KR101576550B1

KR101576550B1 - 고전압 발생 장치

Info

Publication number: KR101576550B1
Application number: KR1020107017415A
Authority: KR
Inventors: 파울로 바로쏘; 클레망 누벨
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2015-12-10
Also published as: JP2011511617A; BRPI0907741A2; JP5643114B2; RU2488016C2; KR20100119544A; EP2238677A1; MX2010008172A; US8387597B2; CN101939903A; FR2927482A1; FR2927482B1; CN101939903B; WO2009101352A1; RU2010137120A; US20110073058A1

Abstract

고전압 발생 장치에 있어서, 상기 고전압 발생 장치는 고전압을 증폭할 수 있는 용량 유도성 공진기(RS2), 일련의 고주파 제어 펄스를 생성하기 위한 수단, 전압원(VMT), 콘덴서(C1), 및 전압 발생기(GENI)를 포함하며, 상기 전압 발생기(GENI)는 스위칭 트랜지스터(M1)를 포함하고, 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 제어 전극(G)이 일련의 고주파 제어 펄스를 생성하기 위한 수단의 출력에 접속되고, 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 소스 전극(S)이 접지에 접속되고, 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인 전극(D)이 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 제어 전극(G)에 수신된 일련의 제어 펄스에 응답하여 상기 용량 유도성 공진기(RS2)에 일련의 전압 펄스를 공급할 수 있는 고전압 발생 장치. 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인 전극(D)은 절연 변압기(isolation transformer; TRANS)를 경유해서 상기 용량 유도성 공진기(RS2)에 접속되고, 상기 절연 변압기(TRANS)는 콘덴서(C1)와 병렬로 접속되며, 상기 절연 변압기(TRANS)는 또한 상기 전압원(VMT)에 접속된다.

Description

고전압 발생 장치{High-voltage generator device}

본 발명은 고전압 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그런 고전압 발생 장치에 포함되는 스위칭 트랜지스터의 출력 전압을 감소시키는 고전압 발생 장치에 관한 것이다.

본 발명은 바람직하게는 그러나 비제한적으로, 고전압 발생 장치를 사용하여 가스내 플라스마를 생성하는 것에 적용되고, 특히 내연 기관의 점화를 제어하기 위해 사용되는 스파크 플러그의 전극에 의해 플라스마를 생성하는데 적용된다.

공진 스파크 플러그의 원리는 코일-콘덴서 공진 어셈블리의 사용에 있으며, 이는 세라믹과 같은 유전체 재료에 의해 분리된 2개의 전극(그 중 한 개는 셀(shell)을 포함함)으로 이루어진다. 이 고주파 공진기는 일반적으로 "코일-스파크 플러그(coil-spark plug)"라고 부른다. 이 공진기는 맥동 펄스(pulsed) 전압 발생기의 스위칭 트랜지스터의 제어 전극 상에 수신된 일련의 고주파 제어 펄스에 응답하여 그 공진기에 일련의 전압 펄스를 공급할 수 있는 전압 발생기에 의해 일련의 전압 펄스를 공급받는다.

보다 정확하게, 이 맥동 펄스 전압 발생기는 일련의 고주파 제어 펄스에 의해 제어된 스위칭 트랜지스터에 더하여 병렬로 링크되고, 중간(미디엄) 전압으로 공급된 코일-콘덴서 어셈블리를 포함한다.

이 맥동 펄스 전압 발생기 및 직렬(series) 용량 유도성 공진기 ("코일-스파크 플러그")의 조합은 고전압 발생 장치를 구성하고, 당해 기술에 숙련된 자에게 일반적으로 "의사 클래스 E 증폭기(pseudo class E amplifier)"라 불린다.

