JP6987035B2 - 電磁弁駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁弁駆動装置に関する。
下記特許文献１には、バッテリの電圧（以下、「バッテリ電圧」という。）を昇圧回路で昇圧し、その昇圧した電圧（以下、「出力電圧」という。）を燃料噴射弁に供給することで、燃料噴射弁を開弁させる燃料噴射弁駆動装置が開示されている。
この昇圧回路は、インダクタ、第１スイッチ、第２スイッチ、ダイオード、及び出力コンデンサから構成されている。より具体的にはインダクタは、一端がバッテリ電源に接続され、他端がダイオードのアノードに接続されている。第１スイッチは、インダクタの他端と接地レベルとの間に接続されている。第２スイッチは、ダイオードと並列に接続されている。出力コンデンサは、ダイオードのカソードと接地レベルとの間に接続されている。
このような構成により、上記燃料噴射弁駆動装置は、第１スイッチがオン状態、かつ、第２スイッチがオフ状態のときにエネルギーをインダクタに蓄積する。そして、燃料噴射弁駆動装置は、第１スイッチをオフ状態に制御した後に第２スイッチをオン状態にすることで上記エネルギーを、第２スイッチを介して出力コンデンサに供給する同期整流制御を実行可能である。これにより、ダイオードに流れる電流を低減可能となるため、ダイオードの発熱を抑制して損失を低減できる。
特開２０１２−１５８９８５号公報
ところで、上記燃料噴射弁駆動装置では、同期整流制御を実行する場合において、第１スイッチ及び第２スイッチが同時にオン状態になることを防止するために、第１スイッチのターンオフ動作を実行してから、タイマで所定時間を計時した後に第２スイッチをオン状態にすることで、いわゆるデットタイム期間が設けられている。
ただし、上記タイマの時間設定の分解能が低い場合には、安全性の観点からデットタイム期間を必要以上に長く設定する必要がある。したがって、同期整流制御において、第１スイッチ及び第２スイッチがオフ状態となる期間が長くなってしまう。その結果、インダクタに蓄積されたエネルギーがダイオードを介して出力コンデンサに供給される時間が長くなり、同期整流制御の実行によるダイオードの損失低減に対して効果を上げることができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、同期整流制御において、ダイオードによる発熱を抑制することである。
本発明の一態様は、第１スイッチがオン状態、かつ、第２スイッチがオフ状態である場合にインダクタにエネルギーを蓄積し、前記第１スイッチがオフ状態、かつ、前記第２スイッチがオン状態である場合に前記インダクタに蓄積された前記エネルギーを出力コンデンサに供給することで入力電圧を昇圧する昇圧動作を実行可能な昇圧回路と、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン状態又はオフ状態を検出する状態検出部と、前記状態検出部により検出された前記第１スイッチ又は前記第２スイッチの状態に応じて前記第１スイッチ及び第２スイッチのスイッチングを同期整流制御することで前記昇圧動作を制御する昇圧制御部と、前記昇圧動作により昇圧された電圧を電磁弁に供給することで前記電磁弁を駆動する駆動回路と、を備えることを特徴とする電磁弁駆動装置である。
本発明の一態様は、上述の電磁弁駆動装置であって、前記昇圧制御部は、前記状態検出部により前記第１スイッチのオフ状態を検出した場合には、前記第２スイッチをオフ状態からオン状態に制御し、前記第２スイッチのオフ状態を検出した場合には、前記第１スイッチをオフ状態からオン状態に制御する。
本発明の一態様は、上述の電磁弁駆動装置であって、前記第１スイッチ又は前記第２スイッチは、制御端子に印加される電圧に応じてオン状態又はオフ状態となり、前記状態検出部は、前記第１スイッチ又は前記第２スイッチの制御端子に印加されている電圧を読み取り、前記読み取った電圧の電圧値が閾値以下である場合に、前記第１スイッチ又は前記第２スイッチがオフ状態であると判定する。
本発明の一態様は、上述の電磁弁駆動装置であって、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチはＭＯＳＦＥＴである。
本発明の一態様は、上述の電磁弁駆動装置であって、前記電磁弁は、内燃機関において燃料を噴射する燃料噴射弁である。
以上説明したように、本発明によれば、同期整流制御において、ダイオードによる発熱を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置Ａの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る制御部３の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置Ａにおける同期整流制御の流れを示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置を、図面を用いて説明する。
