお、上記のように昇圧コイル２の電圧低下を昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄにより検出するので、昇圧コイル２によるコンデンサ６への充電動作が停止するドレイン電圧Ｖｄを検出できれば最適となる。昇圧コイル２からコンデンサ６への充電では、コンデンサ６の電圧が低い状態では、電源電圧ＶＢにダイオード５の順方向電圧Ｖｆを加算した電圧である。また、充電が進んで高電圧ＶＨに近い状態ではこれよりも高い電圧となる。

したがって、上記している閾値電圧Ｖｔｈの値は、原理的には昇圧電圧ＶＨ以下に設定すれば良いが、昇圧動作を有効に実施する場合には、高電圧ＶＨよりも低く、電源電圧ＶＢにダイオード５の順方向電圧Ｖｆを加算した電圧よりも高い電圧の範囲で設定することができる。

次に、図３のタイムチャートで、上記の動作について具体的に説明する。昇圧動作を開始する前の時刻ｔ０以前の状態は、昇圧スイッチ３がオフ状態であり、図３（ａ）に示すように、昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄは電源電圧ＶＢとなっている。この状態では、昇圧コイル２およびダイオード５を通じてコンデンサ６には電源電圧ＶＢよりもダイオード順方向電圧Ｖｆだけ低い電圧で充電されている。

次に、時刻ｔ０で、図３（ｂ）に示すように、制御回路１から昇圧スイッチ３のゲートにゲート電圧Ｖｇが印加されると、昇圧スイッチ３がオン駆動される。これにより、昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄはほぼグランドレベルに下がり、電源端子から昇圧コイル２、昇圧スイッチ３および抵抗４を通じて電源電圧ＶＢが印加されて昇圧コイル２に通電される。これにより、昇圧コイル２に電流ＩＬが図３（ｃ）に示すように上昇していく。

制御回路１は、所定のオン時間Ｔｏｎが経過した時刻ｔ１になると、図３（ｂ）に示すように、昇圧スイッチ３へのゲート電圧Ｖｇを停止する。これにより、昇圧コイル２への電源電圧ＶＢの印加は停止し、昇圧コイル３は、誘導電圧が発生して端子電圧つまり昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄが図３（ａ）に示すように、高電圧ＶＨに引き上げられる。これにより、昇圧コイル２からダイオード５を介してコンデンサ６に高電圧ＶＨで充電動作が行われる。

この後、昇圧コイル２による誘起電圧で充電可能なレベルが低下して電源電圧ＶＢ程度になる。制御回路１は、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ２で昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下することを検出電圧Ｖｄｘにより検出し、昇圧スイッチ３にゲート電圧Ｖｇを印加してオン駆動する。

このようにして、制御回路１は、昇圧スイッチ３に対して、オン時間を所定時間Ｔｏｎで駆動し、オフ期間になるとドレイン電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ以下になるタイミングでオン駆動するように制御する。昇圧コイル２の温度特性の変動がない場合には、昇圧スイッチ３のオフ時間もほぼ一定時間Ｔｏｆｆ０となる。

このような制御回路１による制御において、昇圧コイル２の温度特性に起因して、例えば図３（ａ）に示すように、時刻ｔ３からのオフ期間Ｔｏｆｆ１において昇圧コイル２による充電動作の時間が少ない時間でドレイン電圧Ｖｄが低下することがある。この場合には、制御回路１は、図３（ｂ）に示すように、一定時間Ｔｏｆｆ０が経過する前の時刻ｔ４で昇圧スイッチ３のゲート電圧Ｖｇを印加してオン駆動する。

これにより、昇圧コイル２による充電動作が行われない時間を待機状態とすることなく、一定時間Ｔｏｆｆ０が経過する前すなわちＴｏｆｆ１（＜Ｔｏｆｆ０）が経過した時点で昇圧スイッチ３をオン駆動することができ、昇圧コイル２によるコンデンサ６への充電動作を迅速に実施することができる。

一方、上記とは反対に、昇圧コイル２の温度特性に起因して、例えば図３（ａ）に示すように、時刻ｔ５からのオフ期間Ｔｏｆｆ２において昇圧コイル２による充電動作の時間が長い時間でドレイン電圧Ｖｄが低下することがある。この場合には、制御回路１は、図３（ｂ）に示すように、一定時間Ｔｏｆｆ０が経過後の時刻ｔ６で昇圧スイッチ３のゲート電圧Ｖｇを印加してオン駆動する。

なお、上記のようにして高電圧ＶＨの昇圧電源を生成しているが、高電圧ＶＨの電源端子から負荷への給電によってコンデンサ６の充電電荷は適宜消費されていく。このため、コンデンサ６の端子電圧が所定の高電圧ＶＨに達した状態では昇圧動作を停止するが、端子電圧が低下すると昇圧動作を実施する指令が出力され、制御回路１により昇圧動作を実行するように構成されている。