상술한 바와 같이, 스위칭 트랜지스터의 제어는 그 스위칭 트랜지스터의 게이트에 인가된 고주파 전압(일련의 제어 펄스)에 의해 수행된다. 트랜지스터가 온(on)일 때, 전류가 코일 주위에 흐르고, 트랜지스터가 오프(off)일 때 전류는 한편으로는 콘덴서에 충전되고, 다른 한편으로는 직렬 공진기의 코일에 공급된다. 트랜지스터의 드레인 전위는 상승한다. 이 고전압은 중요한 품질 인자에 의해 스파크(불꽃)를 유발할 수 있는 고전압을 생성하는 직렬 공진기(코일-스파크 플러그)에 주기적으로 공급된다. 그런 발생기들은 프랑스 특허 출원 FR 03-10766, FR 03-10767, 및 FR 03-10768에 기술되어 있다.

의사 클래스 E 증폭기는 또한 초음파 주입 장치에 적용될 수 있다. 압전 인젝터의 초음파 여기는 피크 투 피크가 200 V와 1800 V 사이이고 25 kHz와 50 kHz 사이에서 조정되는 고전압의 생성을 필요로 한다.

어떠한 응용이던, 의사 클래스 E 증폭기는 이용가능한 구성부품의 다양성을 상당히 축소시키면서, 필요 전력과 전압에 견딜 수 있는 제어 트랜지스터를 필요로 한다.

본 발명의 목적은 직렬 공진기의 단자 양단에 충분한 전압을 유지하면서 전력 트랜지스터의 출력에 공급되는 전압을 축소하도록 하는 솔루션을 제안하는 데 있다.

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 고전압 발생 장치가 제공되며, 상기 고전압 발생 장치는 고전압을 증폭할 수 있는 용량 유도성 공진기, 일련의 고주파 제어 펄스를 생성하기 위한 수단, 전압원, 콘덴서와 전압 발생기를 포함하며, 상기 전압 발생기는 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 그 스위칭 트랜지스터의 제어 전극이 일련의 고주파 제어 펄스를 생성하기 위한 수단의 출력에 링크되고, 그 스위칭 트랜지스터의 소스 전극이 접지되고, 그 스위칭 트랜지스터의 드레인 전극이 스위칭 트랜지스터의 제어 전극에 수신된 일련의 제어 펄스에 응답하여 용량 유도성 공진기에 일련의 전압 펄스를 공급할 수 있다. 스위칭 트랜지스터의 드레인 전극은 절연 변압기(isolation transformer)를 경유해서 용량 유도성 공진기에 링크되고, 상기 절연 변압기는 콘덴서와 병렬로 링크되며, 상기 절연 변압기는 더욱이 전압원에 링크된다.

절연 변압기의 1차 권선은 일단이 제어 트랜지스터의 드레인 전극에 그리고 타단이 전압원에 링크될 수 있으며, 상기 절연 변압기의 1차 권선이 콘덴서와 병렬로 링크될 수 있다.

절연 변압기의 2차 권선은 일단이 용량 유도성 공진기에 링크되고 타단이 접지에 링크되며, 상기 접지는 상기 용량 유도성 공진기에 링크될 수 있다.

상기 고전압 발생 장치는 1차 권선과 2차 권선을 전기적으로 분리시키는 갈바닉 절연(galvanic isolation)부를 포함할 수 있고, 하나의 권선에 링크된 구성요소와 접지는 상기 갈바닉 절연부에 의해 다른 권선에 링크된 구성요소와 접지로부터 전기적으로 분리된다.

2차 권선에 링크된 회로에 존재하는 접지는 1차 권선에 링크된 회로에 존재하는 접지와 별개이며 그로부터 격리될 수 있다.

일련의 제어 펄스를 생성하기 위한 수단은 고정(fixed) 주파수 오실레이터를 포함할 수 있다.

발명의 다른 장점과 특성은 전적으로 비제한적인 실시예의 상세한 설명과 첨부 도면을 심사할 때 명백할 것이며, 여기서 단일 도면은 본 발명에 따르는 전자 장치의 전형적인 실시예를 도시한다.