本実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置Ａは、燃料噴射弁Ｌを駆動する駆動装置である。すなわち、本実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置Ａは、車両に搭載された内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁Ｌ（電磁弁）を駆動する電磁弁駆動装置である。
図１に示すように、燃料噴射弁駆動装置Ａは、昇圧回路１、駆動回路２、及び制御部３を備える。
昇圧回路１は、車両に搭載されたバッテリＢＴから入力されるバッテリ電圧ＶＢを所定の目標電圧（昇圧電圧Ｖｃ）に昇圧する昇圧動作を実行可能なチョッパ回路である。昇圧回路１は、この昇圧動作を実行することによりバッテリ電圧ＶＢから所定の昇圧電圧Ｖｃを生成する。この昇圧回路１は、昇圧比が例えば十〜数十程度であり、制御部３によって昇圧動作が制御される。なお、昇圧回路１は、同期整流及び非同期整流の双方の機能を備えている。ここで、バッテリ電圧ＶＢは、本発明の「入力電圧」の一例である。
駆動回路２は、制御部３からの駆動信号に基づいて、バッテリ電圧ＶＢ又は昇圧電圧Ｖｃを燃料噴射弁Ｌに供給する。例えば、駆動回路２は、制御部３から第１の駆動信号を取得した場合には、昇圧電圧Ｖｃを燃料噴射弁Ｌに供給することで燃料噴射弁Ｌを開弁させる。また、駆動回路２は、制御部３から第２の駆動信号を取得した場合には、バッテリ電圧ＶＢを燃料噴射弁Ｌに供給することで開弁後の燃料噴射弁Ｌの開弁状態を保持する。
制御部３は、上位制御系から入力される指令信号に基づいて昇圧回路１、及び駆動回路２を制御する、例えば、集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）である。
以下に、本発明の一実施形態に係る昇圧回路１の構成を、図２を用いて具体的に説明する。
図２に示すように、昇圧回路１は、シャント抵抗１１、インダクタ１２、第１スイッチ１３、第２スイッチ１４、整流用ダイオード１５、及び出力コンデンサ１６を備える。
シャント抵抗１１は、一端がバッテリＢＴのプラス端子に接続され、他端がインダクタ１２の一端に接続されている。
インダクタ１２の他端は、第１スイッチ及び第２スイッチに接続されている。また、インダクタの他端は、整流用ダイオード１５のアノードに接続されている。
第１スイッチ１３は、ＭＯＳＦＥＴである。第１スイッチ１３は、ドレイン端子がインダクタ１２の他端に接続され、ソース端子がバッテリＢＴのマイナス端子に接続されている。また、第１スイッチ１３のゲート端子（制御端子）は、制御部３に接続されている。
第２スイッチ１４は、ＭＯＳＦＥＴである。第２スイッチ１４は、ソース端子がインダクタ１２の他端及び第１スイッチ１３のドレイン端子に接続され、ドレイン端子が出力コンデンサ１６の一端に接続されている。また、第２スイッチ１４のゲート端子（制御端子）は、制御部３に接続されている。この第２スイッチ１４は、昇圧回路１における同期整流素子であって、オン抵抗の小さいＭＯＳＦＥＴである。
整流用ダイオード１５は、第２スイッチ１４と並列に接続されている。すなわち、整流用ダイオード１５は、アノードが第２スイッチ１４のソース端子に接続され、カソードが第２スイッチ１４のドレイン端子に接続されている。なお、整流用ダイオード１５は、昇圧回路１における非同期整流素子である。
出力コンデンサ１６の一端は、整流用ダイオード１５のカソード、第２スイッチ１４のドレイン端子、及び駆動回路２に接続される。また、出力コンデンサ１６の他端は、バッテリＢＴのマイナス端子に接続されている。
以下に、本発明の一実施形態に係る制御部３の構成を、図２を用いて具体的に説明する。
制御部３は、電流検出部３１、状態検出部３２、昇圧制御部３３、電圧検出部３４、及び駆動制御部３５を備える。
電流検出部３１は、シャント抵抗１１を介してインダクタ１２を流れる電流値（以下、「充電電流値」という。）を検出する。具体的には、電流検出部３１は、シャント抵抗１１の両端の電位差を計測することで、充電電流値を検出する。
状態検出部３２は、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４のオン状態又はオフ状態を検出する。すなわち、状態検出部３２は、第１スイッチ１３がオン状態及びオフ状態のいずれかの状態であるかを検出する。また、状態検出部３２は、第２スイッチ１４がオン状態及びオフ状態のいずれかの状態であるかを検出する。
例えば、状態検出部３２は、第１スイッチ１３のゲート端子に接続されており、このゲート端子の電圧（以下、「ゲート電圧」という。）Ｖｇ１を取得する。そして、状態検出部３２は、取得した第１スイッチ１３のゲート電圧Ｖｇ１が第１閾値Ｖｔｈ１以上である場合には、第１スイッチ１３がオン状態であると判定する。この第１閾値Ｖｔｈ１は、第１スイッチ１３をオン状態にさせるために必要なゲート電圧である。
