KR20070057092A - 하나 이상의 용량성 부하를 충전 및 방전하기 위한 회로장치 및 방법 - Google Patents

하나 이상의 용량성 부하를 충전 및 방전하기 위한 회로장치 및 방법 Download PDF

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KR20070057092A
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크리스찬 게오르크 아우게스키
마르틴 괴첸베르거
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명에 따르면, 고효율성과 저손실들이 하나 이상의 용량성 부하(Cp), 특히 압전작동기를 충전 및 방전하기 위한 회로 장치(10) 내에서 달성될 수 있으며, 상기 회로 장치(10) 내에서 상기 충전 및 방전은 하나 이상의 제1 스위치(T1)와 하나 이상의 제2 스위치(T2)의 제어된 개폐에 의해 야기되는 공진 회로에서의 링-어라운드(ring-around) 과정들에 의해 달성된다. 제어기(ST)는 상기 제어기(ST)에 제공되는 하나 이상의 측정 신호(UIC)에 기초하여 상기 스위치들(T1, T2)을 제어하기 위해 제공되고, 커패시턴스(Cu)와 상기 스위치들(T1, T2)은 상기 커패시턴스(Cu) 양단에서의 전압 강하가 상기 스위치들(T1, T2) 중에서 적어도 하나(T1)의 양단에서의 전압 강하(US)를 나타내도록 배열된다. 상기 커패시턴스(Cu)는 직렬로 배선된 전류 측정 저항(RS)을 갖고, 상기 제어기(ST)는 측정 신호로서 측정 저항(RS) 양단에서의 전압 강하(UIC)를 제공받는다.

Description

하나 이상의 용량성 부하를 충전 및 방전하기 위한 회로 장치 및 방법{CIRCUIT ARRANGEMENT AND METHOD FOR CHARGING AND DISCHARGING AT LEAST ONE CAPACITIVE LOAD}
본 발명은 하나 이상의 용량성 부하, 특히 내연 엔진의 연료 주입기의 압전작동기를 충전 및 방전하기 위한 회로 장치에 관한 것이다.
내연 엔진의 연료 주입 밸브들을 작동시키기 위한 압전 세라믹의 사용은, 상기 압전 세라믹을 충전 및 방전하기 위한 전자장치에 대하여 상당한 요구를 부과한다. 충전 및 방전을 위해 비교적 큰 전압들(통상적으로 100V 또는 초과)과 간략히 비교적 많은 전류들(통상적으로 10A 초과)이 제공되어야 한다. 엔진의 특성들(예를 들면, 배기 가스량들, 전력, 연료 소비 등)을 최적화하기 위해, 이러한 충전 및 방전 과정들은 전류와 전압에 대한 폭넓은 동시 제어에 의해 몇 밀리세컨드의 몇 분의 1 이내에 이루어져야 한다. 비교적 낮은 변환된 유효 전력을 갖지만 다른 한편으론 높은 무효 전력을 갖는 거의 순수한 용량성 부하로서 압전 세라믹의 속성은, 상기 압전 소자들을 제어하기 위한 전자장치들에 대하여 다소 비싼 회로 개념들을 요구한다.
하나 이상의 용량성 제어 소자를 제어하기 위한 회로 장치는 DE 199 44 733 A1에 공지되어 있다. 상기 공지된 장치는 양방향으로 작동하는 차단 변환기(blocking converter)에 기초하고 상기 제어 소자의 충전 및 방전 동안에 에너지 부분들의 정확한 할당이 가능하도록 하며, 그 결과로 임의의 어떠한 표준화된 전류 파형들도 충전 및 방전 중 실시될 수 있다. 시간적 동작(timing behavior)도 개별 스위칭 과정들에 기초를 두는 일정한 그리드(a constant grid)에 의해 완전히 제어된다. 그러나, 상기 차단 변환기 원리는 다른 한편으론 사용중인 스위칭 트랜지스터들상에서 사소하지 않은 변형(strains)을 야기하고, 상기 변형은 전기적 효율성과 상기 회로 장치의 연관된 열 부하에 악영향을 끼치려 할 수 있다. 이는 회로 장치를 위해 사용될 전기 구성요소들을 선택할 때 고려되어야 한다. 상기 공지된 솔루션이 기능적으로 완전히 만족스러울지라도, 상기 솔루션은 비용, 소모전력 및 미래 애플리케이션들을 위한 관심 대상일 수 있는 전자기 호환성과 관련하여 개선할 점이 있다.
