JP5643114B2 - 高電圧発生装置及びその使用 - Google Patents

Description

本発明は、高電圧発生装置、より詳細にはこの種の装置に含まれるスイッチングトランジスタの出力電圧の減少に関する。

本発明は、有利に、しかし限定せずに、これらのような高電圧発生装置を用いて、ガス中のプラズマの発生、特に内燃機関の制御点火のために使用する点火プラグの電極によるプラズマの発生に適用される。

共振点火プラグの原理はコイル・コンデンサ共振アセンブリの使用にあり、これは絶縁材料、例えばセラミックにより分離される２つの電極（その１つはシェルを含む）から成る。この高周波共振器は、通常、「コイル・点火プラグ」と呼ばれている。この共振器は、パルス化された電圧発生器のスイッチングトランジスタの制御電極に受け取られる一連の高周波制御パルスに応答して一連の電圧パルスを共振器に分配することが可能な電圧発生器により供給される。

より正確に言うと、このパルス化された発生器は、制御パルスの高周波列により制御されるスイッチングトランジスタに加えて、並列に連結されて中程度の電圧を供給されるコイル・コンデンサ・アセンブリから成る。

このパルス化された電圧発生器と直列容量誘導性共振器（「コイル・点火プラグ」）の組合せは、高電圧発生装置を構成して、当業者によって「疑似Ｅ級アンプ」と一般に呼ばれている。

上記のように、スイッチングトランジスタの制御はトランジスタのゲートに印加される高周波電圧（一連の制御パルス）により実行される。トランジスタがオフであるとき、電流は一方でコンデンサを充電して、他方で直列共振器のコイルに給電するのに対して、トランジスタがオンであるとき、電流はコイルの周りを流れる。トランジスタのドレイン電位は上昇する。この高電圧は、有意な品質係数によって、スパークを誘発できる高電圧を生じる直列共振器（コイル・点火プラグ）に周期的に給電する。この種の発生器は、特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載されている。

疑似Ｅ級アンプは超音波注入装置にも適用できる。圧電注入器の超音波励起は、ピーク間が２００〜１８００Ｖで、２５〜５０ｋＨｚで調整される高電圧の発生を必要とする。

仏国特許出願第０３―１０７６６号明細書 仏国特許出願第０３―１０７６７号明細書 仏国特許出願第０３―１０７６８号明細書

意図されたアプリケーションがどうであれ、疑似Ｅ級アンプは必要な電力および電圧レベルに耐えることができる制御トランジスタを必要として、利用できる構成要素の多様性をかなり低減させる。

本発明の目的は、直列共振器の端子間の充分な電圧を維持すると共に、パワートランジスタの出力に供給される電圧を減らすことを可能にする解決策を提案することである。

本発明の一態様によれば、高電圧を増幅することが可能な容量誘導性共振器、一連の高周波制御パルスを発生するための手段、電圧源、コンデンサ、および制御電極が一連の高周波制御パルスを発生するための手段の出力に接続されるスイッチングトランジスタを備える電圧発生器を備える高電圧発生装置が規定され、スイッチングトランジスタのソースは接地され、スイッチングトランジスタのドレインは、スイッチングトランジスタの制御電極で受け取られる一連の制御パルスに応答して、一連の電圧パルスを容量誘導性共振器に供給することが可能である。スイッチングトランジスタのドレインは絶縁トランスを経由して容量誘導性共振器に接続され、絶縁トランスはコンデンサと並列に接続され、そして絶縁トランスはさらに電圧源に接続される。

絶縁トランスの一次巻線は、１つの端子によって制御トランジスタのドレインに、別の端子によって電圧源に接続されることができ、そして絶縁トランスの一次巻線はコンデンサと並列に接続される。

絶縁トランスの二次巻線は、１つの端子によって容量誘導性共振器に、別の端子によって接地点に接続されることができ、そして前記接地点はまた容量誘導性共振器にも接続される。

高電圧発生装置は一次巻線と二次巻線を分離する電気分離を備えることができて、一方の巻線に接続されている構成要素および接地点は、前記電気分離によって他方の巻線に接続されている構成要素および接地点から分離される。

二次巻線に接続される回路にある接地点は、一次巻線に接続される回路にある接地点とは別個であり、かつ、これから分離されることができる。

一連の制御パルスを発生するための手段は固定周波数発振器を備えることができる。

本発明の他の利点および特徴は、まったく限定されない実施形態の詳細な説明および１つの図が本発明による装置の例示的な電子的実施形態を例示する添付の図面を考察することで明らかである。