このような第１実施形態では、昇圧スイッチ３のオン期間Ｔｏｎを所定時間とし、オフ期間を一定時間Ｔｏｆｆ０ではなく、昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄを検出して閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下したタイミングで昇圧スイッチ３をオン駆動するようにした。これにより、昇圧コイル２の温度特性に起因して昇圧スイッチ３のオフ期間中にコンデンサ６への充電動作が停止した場合には昇圧スイッチ３をすぐにオン駆動するので、昇圧動作を迅速に行えるようになる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第１実施形態においては、昇圧スイッチ３に対して、オフ状態においてドレイン電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ以下になった時点でオン駆動するようにしたが、オフ時間に制限をつけた構成としている。

すなわち、第１実施形態では、オフ状態で昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ以下になるタイミングを待ってオン駆動していたが、この実施形態では、制御回路１は、オン駆動するまでのオフ期間が、一定時間Ｔｏｆｆ０を超える場合には、これ以上待機することなく、このタイミングで昇圧スイッチ３をオン駆動するように制御する構成である。

第１実施形態と同様に、図４に示すタイムチャートでは、時刻ｔ５まではＴｏｆｆ１が所定時間Ｔｏｆｆ０よりも短い時間であったことで、制御回路１は、時刻ｔ４で昇圧スイッチ３をオン駆動している。この後、制御回路１は、図４（ａ）に示すように、時刻ｔ５で所定時間Ｔｏｎが経過した時点で昇圧スイッチ３をオフすると、続いてドレイン電圧Ｖｄの低下を待つ状態となる。

制御回路１は、ドレイン電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下する時刻ｔ６になる前に、時刻ｔ６ａでオフ期間として設定している所定時間Ｔｏｆｆ０に達した場合には、ドレイン電圧Ｖｄの低下を待つこと無く昇圧スイッチ３をオン駆動する。これにより、昇圧スイッチ３は、ゲートにゲート電圧Ｖｇが印加されてオン駆動される。

上述の場合、時刻ｔ６ａでは、昇圧スイッチ３のドレイン電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下していないため、昇圧コイル２ではまだコンデンサ６への充電動作を行っている状態である。このため、この状態で昇圧スイッチ３がオン駆動されると、昇圧コイル２から昇圧スイッチ３を介してグランド側に電流が流れることになり、若干発熱することがある。

しかし、この状態で昇圧スイッチ３がオン駆動したことで、再び昇圧コイル２への通電が開始したときに、電流が早く立ち上がるので、昇圧動作を迅速に実施することを優先する場合に、上記のように実施することが有効となる。

このような第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果が得られると共に、昇圧スイッチ３のオフ期間に制限を持たせて、所定時間Ｔｏｆｆ０が経過した時点で昇圧スイッチ３をオン駆動するようにしたことで、昇圧動作を迅速に進める場合に利用することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
制御回路１は、ロジック回路で構成することもできるし、ＣＰＵを設ける構成としてプログラムにより制御を実行することもできる。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は制御回路、２は昇圧コイル、３は昇圧スイッチ、５はダイオード、６はコンデンサ、７は電圧検出回路、７ａ、７ｂは抵抗である。

Claims (5)

1. 直流電源とグランドとの間に昇圧コイル（２）および昇圧スイッチ（３）の直列回路を接続し、前記昇圧スイッチをオンさせて前記直流電源から前記昇圧コイルに通断電し、ダイオード（５）を介して前記昇圧コイルに発生する誘起電圧をコンデンサ（６）に充電する昇圧装置であって、
   前記昇圧スイッチと前記昇圧コイルの共通接続点の電圧を検出する電圧検出回路（７）と、
   前記昇圧スイッチに対して、オン時点から所定のオン時間が経過するとオフ動作させると共に、オフ状態では前記電圧検出回路により検出される電圧に基づいてオン動作させる制御回路（１）とを備えた昇圧装置。
2. 前記制御回路は、前記昇圧スイッチのオフ状態では、前記電圧検出回路により検出される電圧が閾値電圧以下になった時点で前記昇圧スイッチをオン動作させる請求項１に記載の昇圧装置。
3. 前記制御回路は、前記昇圧スイッチに対して、所定のオフ時間も設定してオン動作を制御する請求項１または２に記載の昇圧装置。
4. 前記制御回路は、前記昇圧スイッチに対して、オフ状態では前記電圧検出回路により検出される電圧が閾値電圧以下になってオン動作させる前に前記オフ時間が経過した場合には、オン動作させる請求項３に記載の昇圧装置。
5. 前記閾値電圧は、前記直流電源電圧以上の電圧値に設定されている請求項１から４のいずれか一項に記載の昇圧装置。

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