압전 소자를 충전 및 방전하기 위한 회로 장치는 DE 198 14 594 A1에 공지되어 있다. 상기 공지된 제어 회로는 인덕턴스(초크)를 통해 압전소자를 제어하는 하프 브릿지 최종단에 기초하고, 상기 초크의 제1 용도는 충전 동안에 발생하는 충전 전류와 방전 동안에 발생하는 방전 전류를 제한하는 것이다. 충전이 방해받지 않는 전류 흐름에 의해 이루어지고 그에 따라 이런 제어로 인해 매우 높은 효율성이 이루어질 수 있고 사용중인 구성요소들에 대한 스트레스들이 앞서 언급된 차단 변환기 장치의 경우보다 더 낮을지라도, 상기 제어는 압전 밸브에서의 최대 전압을 초과할 것이 틀림없는 공급 전압을 필요로 한다. 따라서, 예를 들어 12V 또는 24V 의 보통의 내장형 차량 전압을 적합한 공급 전압(예를 들면, 여러 100V)으로 변환하기 위해 실제로 요구되는 DC/DC 변환기는, 상기 제어 전자장치의 전체 전기적 효율성에 상당한 악영향을 가진다.
본 발명의 목적은 매우 효율적으로 그리고 낮은 손실로 하나 이상의 용량성 부하를 충전 및 방전할 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 따른 회로 장치와 청구항 11에 따른 방법에 의해 달성된다. 상기 독립항들은 본 발명의 유용한 개선예들에 관련된다.
본 발명에서는, 유용하게도 충전 동안에 상기 부하에 저장된 에너지가 방전 동안에 완벽하게 방전될 수 있도록 하고 그에 따라 새로운 충전 과정이 이용될 수 있도록 하기 위하여, 충전 및 방전이 공진 회로 장치상에서의 링-어라운드 과정들에 의해 이루어진다. 이 경우 상기 공진 회로 장치는 하나 이상의 인덕턴스(예를 들면, 초크 코일)와 하나 이상의 커패시턴스 뿐만 아니라 충전 및 방전될 상기 용량성 부하를 포함한다. 상기 커패시턴스는 이 경우에 상기 공진 회로 장치 내에서 에너지의 저장용 커패시턴스로서 또는 일시적 저장을 위해 제공될 수 있다. 상기 링-어라운드 과정들은 이 경우에 하나 이상의 제1 스위치와 하나 이상의 제2 스위치의 제어된 개폐에 의해 에너지를 공급받는다.
바람직하게도 다수의 링-어라운드 과정들은 각 경우에 용량성 부하를 충전 및 방전하기 위해 제공되어 전달될 전하를 상기 부하로 전달하고 다수의 단들, 즉 다수의 적합하게 실시된 에너지의 링-어라운드를 위한 공진 회로 섹션들을 통해 및/또는 개별 "충전 부분들"에서 상기 부하로부터 되돌려받는다.
본 발명에 따르면, 스위치들 중의 하나의 폐쇄에 의해 공급 전압원으로부터 공진 회로 장치로 에너지 공급을 수행하는 것이 또한 제공된다. 상기 측정을 통해, 충전을 위해 요구되는 에너지가 공급 전압원으로부터 공급될 수 있고 회로 장치 내 영역에서 발생한 전기 손실들이 보상될 수 있다.