本発明によるパルス化された電圧発生器の概略回路図である。

１つの図に示したように、パルス化された電圧発生器ＧＥＮＩは、並列に接続されたトランスＴＲＡＮＳおよびコンデンサＣ１、およびここではＮ―チャネルＭＯＳＦＥＴパワートランジスタから形成されて、ここでは固定周波数発振器ＯＳＣによって発生する一連の制御パルスによってそのゲートＧで制御されるスイッチングトランジスタＭ１から成るアセンブリを備える。この周波数は、通常は、数ＭＨｚおよび１ＭＨｚを超えるオーダーの高周波数である。トランスＴＲＡＮＳは巻数Ｎ１の一次巻線および巻数Ｎ２の二次巻線を備える。二次巻線の端子は、抵抗Ｒ２、インダクタＬ２、およびコンデンサＣ２によってモデル化される容量誘導性共振器ＲＳ２の第１端子に接続される。直列共振器ＲＳ２の他の端子は、一方では接地点に、他方では二次巻線の他の端子に接続される抵抗Ｒ３に接続される。抵抗Ｒ１は、二次巻線の第２端子を接地点に接続している配線の抵抗作用のモデリング、または役割が直列共振器ＲＳ２を流れる電流を測定することにある物理的な構成要素でもよい。後者の場合、この構成要素の抵抗は、共振器ＲＳ２の性能（過電圧指数）を劣化させて、構成要素の過熱を引き起こさないために、共振器ＲＳ２においてＲ２の値に対して非常に低く選択される。電気分離ＩＧはトランスＴＲＡＮＳの２つの巻線を隔離する。電気分離ＩＧはまた、一方の側の一次巻線に接続される構成要素と他方の側の二次巻線に接続される構成要素も隔離する。容量誘導性共振器とも呼ばれている直列共振器ＲＳ２は、プラズマ発生点火プラグにおいて、あるいは圧電または超音波注入器において含まれることができる。

インダクタＬ２およびコンデンサＣ２により形成される直列共振器の固有振動数も、例えば４０〜２００の過電圧指数を有する、例えば１ＭＨｚを超える高い共振周波数を呈する。

パルス化された発生器ＧＥＮＩは、通常１０００ボルト未満の中程度の電圧を供給する直流電圧源ＶＭＴにより給電される。

さらに、点火プラグの電極の間に印加されるエネルギーも、例えば1点火につき３００ｍＪまで、そして安全性の理由で制限されるように、この電圧源ＶＭＴは制限された電力を呈することが好ましい。自動車応用で１２ボルトを超える直流電圧を発生させるために、１２ボルトからＹボルトへの変換器を使用することが可能であり、Ｙは電源ＶＭＴにより供給される電圧である。このようにして電池電圧から所望の直流電圧レベルを発生させることが可能である。

発生される直流電圧の安定性は演繹的に決定基準ではなく、その頑丈さおよび単純性の特性のために、例証として、発生器ＧＥＮＩに給電するためにチョッパー電源を使用する供給を実行することができる。

トランジスタＭ１がオンであるとき、電流はコイルＬ１の周りを流れる。トランジスタＭ１がオフであるとき、電流は一方ではコンデンサＣ１を充電し、そしてコイルＬ２に給電する。

トランジスタＭ１のドレイン電位Ｄは上昇する。

通常数百ボルトのオーダーのこの高電圧は直列共振器ＲＳ２に周期的に給電し、それは、有意の過電圧指数によって、スパークを誘発できる高電圧ＨＴを生じる。

トランスの存在によって、一次巻線の端子間の電圧、従ってパワートランジスタの出力における電圧は低下する場合がある。実際、変換比率Ｍは一次Ｎ１と二次Ｎ２巻線の巻数の比率に等しく、それは一次Ｕ１と二次Ｕ２巻線の電圧の比率にそれ自体等しい。

（数１）
Ｍ＝Ｎ２／Ｎ１＝Ｕ２／Ｕ１

従って、直列共振器ＲＳ２の端子間、すなわち二次巻線Ｎ２の端子間の電圧Ｕ２を得たい場合は、それは次式に等しい一次巻線Ｎ１の端子間の電圧Ｕ１を得るのに十分である。

（数２）
Ｕ２＝Ｕ１／Ｍ

トランスを製作するために使用される構成および技術は疑似Ｅ級アンプの適切な動作のための２つの基本的態様でもある。

エアギャップ・トランスの使用は関係する周波数からみて好ましい。代わりの解決策を用いることができるが、変換効率はその場合低くなることがある。

巻線は、高周波障害を制限するために、接地編み上げのシールド同軸ワイヤで製作されることが好ましい。

超音波注入のための疑似Ｅ級アンプの使用の場合、製造制約は関係する低い周波数を考慮するために減らすことができる。

さらに、インダクタに関するトランスの使用はいくつかのかなりの効果を生じる点に留意する必要がある。

特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載したような高周波イグニッションへの適用と関連して、トランスの使用は、バランタイプのコモンモードフィルタを用いるときと同様に、疑似Ｅ級アンプの出力とマルチ・スパーク点火プラグ（ＢＭＥ）のチャージの間にある直列コンデンサを省くことを可能にする。さらに、例えば抵抗Ｒ３のレベルで、イオン化電流の測定値を集積することが可能である。