본 발명의 고전압 발생 장치는 직렬 공진기의 단자 양단에 충분한 전압을 유지하면서 전력 트랜지스터의 출력에 공급되는 전압을 축소하는 효과가 있다.

도면은 본 발명에 따르는 전자 장치의 전형적인 실시예를 도시한다.

도면에 도시한 것처럼, 맥동 펄스 전압 발생기(GENI)는 병렬로 연결된 변압기(TRANS)와 콘덴서(C1)로 이루어진 어셈블리뿐 아니라, 고정 주파수 오실레이터(OSC)에 의해 생성된 일련의 제어 펄스에 의해 게이트 전극(G)에서 제어되는 N 채널 MOSFET 전력 트랜지스터로 형성된 스위칭 트랜지스터(M1)를 포함한다. 이 주파수는 전형적으로 1 MHz보다 큰 대략 수 MHz의 고주파이다. 변압기(TRANS)는 권선수 N1의 1차 권선과 권선수 N2의 2차 권선을 포함한다. 2차 권선의 하나의 단자는 저항(R2), 인덕터(L2)와 콘덴서(C2)에 의해 모델화되는 용량 유도성 공진기(RS2)의 제1 단자에 연결된다. 직렬 공진기(RS2)의 다른 단자는 한편으로는 접지에 연결되고, 다른 한편으로는 2차 권선의 다른 단자와 연결된 저항(R3)에 연결된다. 저항(R1)은 2차 권선의 제2 단자를 접지에 연결하는 배선의 저항성 동작의 모델, 또는 직렬 공진기(RS2)에 흐르는 전류를 측정하는 것에 그 역할이 있는 물리적 구성요소일 수 있다. 후자의 경우, 이 구성요소의 저항은 공진기(RS2)에서 R2의 값에 대해서 매우 낮게 선택될 것이므로, 공진기(RS2)의 성능(과전압 인자)을 저하시키지 않고 구성요소의 과도한 가열을 일으키지 않는다. 갈바닉 절연부(IG)는 변압기(TRANS)의 2개의 권선을 분리한다. 갈바닉 절연부(IG)는 또한 1차 권선에 연결된 구성요소를 일측으로 그리고 2차 권선에 연결된 구성요소를 타측으로 분리한다. 또한 용량 유도성 공진기라고 불리는 직렬 공진기(RS2)는 플라스마 발생 스파크 플러그 또는 압전 또는 초음파 인젝터에 포함될 수 있다.

인덕터(L2)와 콘덴서(C2)로 형성된 직렬 공진기의 고유 주파수는 또한 예를 들면 과전압 인자가 40과 200 사이일 때 예를 들면 1 MHz보다 큰 높은 공진 주파수를 나타낸다.

맥동 펄스 전압 발생기(GENI)는 전형적으로 1000 볼트 미만인 중간 전압을 공급하는 DC 전압원(VMT)에 의해 전압을 공급받는다.

더욱이 이 전압원(VMT)은 바람직하게는 스파크 플러그의 전극들 사이에 인가된 에너지가 예를 들면 안전상의 이유로 점화당 300 mJ로 제한되는 한계 전력을 나타낸다. 자동차 용도에서 12 볼트보다 큰 DC 전압을 생성하기 위해, 12 볼트를 Y 볼트로 변환하는 변환기를 사용할 수 있고, Y는 전원(VMT)에 의해 제공된 전압이다. 이에 따라, 배터리 전압으로부터 원하는 DC 전압 레벨을 생성할 수 있다.

생성된 DC 전압의 안정성은 선험적으로 결정 기준이 아니며, 예를 들어 견고하고 간소한 특성을 위해 초핑된(chopped) 전원을 사용하여 맥동 펄스 전압 발생기(GENI)에 전압을 공급하도록 하는 규정이 정해질 수 있다.