본 발명에 따라 제어 유닛에 의해 제어되는 스위치들은 예를 들어 반도체 스위치 소자들, 특히 전계 효과 트랜지스터들로서 실시될 수 있다. 상기 활성화(activation)는 상기 제어 유닛에 입력되는 하나 이상의 측정 신호에 기초하여 이루어진다.
스위치 폐쇄 이전에 즉시 상기 스위치 양단에서 고전압이 강하하거나 또는 스위치의 개방 이전에 즉시 고전류가 상기 스위치를 통해 전도될 때와 같은 "부하 하에서" 스위치오버가 이루어진다면 실제 스위치 소자들을 스위칭할 때 상당한 스위치오버 손실들이 발생하는 것이 공지되어 있다. 그러므로, 스위칭이 "0 전압" 또는 "0 전류"에서 이루어지는 것이 유용하다.
본 발명에 따르면, 제어 유닛은 상기 제어 유닛이 특히 간단하고 신뢰할만한 방식으로 링-어라운드 과정들에서 낮은 스위칭 손실들로 스위치들이 작동될 수 있도록 하는 시점을 검출할 수 있도록 하는 측정 신호를 제공받는다. 본 발명에 따르면, 전류 측정 저항에서의 전압 강하는 측정 신호로서 사용되고, 상기 전류 측정 저항("분로")은 커패시턴스에 직렬로 스위칭되고, 상기 커패시턴스와 스위치들은 상기 커패시턴스 양단에서의 전압 강하가 상기 스위치들 중에서 적어도 하나의 양단에서의 전압 강하를 나타내도록 배열된다.
스위치들을 제어하기 위해 사용되는 측정 신호를 제공하기 위한 상기 명시된 방법을 통해, 제어 유닛은 특히 신뢰할만하게 스위치들 중 적어도 하나의 양단에서의 전압 강하가 극한값에 도달하는 링-어라운드 과정들에서의 시점을 검출할 수 있다. 이러한 극한값은 예를 들면 최소 전압(완전히 0 볼트일 필요는 없음)일 수 있고, 상기 최소 전압에 도달하는데 관계된 스위치는 상당한 스위칭 손실들 없이 스위칭될 수 있다. 상기 결정된 시점이 스위치의 양단에서의 전압 강하의 최대치에 도달한 시점일 경우, 상기 시점은 유용하게도 동반된 회로 구성으로 인해 두 스위치들에서의 전압들의 강하들이 상보적인 경우에 낮은 스위칭 손실로 다른 스위치 상에서 스위칭하기 위해 이용될 수 있는데, 이는 한 스위치에서의 전압 강하가 클수록 동시에 다른 한 스위치에서의 전압 강하는 작다는 점에서 볼 때이다. 이러한 타입의 상보적인 장치는 예를 들면 제1 스위치와 제2 스위치가, 본래 고정된 미리 결정된 전압이 인가되는 직렬 회로를 형성하는 회로 개념들을 위해 제공된다. 따라서, 상기 회로 개념은 본 발명의 실시예의 바람직한 형태들 중의 하나로서 고려될 것이다.
본 발명의 특별한 장점은, 시간에 대하여 매우 점진적으로만 도달된 임의 스위치에서의 전압 강하의 특히 극한값들에 대해, 상기 극한값이 도달된 시각은 특히 정확하게 결정될 수 있다. 이는 본 발명에 따르면 가능한데, 왜냐하면 사전에 극한값을 아는 것 또는 상기 극한값에 관해 발견해 내고 실제 강하 전압과의 비교를 위한 기준으로서 상기 극한값을 포함하는 것은 불필요하기 때문이다. 대신에, 본 발명에 따르면, 관계된 스위치에서의 전압 강하 시간이 약 0이 되거나 영교차점(zero crossing point)을 갖는 사실로부터 상기 극한값이 도달되는 정확한 말단 시간(end time)을 인식하는 것이 가능하다. 상기 원리는 스위칭 손실들의 감소에 있어서 매우 중요한 "정확한 스위칭 시각들"이 상당히 더욱 정확하게 결정될 수 있게 한다. 커패시턴스 양단에서의 전압 강하가 특히 예를 들어 강하 전압과 본질상 동일한 동반된 스위치 양단에서의 전압 강하를 나타내므로, 상기 커패시턴스로 흘러들어가거나 흘러나오는 전류는 극한 전압(0 또는 영교차)에 도달할 때 최소가 된다. 그러나, 이는 정확하게, 커패시턴스와 함께 직렬 회로 내에 배열된 전류 측정 저항에 의해 간단한 방식으로 측정될 수 있는 전류이다. 상기 전류 측정 저항에서의 전압 강하는 상기 전류에 비례한다.
