JP6267956B2 - 点火励起システムのための放電スイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明の分野は、一般に放電スイッチ装置に関する。より詳細には、点火励起システムのための放電スイッチ装置に関する。

少なくとも幾つかの周知のイグニッションエキサイタは、蓄積キャパシタに蓄積されたエネルギーをイグナイターに放電するための、スパークギャップスイッチ装置を含んでいる。この種のスパークギャップ装置は、典型的には、一貫した電離レベル及び均一な動作を得ることを助けるために、クリプトン−８５（Ｋｒ８５）などの放射性物質を含んでいる。したがって、このような放射性物質の使用に関して、環境、健康及び安全に対する懸念が生じている。そうしたことから、このようなスパークギャップ装置に対しては、市販の、コスト効率が良く、サイズ効率の良い代替物が存在しない。

さらに、スパークギャップは、エキサイタに適用する場合に、以下のようないくつかの不利な点がある。それは、（１）寿命の限られた部品であること、（２）スパークからスパークまでの電圧（典型的には＋／−１００ボルト）が変化すること、（３）動作可能な寿命の間に、ブレークオーバー電圧が変化することである。これら各々の理由のために、点火システムは、システム寿命の全期間にわたって、一貫したレベルのスパークエネルギーをイグナイターに供給することができない。この特性に対する著しく不利な点は、そのためにイグナイターの交換間隔を決めるのが困難になるということである。イグナイターは、年数及びエキサイタスパークギャップの条件によって、放電ストレスのレベルがそれぞれ異なるからである。

以前は、ブレークオーバーダイオードが、サイリスタ素子のゲートトリガーを与えるトリガー電圧を設定するために用いられていた。しかし、この素子は、大きな温度係数をもち、温度変化に対してタンク電圧を安定に保つことができない。

米国特許第７８８０２８１号公報

一実施形態では、放電スイッチ装置は、コンパレータ部、温度補償ダイオード及びトリガー部を含む。コンパレータ部は、入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成される。温度補償ダイオードは、基準電圧値の変化を低減するように構成される。トリガー部は、入力電圧値が基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成される。

別の実施形態では、点火励起システムは、電源からの入力電圧を高レベル電圧に変換するように構成された入力電圧コンバータと、入力電圧コンバータによって変換されたエネルギーを蓄積するように構成された蓄積キャパシタとを含む。点火システムは、コンパレータ部と、温度補償ダイオードと、トリガー部とを含む放電スイッチ装置をさらに含む。コンパレータ部は、入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成される。温度補償ダイオードは、基準電圧値の変化を低減するように構成される。トリガー部は、入力電圧値が基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成される。

例示的な交流（ＡＣ）点火励起システムの回路図。 図１に示す放電スイッチ装置の例示的な回路図。

以下の詳細な説明は、本発明の実施形態を例示するものであって、これに限定するものではない。詳細な説明によって、明らかに当業者は開示される内容を作製し使用することができる。また、詳細な説明には、いくつかの実施形態、適応例、変形例、代替例、及び開示される内容の使用について記載されており、これらは開示される内容を実施するための最良の形態であると現在考えられるものを含んでいる。開示される内容には、例示する実施形態、すなわち、点火システムのエネルギーを放電するシステム及び方法に適用されることが記載されている。しかし、この開示内容は、工業用、商用、及び住居用の点火システムに広く適用すると考えられる。

本明細書において、単数で記載され、「ａ」又は「ａｎ」の単語が先行する要素又は工程は、複数の要素又は工程を除外する旨の明示的な記載がない限り、複数の要素又は工程を除外しないものとして理解されなければならない。さらに、本発明の「一実施形態」を参照することは、記載された特徴を含む実施形態がさらに存在することを除外するものと解釈すべきではない。

図１は、例示的な交流（ＡＣ）点火励起システム１００の回路図である。例示の実施形態では、システム１００は、電磁障害（ＥＭＩ）フィルタ及び過渡的保護回路１０２と、入力電圧コンバータ１０４と、蓄積（「タンク」）キャパシタ１０６と、放電スイッチ装置１０８と、パルス成形回路網１１０とを含む。システム１００は、ＡＣ入力電圧を供給する電源１１２に接続される。入力電圧コンバータ１０４は、電源１１２からの入力電圧を、タンクキャパシタ１０６に蓄積するために、高レベル電圧に変換する。放電スイッチ装置１０８は、「タンク⁺」端子１１４及び「タンク^-」端子１１６を含む。放電スイッチ装置１０８は、タンクキャパシタ１０６に蓄積されたエネルギーを、タンク⁺端子１１４からタンク^-端子１１６へ伝送し、そして、パルス成形回路網１１０に供給する。パルス成形回路網１１０は、放電パルスを増幅及び成形し、放電パルスをイグナイター１１８に供給する。

図２は、放電スイッチ装置１０８（図１に示す）の例示的な回路図である。放電スイッチ装置１０８は、周知のスパークギャップスイッチを直接に置き換えるものである。例示の実施形態では、放電スイッチ装置１０８は、タンク⁺端子１１４及びタンク^-端末１１６を介して、システム１００（図１に示す）に接続される。放電スイッチ装置は、約−５５°Ｃから１２５°Ｃの温度範囲で動作するように構成され、短時間の温度変化であれば、約１５０°Ｃまで動作する。