트랜지스터(M1)가 온일 때, 전류가 코일(L1) 주위를 흐른다. 트랜지스터(M1)가 오프일 때, 전류가 한편으로는 콘덴서(C1)에 충전되고, 다른 한편으로는 코일(L2)에 공급된다.

트랜지스터(M1)의 드레인 전위(D)는 상승한다.

전형적으로 약 수백 볼트의 이 고전압은 주기적으로 중요한 과전압 인자에 의한 불꽃을 유발할 수 있는 고전압(HT)을 생성하는 직렬 공진기(RS2)에 공급된다.

변압기의 존재에 의해, 1차 권선의 단자 양단에 걸리고 이에 따라 전력 트랜지스터의 출력에 걸리는 전압은 감소될 수 있다. 실제로, 변성비(M)는 1차 권선 N1과 2차 권선 N2의 권수 비율과 같으며, 이는 1차 권선 전압 U1과 2차 권선 전압 U2 의 전압 비율과 같다:

따라서, 직렬 공진기(RS2)의 단자 양단에 걸리는 즉 2차 권선(N2)의 단자 양단에 걸리는 전압(U1)을 얻으려면, 다음 수학식 2에 의하여 1차 권선(N1)의 단자 양단에 걸리는 전압(U2)을 얻기에 충분하다:

변압기를 생산하기 위해 사용된 구조와 기술은 또한 의사 클래스 E 증폭기의 적절한 동작을 위한 2개의 필수적인 형태이다.

에어 갭(air-gap) 변압기의 사용은 관련된 주파수를 고려하여 바람직하다. 대안적인 해법이 사용될 수 있으나 변환 효율은 낮아질 수 있다.

바람직하게는 고주파 교란을 제한하기 위해 권선은 접지 브레이드(ground braid)를 갖는 차폐 동축 와이어로 제작될 수 있다.

초음파 주입을 위한 의사 클래스 E 증폭기를 사용하는 경우, 관련된 저주파를 고려할 수 있도록 제조상 제약사항들은 감소될 수 있다.

더욱이, 인덕터에 관한 변압기를 사용함으로써 몇 가지 현저한 효과가 발휘된다는 점에 유의할 필요가 있다.

프랑스 특허 FR03-10766, FR03-10767, FR03-10768에서 기술된 것과 같은 무선주파수 점화에 대한 용도에 대하여, 변압기를 사용함으로써 의사 클래스 E 증폭기의 출력과 다중 불꽃 스파크 플러그(BME)의 충전 사이에 있는 직렬 콘덴서가 필요없게 되고, 또한 밸룬(Balun) 유형의 공통 모드 필터가 필요없게 된다. 더욱이, 예를 들면 저항(R3)의 수준(level)에서 이온화 전류의 측정을 통합할 수 있다.

더욱이, 절연-유형 변압기를 사용하면, 직렬 공진기(RS2)의 입력에 걸린 신호의 직류 성분을 제거할 수 있으므로, 신호의 진폭을 보존하면서 케이블에 인가된 최대 전압을 감소시킬 수 있다. 이로부터, 케이블의 절연에 대해 무거운 부담이 되고 있는 제약사항들은 변압기가 없는 의사 클래스 E 증폭기의 경우에서와 같은 정도로 엄격하지 않음을 이해할 수 있다. 그때 사용 가능한 케이블의 범위는 더 크다.

조작 안전성에 관련하여, 변압기가 있는 의사 클래스 E 증폭기는 접속 케이블에서부터 직렬 공진기(RS2)에 이르기까지 콘덴서(C1)와 전원을 전기적으로 분리할 수 있도록 한다. 따라서, 이들 케이블의 수준에서 또는 이들 케이블의 하나와 접지 사이에서 발생한 단락 회로는 어떤 전기적 충격도 일으키지 않을 것이다.