바람직한 실시예에서, 공진 회로 장치가 인덕턴스 및 용량성 부하로 형성된 직렬 회로를 포함하고, 용량성 부하가 충전될 때와 방전될 때 모두 충전 전류 또는 방전 전류가 상기 인덕턴스를 통해 전달되는 것이 제공된다. 상기 측정을 통해 인덕턴스는 간단히 임시 에너지 저장소로 사용되기보다는 유용하게도 충전 및 방전 전류를 제한하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 전기적 경로(출력 필터의 중간 연결이 있거나 없을 수 있음)를 통한 인덕턴스의 연결이 용량성 부하에 제공될 수 있고, 반면에 임의 스위칭 노드로의 추가 전기적 경로에 의한 상기 인덕턴스의 다른 한 연결은 두 스위치들의 직렬 회로의 중앙 탭(tap)을 형성하며 제공될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제어 유닛은 상기 측정 신호와 하나 이상의 임계값을 비교하기 위한 비교기를 특징으로 한다. 이러한 비교는 상기 제어 유닛이 최적 스위칭 시간들을 결정하기가 용이하도록 한다. 측정 신호가 제공되는 특별한 방식 때문에, 회로 설계에 있어서 유용한 약 0 볼트의 임계값이 선택될 수 있다. 동일 출원인의 내부 작동 지식에 기초한 최적 스위칭 시각들에 대한 이전 방법은 스위칭 트랜지스터에서 전압의 직접 측정을 사용한다. 특히 압전 작동기들을 위한 출력단들 내에서 수백 볼트 범위의 상대적 고전압들 때문에, 정상 비교기를 위한 적합한 전압 레벨을 획득하기 위하여 상기 전압이 초기에 크게 나누어져야 했었다. 그 외에, 결정에 대한 비교적 높은 부정확성은 점진적으로 도달하는 극한값에 의해 제공되었다. 이러한 단점들이 본 발명에 의해 극복된다. 예를 들어 사인꼴 공진(a sinusoidal resonance)의 피크(peak) 값이 검출될 경우, 이를 위해 간단히 본 발명(= 전압의 일시적 편차)에 따라 사용된 측정 신호의 영교차가 검출될 것이다.
추가 개선예에서, 회로 장치가 작동하는 동안에 측정 신호가 다수의 임계값들과 비교되는 것이 제공된다, 즉 비교기가 사용되는 것이 제공되는데 예를 들어 임계값에 상응하는 상기 비교기의 기준 값이 회로 장치가 작동하는 동안에 변경될 수 있다.