また、状態検出部３２は、取得した第１スイッチ１３のゲート電圧Ｖｇ１が第２閾値Ｖｔｈ２（＜第１閾値Ｖｔｈ１）以下である場合には、第１スイッチ１３がオフ状態であると判定する。この第２閾値Ｖｔｈ２は、第１スイッチ１３がオフ状態となるゲート電圧である。
例えば、状態検出部３２は、第２スイッチ１４のゲート端子に接続されており、このゲート端子のゲート電圧Ｖｇ２を取得する。そして、状態検出部３２は、取得した第２スイッチ１４のゲート電圧Ｖｇ２が第３閾値Ｖｔｈ３以上である場合には、第２スイッチ１４がオン状態であると判定する。この第３閾値Ｖｔｈ３は、第２スイッチ１４をオン状態にさせるために必要なゲート電圧である。
また、状態検出部３２は、取得した第２スイッチ１４のゲート電圧Ｖｇ２が第４閾値Ｖｔｈ４（＜第３閾値Ｖｔｈ３）以下である場合には、第２スイッチ１４がオフ状態であると判定する。この第４閾値Ｖｔｈ４は、第２スイッチ１４がオフ状態となる電圧である。
昇圧制御部３３は、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４のゲート端子のそれぞれに接続されている。昇圧制御部３３は、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４のオン状態又はオフ状態を制御することで、昇圧回路１の昇圧動作を実行させる。具体的には、昇圧制御部３３は、第１制御信号を第１スイッチ１３のゲート端子に出力することで、第１スイッチ１３をオン状態に制御する。なお、第１制御信号とは、第１閾値Ｖｔｈ１以上の電圧である。昇圧制御部３３は、第２制御信号を第２スイッチ１４のゲート端子に出力することで、第２スイッチ１４をオン状態に制御する。なお、第２制御信号とは、第３閾値Ｖｔｈ３以上の電圧である。
ここで、本実施形態に係る昇圧制御部３３の特徴の一つは、状態検出部３２により検出された第１スイッチ１３又は第２スイッチ１４の状態に応じて、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４のスイッチングを同期整流制御し、昇圧動作を実行させることである。すなわち、昇圧制御部３３は、第１スイッチ１３が確実にオフ状態になったことを確認し、その確認後に第２スイッチ１４をオン状態に制御する。これにより、タイマを用いずに第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４が同時にオン状態になることを防止することができる。
電圧検出部３４は、昇圧回路１から出力される電圧、すなわち、昇圧電圧Ｖｃを検出する。例えば、電圧検出部３４は、出力コンデンサ１６の一端から出力される電圧（昇圧電圧Ｖｃ）を、抵抗分圧して取得することで昇圧電圧Ｖｃを検出する。電圧検出部３４は、検出した昇圧電圧Ｖｃを駆動制御部３５に出力する。
駆動制御部３５は、駆動回路２を制御する。具体的には、駆動制御部３５は、電圧検出部３４が検出した昇圧電圧Ｖｃが所定値以上になった場合には、駆動回路２に第１の駆動信号を出力する。
また、駆動制御部３５は、開弁後において、燃料噴射弁Ｌの開弁を保持するために、当第２の駆動信号を駆動回路２に出力する。
以下に、本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置Ａの動作について、詳しく説明する。まず、燃料噴射弁駆動装置Ａの燃料噴射弁Ｌに対する動作について説明する。
燃料噴射弁駆動装置Ａで燃料噴射弁Ｌを閉弁状態から開弁状態に駆動する場合、駆動制御部３５は、昇圧回路１が生成する昇圧電圧Ｖｃを燃料噴射弁Ｌに供給する。したがって、まず、昇圧制御部３３は、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４のスイッチングを同期整流制御することで昇圧回路１に対して昇圧動作を実行させ昇圧電圧Ｖｃを発生させる。
そして、駆動制御部３５は、電圧検出部３４が検出した昇圧電圧Ｖｃが所定値以上になった場合には、昇圧電圧Ｖｃを燃料噴射弁Ｌに供給する。この結果、ピーク状の立ち上がり電流が燃料噴射弁Ｌに流れる。このようなピーク状の立ち上がり電流は、燃料噴射弁Ｌの開弁動作を高速化するものである。
駆動制御部３５は、燃料噴射弁Ｌが開弁すると、燃料噴射弁Ｌの開弁状態を保持するために、昇圧電圧Ｖｃよりも低い電圧であるバッテリ電圧ＢＴを燃料噴射弁Ｌに供給する。この結果、燃料噴射弁Ｌの開弁状態を保持される。
次に、燃料噴射弁駆動装置Ａにおける同期整流制御の動作について、図３を用いて説明する。
まず、昇圧制御部３３は、第２スイッチ１４がオフ状態である場合に、第１スイッチ１３をオン状態にするために、第１スイッチ１３のゲート端子に第１制御信号を出力する（ステップＳ１０１）。これにより、第１スイッチ１３のゲート電圧Ｖｇ１が上昇し、当該ゲート電圧Ｖｇ１が第１閾値Ｖｔｈ１以上となると、オン状態となる。これにより、バッテリ電圧ＢＴがインダクタ１２に印加され、当該インダクタ１２にエネルギーが蓄積される。