初期充電サイクル期間に、システム１００のタンク⁺電圧が上昇し、電流が放電スイッチ装置１０８の第１の分割器２００及び第２の分割器２０２を流れる。第１の分割器２００がタンク⁺電圧によって充電し、しきい値に達すると、コンパレータ２０４の正入力に電力を供給するのに使用される。タンク⁺電圧が上昇し、しきい値に達するまでは、ノード２０６を流れる電流は、コンパレータ２０４に電力を供給する、又は「覚醒させる」には十分ではない。コンパレータが覚醒するまでの期間では、入力電圧が電力コンパレータ２０４へ供給されるまで、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）２０８は、コンパレータ２０４を保護するために、初期充電サイクル期間のタンクフィードバック電圧をブロックする。例えば、ＭＯＳＦＥＴ２０８は、コンパレータ２０４の損傷又は初期トリップを防止する。

例示の実施形態では、初期充電サイクル期間に、放電スイッチ装置１０８は、放電スイッチ装置１０８のコンパレータ部２１０及びトリガー部２１２に電力を供給するために、少量の電流（すなわち、約４００μＡ）を引き抜く。コンパレータ部２１０は、入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成される。トリガー部２１２は、入力電圧値が基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成される。ツェナーダイオード２１４は、コンパレータ２０４の正電源入力電圧Ｖｃｃを設定する。また、ダイオード２１４は、トリガー部２１２を駆動するための電圧レベルを設定する。基準ツェナーダイオード２１８は、コンパレータ２０４に基準電圧値を設定する。

初期充電サイクルにおいて、タンク⁺電圧が約１５００ボルトの電圧しきい値に達した場合に、コンパレータ部２１０が覚醒する。電圧しきい値が満たされた場合に、ダイオード２１４、２１８が導通し、コンパレータ部２１０が機能する。

ダイオード２２０は、温度補償ダイオードとして、基準ダイオード２１８と直列に設けられる。温度補償ダイオード２２０は、基準電圧値の変化を低減するように構成される。より具体的には、温度補償ダイオード２２０は、温度によるツェナー電圧の変化を相殺して、安定なタンク電圧を供給するように、ダイオード２１８に適合される。

一旦コンパレータ部２１０が動作可能になると、タンク⁺フィードバック電圧は、コンパレータ２０４の正入力でモニターされ、コンパレータ２０４の負入力と比較される。基準ダイオード２１８によってコンパレータ２０４の負入力に供給される基準レベルが超えられた場合に、コンパレータ２０４の出力は高くなり、トリガー部２１２に放電信号を送る。例示の実施形態では、トリガー部２１２は、トリガー装置及び放電装置を含む。トリガー装置は、トリガーＭＯＳＦＥＴ２２２及びトリガートランス２１６を含む。より具体的には、コンパレータ２０４は、トリガーＭＯＳＦＥＴ２２２に電力を供給する。キャパシタ２２４に蓄積されるエネルギーは、トリガートランス２１６の一次巻線によって放電される。トリガートランス２１６は、サイリスタ２２６にゲートトリガーパルスを出力する。例示の実施形態では、サイリスタ２２６は、シリコン制御整流器である。サイリスタ２２６は、タンクキャパシタ１０６（図１に示す）に蓄積されるエネルギーを伝送して、パルス成形回路網１１０（図１に示す）に放電する。

本願明細書に記載された例示的な方法及びシステムは、点火励起システムのための放電スイッチ装置に関する。より具体的には、例示の実施形態は、高エネルギー及び／又は高圧点火システムに用いる半導体スパークギャップ置換スイッチ装置に関する。本装置は、現場のエキサイタのスパークギャップ装置を改造する「ドロップイン」交換用として用いることもできる。本装置は、スパークギャップ装置と比較した場合に、温度変化に対してより一貫した放電設定点を維持するための温度補償を含む。

本明細書では、実施例を用いることによって、最良の形態を含む本発明を開示し、さらに、いかなる当業者でも本発明を実施することを可能にする。この実施には、本発明の任意の装置又はシステムを作製し使用すること、及び、任意の組み込まれた方法を実行することが含まれる。本発明の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが請求項の文字通りの言葉と異ならない構成要素を有する場合、又は、それらが請求項の文字通りの言葉と実体のない違いを有する等価な構成要素を含む場合には、請求項の範囲に含まれるものとする。

１００ 点火励起システム
１０２ 過渡的保護回路
１０４ 入力電圧コンバータ
１０６ タンクキャパシタ
１０８ 放電スイッチ装置
１１０ パルス成形回路網
１１２ 電源
１１４ タンク⁺端子
１１６ タンク^-端子
１１８ イグナイター
２００ 第１の分割器
２０２ 第２の分割器
２０４ コンパレータ
２０６ ノード
２０８ ＭＯＳＦＥＴ
２１０ コンパレータ部
２１２ トリガー部
２１４ ツェナーダイオード
２１６ トリガートランス
２１８ 基準ツェナーダイオード
２２０ 温度補償ダイオード
２２０ ダイオード
２２２ トリガーＭＯＳＦＥＴ
２２４ キャパシタ
２２６ サイリスタ