회로 장치의 작동에서 상기 임계값을 변경시킬 능력은, 극한값이 개념, 즉 "일시적으로 확장된" 최대치들 또는 최소치들이 동반된다는 개념의 결과로서 특정한 기간의 시간 동안에 존재하는 경우 간단한 방식으로 전류 측정 저항기에서의 전압 강하의 상기 극한값의 도달이 쉽게 검출될 수 있도록 한다는 특별한 장점을 갖는다. 그러면 최대치의 도달은 예를 들어 (상기 최대값이 도달되기 이전에 즉시 전압 커브의 양의 작은 기울기에 상응하는) 상기 양의 작은 임계값에 의해 검출될 수 있고, 반면에 최소치의 도달은 (상기 최소치에 도달되도록 하는 마이너스의 작은 기울기에 상응하는) 상기 마이너스의 작은 임계값의 사용에 의해 검출될 수 있다. 링-어라운드 과정들의 대략적인 타이밍이 사용중인 회로 개념과 사용중인 구성요소들의 전기적 특성들에 의해 한정되므로, (커패시터 또는 스위치의 양단에서의 전압 강하의 최대치들 및 최소치들을 교번적으로 검출하기 위하여) 실제로 각 경우의 "정확한 시각"에서의 비교 임계값을 미리 결정된 두 임계값들 중의 하나로 변환시키는데 아무런 난점도 발생하지 않는다.
커패시턴스 양단에서의 전압 강하가 상응하는 스위치 양단에서의 전압 강하를 나타내도록 하기 위하여, 예를 들면 관련된 스위치에 병렬로 배치된 경로 내에 커패시턴스를 배열하는 것이 제공될 수 있다. 이는, 스위치에서의 더 높은 전압이 상기 커패시턴스에서의 상응하는 높은 전압을 조건으로 함을 보장한다. 전류 측정 저항이 비교적 작은 전기 저항을 갖는 분로로서 구현되고 커패시턴스와 함께 상기 병렬 경로를 형성한다면, 상기 저항에서의 전압 강하는 상기 커패시턴스에서의 전압 강하에 관련하여 무시될 수 있다. 이 경우 커패시턴스에서의 전압 강하는 실제로 스위치에서의 전압 강하와 동일하다.
본 발명의 개선예에서, 추가 커패시턴스가 커패시턴스 및 전류 측정 저항을 포함하는 직렬 회로에 병렬로 연결되는 것이 제공된다. 병렬인 두 경로들로의 커패시턴스의 상기 분할(subdivision)은 실제적으로 회로의 상기 섹션의 전기적 특성들에 아무런 역할을 하지 않으며, 그러나 실제적 면에서 상기 분할은 전류 측정 저항의 구현에 대한 주요 장점을 갖는다. 이는, 전류 측정 저항이 일반적으로 비교적 높은 비용을 유도하는 저항 손실들을 최소화하기 위해 가능한 최소한의 저항값을 가져야 하기 때문이다. 커패시턴스가 다수의 병렬 경로들로 분할될 때, 전류 측정 저항은 미리 결정된 전력 손실을 위해 더 높은 저항값으로 그리고 그에 따라 더 낮은 비용으로 구현될 수 있다. 상기 장점은 특히, 추가 커패시턴스가 전류 측정 저항에 직렬로 연결된 커패시턴스보다 더 클 경우, 특히 예를 들면 10 초과 인자만큼 더 클 경우에 극대화된다.
특히 연료 주입 엔진의 압전작동기들을 충전 및 방전하기 위한 회로 장치들에 있어서, 상기 연료 주입 양의 정확한 측정을 위해, 일반적으로 전압 강하 지점에 기초한 충전 전류 또는 방전 전류를 검출하기 위하여 직류 회로의 전류 측정 저항을 압전작동기에 할당할 필요가 있다. 상기 압전전류 측정 저항의 장치는 실시예에 명시된 형태로 본 발명의 프레임워크 내에서 사용될 수 있는데, 상기 실시예에서는 공진 회로 장치의 커패시턴스가 어떠한 경우에도 제공되는 상기 전류 측정 저항과 직렬로 배열된다. 따라서, 상대적으로 비싼 분로 저항기의 가격이 절약될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조한 예시적 실시예들에 기초하여 아래에 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 하나 이상의 압전작동기를 제어하기 위한 출력단의 주요 구성요소들에 대한 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 회로 장치에서의 다수의 신호선들에 대한 도면,
도 3은 다른 실시예에 따른 출력단에 대한 도면,
도 4a는 도 3에 도시된 회로 장치에서의 다수의 신호선들에 대한 도면,
도 4b는 방전중인 도 3에 도시된 회로 장치에서의 상기 신호선들에 대한 도면,
도 5는 또 다른 실시예에 따른 출력단에 대한 도면,
도 6은 도 5에 따른 회로 장치에서의 다수의 신호선들에 대한 도면, 및
도 7은 임의의 출력단에 사용되는 저장용 커패시턴스의 두 병렬 가지들로의 세분화를 나타내는 도면.