昇圧制御部３３は、第１制御信号を出力した後、電流検出部３１で検出される充電電流値が予め設定された電流上限閾値に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。昇圧制御部３３は、電流検出部３１で検出される充電電流値が電流上限閾値に到達したと判定した場合には、第１スイッチ１３をオフ状態に制御するために第１制御信号の出力を停止する（ステップＳ１０３）。一方、昇圧制御部３３は、電流検出部３１で検出される充電電流値が電流上限閾値に到達していないと判定した場合には、第１制御信号の出力を継続し、再度ステップＳ１０２の処理を行う。
昇圧制御部３３により第１制御信号の出力が停止されると、ゲート電圧Ｖｇ１の電圧値が徐々に低下し、第２閾値Ｖｔｈ２以下となった時点で、第１スイッチ１３がオフ状態となる。そこで、状態検出部３２は、昇圧制御部３３により第１制御信号の出力が停止されると、第１スイッチ１３のゲート電圧Ｖｇ１を一定周期で取得し（ステップＳ１０４）、その取得したゲート電圧Ｖｇ１が第２閾値Ｖｔｈ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。
状態検出部３２は、ゲート電圧Ｖｇ１が第２閾値Ｖｔｈ２以下であると判定した場合には、第１スイッチ１３がオン状態からオフ状態になったと判定する。そして、昇圧制御部３３は、状態検出部３２により第１スイッチ１３がオン状態からオフ状態になった判定されると、第２スイッチ１４をオン状態に制御するために第２制御信号を出力する（ステップＳ１０６）。これにより、第２スイッチ１４のターンオン時において、タイマを用いずに、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４が同時にオン状態になることを防止することができる。すなわち、第２スイッチ１４のターンオン時において、デットタイム期間を必要以上に長く設定することなく、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４が同時にオン状態になることを防止することができる。
第２スイッチ１４に第２制御信号が出力されると、ゲート電圧Ｖｇ２の電圧値が徐々に上昇し、第３閾値Ｖｔｈ３以上となった時点で、第２スイッチ１４がオン状態となる。ここで、第２スイッチ１４がオン状態となるまでは、インダクタ１２に蓄積されたエネルギーが整流用ダイオード１５を介して出力コンデンサ１６に供給される。そして、第２スイッチ１４がオン状態となった時点で、インダクタ１２に蓄積されたエネルギーが第２スイッチ１４を介して出力コンデンサ１６に供給される。
昇圧制御部３３は、第２制御信号を出力した後、電流検出部３１で検出される充電電流値が予め設定された電流下限閾値（＜電流上限閾値）以下になったか否かを判定する（ステップＳ１０７）。昇圧制御部３３は、電流検出部３１で検出される充電電流値が電流下限閾値以下になったと判定した場合には、第２スイッチ１４をオフ状態に制御するために第２制御信号の出力を停止する（ステップＳ１０８）。一方、昇圧制御部３３は、電流検出部３１で検出される充電電流値が電流下限閾値以下になっていないと判定した場合には、第２制御信号の出力を継続し、再度ステップＳ１０７の処理を行う。
昇圧制御部３３により第２制御信号の出力が停止されると、ゲート電圧Ｖｇ２の電圧値が徐々に低下し、第４閾値Ｖｔｈ４以下となった時点で、第２スイッチ１４がオフ状態となる。そこで、状態検出部３２は、昇圧制御部３３により第２制御信号の出力が停止されると、第２スイッチ１４のゲート電圧Ｖｇ２を一定周期で取得し（ステップＳ１０９）、その取得したゲート電圧Ｖｇ２が第４閾値Ｖｔｈ４以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。そして、状態検出部３２は、ゲート電圧Ｖｇ２が第２閾値Ｖｔｈ２以下であると判定した場合には、第２スイッチ１４がオン状態からオフ状態になったと判定する。
昇圧制御部３３は、状態検出部３２により第２スイッチ１４がオン状態からオフ状態になったと判定されると、ステップＳ１０１の処理に戻り、第１スイッチ１３をオン状態に制御するために第１制御信号を出力する。これにより、第１スイッチ１３のターンオン時においても、タイマを用いずに、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４が同時にオン状態になることを防止することができる。すなわち、第１スイッチ１３のターンオン時においても、デットタイム期間を必要以上に長く設定することなく、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４が同時にオン状態になることを防止することができる。