Claims (14)

1. 入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成されたコンパレータ部と、
   前記基準電圧値の変化を低減するように構成された温度補償ダイオードと、
   前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成されたトリガー部と
   を備え、
   前記トリガー部は、トリガー装置及び放電装置を備え、
   前記トリガー装置は、トリガー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及びトリガートランスを備える、
   放電スイッチ装置。
2. 前記トリガー装置は、
   前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、前記トリガーＭＯＳＦＥＴをスイッチを入れた状態にし、
   第１の蓄積キャパシタに蓄積されたエネルギーを、前記トリガートランスの１次巻線を通して放電するように構成された、請求項１記載の装置。
3. 前記トリガートランスは、前記放電装置にトリガーパルス信号を出力するように構成された、請求項２記載の装置。
4. 入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成されたコンパレータ部と、
   前記基準電圧値の変化を低減するように構成された温度補償ダイオードと、
   前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成されたトリガー部と
   を備え、
   前記トリガー部は、トリガー装置及び放電装置を備え、
   前記放電装置は、サイリスタを備え、
   前記サイリスタは、前記トリガートランスから前記トリガーパルス信号を受け取ると、前記蓄積エネルギーを放電するように構成される、
   放電スイッチ装置。
5. 入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成されたコンパレータ部と、
   前記基準電圧値の変化を低減するように構成された温度補償ダイオードと、
   前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成されたトリガー部と、
   初期充電サイクルの期間において、前記コンパレータ部をフィードバック電圧から保護するように構成された電圧保護装置と
   を備える放電スイッチ装置。
6. 前記電圧保護装置は、ＭＯＳＦＥＴを備える、請求項５記載の装置。
7. 前記コンパレータ部は、前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、前記トリガー部に放電信号を送るように、さらに構成された、請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
8. 前記放電スイッチ装置は、既存のスパークギャップ装置を直接置換する、請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 電源からの入力電圧を高レベル電圧に変換するように構成された入力電圧コンバータと、
   前記入力電圧コンバータによって変換されたエネルギーを蓄積するように構成された蓄積キャパシタと、
   放電スイッチ装置と、
   前記放電スイッチ装置によって放電されるエネルギーを受け取るように構成されたイグナイターと
   を備え、
   前記放電スイッチ装置は、
   入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成されたコンパレータ部と、
   前記基準電圧値の変化を低減するように構成された温度補償ダイオードと、
   前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成されたトリガー部と、
   前記イグナイターへ供給する放電パルスを生成するように構成されたパルス成形回路網と、 を備える点火励起システム。
10. 電源からの入力電圧を高レベル電圧に変換するように構成された入力電圧コンバータと、
    前記入力電圧コンバータによって変換されたエネルギーを蓄積するように構成された蓄積キャパシタと、
    放電スイッチ装置と、
    前記放電スイッチ装置によって放電されるエネルギーを受け取るように構成されたイグナイターと
    を備え、
    前記放電スイッチ装置は、
    入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成されたコンパレータ部と、
    前記基準電圧値の変化を低減するように構成された温度補償ダイオードと、
    前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成されたトリガー部と、
    前記イグナイターへ供給する放電パルスを生成するように構成されたパルス成形回路網と、 を備え、
    前記トリガー部は、トリガー装置及び放電装置を備え、
    前記トリガー装置は、トリガー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及びトリガートランスを備える、
    点火励起システム。
11. 前記トリガー装置は、
    前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、前記トリガーＭＯＳＦＥＴをスイッチを入れた状態にし、
    第１の蓄積キャパシタに蓄積されたエネルギーを、前記トリガートランスの１次巻線を通して放電するように構成された、請求項１０記載のシステム。
12. 前記トリガートランスは、前記放電装置にトリガーパルス信号を出力するように構成された、請求項１１記載のシステム。
13. 電源からの入力電圧を高レベル電圧に変換するように構成された入力電圧コンバータと、
    前記入力電圧コンバータによって変換されたエネルギーを蓄積するように構成された蓄積キャパシタと、
    放電スイッチ装置と、
    前記放電スイッチ装置によって放電されるエネルギーを受け取るように構成されたイグナイターと
    を備え、
    前記放電スイッチ装置は、
    入力電圧値を基準電圧値と比較するように構成されたコンパレータ部と、
    前記基準電圧値の変化を低減するように構成された温度補償ダイオードと、
    前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、蓄積エネルギーを放電するように構成されたトリガー部と、
    を備え、
    前記放電装置は、サイリスタを備え、
    前記サイリスタは、前記トリガートランスから前記トリガーパルス信号を受け取ると、前記蓄積エネルギーを放電するように構成される、
    点火励起システム。
14. 前記コンパレータ部は、前記入力電圧値が前記基準電圧値を超える場合に、前記トリガー部に放電信号を送るように、さらに構成された、請求項９乃至１３のいずれかに記載のシステム。