끝으로, 변압기를 사용함으로써 특히 공통 모드 전류에 대해 방출된 전자기 교란을 감소시킬 수 있다. 실제로, 직렬 공진기(RS2)의 접지는 트랜지스터(M1)의 접지로부터 분리되므로, 점화 스파크의 생성 또는 초음파 생성 동안 방출된 전자기 교란이 공통 접지를 경유해서 트랜지스터(M1)와 제어 전자회로 쪽으로 안내될 수 없다. 이는 접속 케이블이 접지 브레이드와 외피에 몰드된 차폐부를 포함할 때 더욱 사실적이다. 절연(isolation)을 증가시키기 위해, 접지 브레이드의 한쪽 단 또는 양쪽 단은 접속될 수 있어, 저항(R3)을 통한 전류의 복귀가 다른 도체에 의해 확실하게 된다.

GENI...전압 발생기
OSC...오실레이터
RS2...직렬 공진기
TRANS...변압기
VMT...전압원
C1...콘덴서
M1...스위칭 트랜지스터
N1...1차 권선
N2...2차 권선

Claims

고전압 발생 장치에 있어서,
상기 고전압 발생 장치는,
고전압을 증폭할 수 있는 용량 유도성 공진기(RS2),
일련의 고주파 제어 펄스를 생성하기 위한 수단,
전압원(VMT),
콘덴서(C1), 및
전압 발생기(GENI)를 포함하며,
상기 전압 발생기(GENI)는 스위칭 트랜지스터(M1)를 포함하고,
상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 제어 전극(G)이 일련의 고주파 제어 펄스를 생성하기 위한 수단의 출력에 링크되고, 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 소스 전극(S)이 접지되고, 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인 전극(D)이 상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 제어 전극(G)에 수신된 일련의 제어 펄스에 응답하여 용량 유도성 공진기(RS2)에 일련의 전압 펄스를 공급할 수 있으며,
상기 스위칭 트랜지스터(M1)의 드레인 전극(D)은 절연 변압기(isolation transformer; TRANS)를 경유해서 상기 용량 유도성 공진기(RS2)에 링크되고,
상기 절연 변압기(TRANS)는 콘덴서(C1)와 병렬로 링크되며,
상기 절연 변압기(TRANS)는 더욱이 상기 전압원(VMT)에 링크되고,
상기 절연 변압기(TRANS)의 1차 권선(N1)은 일단이 제어 트랜지스터(M1)의 드레인 전극(D)에 그리고 타단이 상기 전압원(VMT)에 접속되며, 상기 절연 변압기(TRANS)의 1차 권선(N1)이 콘덴서(C1)와 병렬로 링크되고,
상기 절연 변압기(TRANS)의 2차 권선(N2)은 일단이 상기 용량 유도성 공진기(RS2)에 링크되고 타단이 접지에 링크되며, 상기 접지는 또한 상기 용량 유도성 공진기(RS2)에 링크되고,
상기 고전압 발생 장치는 1차 권선(N1)과 2차 권선(N2)을 전기적으로 분리시키는 갈바닉 절연(galvanic isolation)부(IG)를 포함하며, 하나의 권선에 링크된 구성요소와 접지는 상기 갈바닉 절연부(IG)에 의해 다른 권선에 링크된 구성요소와 접지로부터 전기적으로 분리됨을 특징으로 하는 고전압 발생 장치.
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제1항에 있어서, 2차 권선(N2)에 링크된 회로에 존재하는 접지는 1차 권선(N1)에 링크된 회로에 존재하는 접지와 별개이며 그로부터 격리되는, 고전압 발생 장치.
제1항에 있어서, 일련의 제어 펄스를 생성하기 위한 수단은 고정(fixed) 주파수 오실레이터(OSC)를 포함하는, 고전압 발생 장치.
내연 기관의 점화를 제어하기 위해 제1항, 제5항 및 제6항 중의 한 항에 기재된 고전압 발생 장치를 사용하는 방법.