以上、説明したように、本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置Ａは、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４のオン状態又はオフ状態を検出する状態検出部３２と、状態検出部３２により検出された第１スイッチ１３又は第２スイッチ１４の状態に応じて第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４のスイッチングを同期整流制御する。
このような構成によれば、デットタイム期間をタイマで設定する必要がないため、デットタイム期間を必要以上に長くなることがない。これにより、インダクタ１２に蓄積されたエネルギーが整流用ダイオード１５を介して出力コンデンサ１６に供給される時間を短縮することが可能となる。そのため、同期整流制御において、整流用ダイオード１５による発熱を抑制することが可能となり、整流用ダイオード１５の損失低減に対して効果を上げることが可能となる。
さらに、整流用ダイオード１５の損失が低減することで、出力コンデンサ１６への充電効率を向上させることができるため、昇圧回路１の昇圧復帰能力を向上させることができる。この昇圧復帰能力とは、燃料噴射弁Ｌの開弁より低下した昇圧電圧Ｖｃを、再度燃料噴射弁Ｌを開弁させるために必要な電圧値（所定値）まで上昇させることである。すなわち、燃料噴射弁駆動装置Ａは、燃料噴射弁Ｌの開弁より低下した昇圧電圧Ｖｃを、再度所定値まで上昇させる時間を短縮させることが可能となり、多段噴射の性能向上に寄与する。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
上記実施形態では、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４がＭＯＳＦＥＴである場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１スイッチ１３及び第２スイッチ１４は、ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor;絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やリレー等であってもよい。
Ａ 燃料噴射弁駆動装置
１ 昇圧回路
２ 駆動回路
３ 制御部
１２ インダクタ
１３ 第１スイッチ
１４ 第２スイッチ
１５ 整流用ダイオード
１６ 出力コンデンサ
３１ 電流検出部
３２ 状態検出部
３３ 昇圧制御部
３４ 電圧検出部
３５ 駆動制御部
Ｌ 燃料噴射弁

Claims (5)

  1. 第１スイッチがオン状態、かつ、第２スイッチがオフ状態である場合にインダクタにエネルギーを蓄積し、前記第１スイッチがオフ状態、かつ、前記第２スイッチがオン状態である場合に前記インダクタに蓄積された前記エネルギーを出力コンデンサに供給することで入力電圧を昇圧する昇圧動作を実行可能な昇圧回路と、
    前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン状態又はオフ状態を検出する状態検出部と、
    前記状態検出部により検出された前記第１スイッチ又は前記第２スイッチの状態に応じて前記第１スイッチ及び第２スイッチのスイッチングを同期整流制御することで前記昇圧動作を制御する昇圧制御部と、
    前記昇圧動作により昇圧された電圧を電磁弁に供給することで前記電磁弁を駆動する駆動回路と、
    を備えることを特徴とする電磁弁駆動装置。
  2. 前記昇圧制御部は、前記状態検出部により前記第１スイッチのオフ状態を検出した場合には、前記第２スイッチをオフ状態からオン状態に制御し、前記第２スイッチのオフ状態を検出した場合には、前記第１スイッチをオフ状態からオン状態に制御することを特徴とする請求項１に記載の電磁弁駆動装置。
  3. 前記第１スイッチ又は前記第２スイッチは、制御端子に印加される電圧に応じてオン状態又はオフ状態となり、
    前記状態検出部は、前記第１スイッチ又は前記第２スイッチの制御端子に印加されている電圧を読み取り、前記読み取った電圧の電圧値が閾値以下である場合に、前記第１スイッチ又は前記第２スイッチがオフ状態であると判定することを特徴とする請求項２に記載の電磁弁駆動装置。
  4. 前記第１スイッチ及び前記第２スイッチはＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電磁弁駆動装置。
  5. 前記電磁弁は、内燃機関において燃料を噴射する燃料噴射弁であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電磁弁駆動装置。
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