さらに、分離タイプのトランスの使用は、直列共振器ＲＳ２の入力で信号のＤＣ成分を除去することを可能にして、信号の振幅を維持すると共に、ケーブルに印加される最大電圧を低下させる。これから、ケーブルの分離の重荷になっている制約はトランスの無い疑似Ｅ級アンプの場合の様に厳しいものではないことになる。それで使用可能なケーブルの範囲はより大きい。

安全動作の観点から、トランスを有する疑似Ｅ級アンプはコンデンサＣ１および電源を直列共振器ＲＳ２への接続ケーブルから分離することを可能にする。従って、これらのケーブルのレベルの短絡、またはこれらのケーブルのうちの１つと接地点の間の短絡は、いかなる電気ショックも生じることはない。

最後に、トランスの使用は、特にコモンモード電流に対して、放射される電磁気障害を減らすことを可能にする。実際、直列共振器ＲＳ２の接地点はトランジスタＭ１の接地点から切り離されて、点火スパークの発生の間に、または超音波発生の間に放射される電磁気障害は、共通接地点を経由してトランジスタＭ１および制御電子装置の方へ導かれることはない。接続ケーブルが接地組紐および被覆に成形される遮蔽から成るときに、これはいっそう真である。さらなる分離のために、接地組紐の一端または両端は接続されることができて、Ｒ３を通る電流の戻りは別の導体によって確実にされる。

Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｄ ドレイン
Ｇ ゲート
ＧＥＮＩ 電圧発生器
ＨＴ 高電圧
ＩＧ 電気分離
Ｌ２ インダクタ
Ｍ１ スイッチングトランジスタ
Ｎ１ 一次巻線の巻数
Ｎ２ 二次巻線の巻数
ＯＳＣ 固定周波数発振器
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
ＲＳ２ 容量誘導性共振器
Ｓ ソース
ＴＲＡＮＳ トランス
ＶＭＴ 直流電圧源

Claims (4)

1. 高電圧を増幅することが可能な容量誘導性共振器（ＲＳ２）と、
   一連の高周波制御パルスを発生するための手段と、
   電圧源（ＶＭＴ）と、
   コンデンサ（Ｃ１）と、
   制御電極（Ｇ）が前記一連の高周波制御パルスを発生するための前記手段の出力に接続されるスイッチングトランジスタ（Ｍ１）を備える電圧発生器（ＧＥＮＩ）と、
   を備え、
   前記スイッチングトランジスタ（Ｍ１）のソース（Ｓ）が接地され、前記スイッチングトランジスタ（Ｍ１）のドレイン（Ｄ）が、前記スイッチングトランジスタ（Ｍ１）の前記制御電極（Ｇ）で受け取られる前記一連の制御パルスに応答して、一連の電圧パルスを前記容量誘導性共振器（ＲＳ２）に供給することが可能である高電圧発生装置において、
   絶縁トランス（ＴＲＡＮＳ）の一次巻線（Ｎ１）が、１つの端子によって前記スイッチングトランジスタ（Ｍ１）の前記ドレイン（Ｄ）に、別の端子によって前記電圧源（ＶＭＴ）に接続され、前記絶縁トランス（ＴＲＡＮＳ）の前記一次巻線（Ｎ１）は前記コンデンサ（Ｃ１）と並列に接続され、
   前記絶縁トランス（ＴＲＡＮＳ）の二次巻線（Ｎ２）が、１つの端子によって前記容量誘導性共振器（ＲＳ２）に、別の端子によって接地点に接続され、前記接地点はまた前記容量誘導性共振器（ＲＳ２）に接続され、
   前記装置は前記一次巻線（Ｎ１）と前記二次巻線（Ｎ２）を分離する電気分離（ＩＧ）を備え、一方の巻線に接続されている構成要素および接地点が、前記電気分離（ＩＧ）によって他方の巻線に接続されている構成要素および接地点から分離されることを特徴とする高電圧発生装置。
2. 前記二次巻線（Ｎ２）に接続される回路にある前記接地点が、前記一次巻線（Ｎ１）に接続される回路にある前記接地点とは別個であり、かつ、これから分離される請求項１に記載の高電圧発生装置。
3. 前記一連の制御パルスを発生するための前記手段が固定周波数発振器（ＯＳＣ）を備える請求項１または２に記載の装置。
4. 内燃機関の制御点火のための請求項１〜３のいずれか一項に記載の高電圧発生装置の使用。

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