도 1은 차량의 연료 주입 시스템의 다수 압전작동기들을 제어하기 위한, 도면번호 10에 의해 식별되는 전체 출력단을 나타낸다. 도면을 단순화하기 위해, 충전 및 방전에 의해 제어될 압전작동기들 중 하나만이 도시되어 있다; 상기 하나의 압전작동기는 참조부호 Cp에 의해 식별된다. 공지되지 않은 방식에서는, 다수의 주입기들이 출력단에 의해 또는 공지의 출력단의 "저장소(bank)"에 의해, 즉 출력단과 개별 압전작동기들(Cp) 사이의 라인 연결에서 선택 스위치들을 배열함으로써 제어될 수 있다.
도 1에 따른 회로 장치의 레이아웃이 처음으로 설명될 것이다. 출력단(10)은 DC/DC 변환기의 출력에 의해 제공되는 공급 전압(UB)(예를 들면, 200V)을 제공받 고 도 1에 도시된 바와 같이 버퍼 커패시터에 의해 안정화된다.
상기 공급 전압(UB)은 제1 공급 단자와 제2 공급 단자(차량 섀시 GND) 사이에 인가되고, 제어 가능한 두 스위치들을 포함하는 직렬 회로는 상기 공급 단자들 사이에 배열되는데, 상기 스위치들은 도시된 예시에서 전계 효과 트랜지스터들(T1, T2)에 의해 형성된다. 각 경우에서 상기 스위치들(T1, T2)과 병렬을 이루는, 도면에 도시된 다이오드들은 사용중인 전계 효과 트랜지스터들(FET들)의 기판 다이오드들을 상징한다. 상기 반도체 회로 소자들의 상이한 설계에서는, 상기 다이오드들이 별도로 배열될 수 있다.
회로 노드(K)는, 한편으론 인덕터(L)를 통과하는 전기적 경로가 압전작동기(Cp)의 제1 단자("높은 측(high side)")까지 유도하고 다른 한편으론 저장용 커패시터(Cu)와 직렬-연결된 전류 측정 저항기(RS2)를 통해 전기적 경로가 접지(GND)까지 유도하는 상기 회로 장치의 중앙 탭으로서 보여질 수 있다. 커패시터(Cu)와 저항기(RS2)를 포함하는 상기 직렬 회로는 또한 상기 제2 스위치(T2)에 병렬로 배열된다. 상기 직렬 회로의 중앙 탭으로서 도시된 회로 노드(M)는 측정 변수로서 제어 유닛(ST)에 공급되는 전압 신호(UIC)를 전달한다. 상기 제어 유닛(ST)은 자신의 출력을 통해 두 스위치들(T1, T2)을 위한 제어 신호들을 제공한다. 본 경우에서는, 전계 효과 트랜지스터들(FET들)로서 실시된 상기 스위치들을 위한 상응하는 게이트 전위들이 존재한다.
압전작동기(Cp)의 다른 연결은 추가 전류 측정 저항(RS1)을 통해 접지(GND)로 연결된다.
전류 감지 저항(RS1)에서 탭되는 전류 감지 신호는 압전작동기(Cp)의 충전 및 방전 동안에 흐르는 전류를 나타내는 것으로 제어 유닛(ST)에 공급되고 조절된(regulated) 제어의 프레임워크 내에서 사용된다. 그러나, 이는 도면에 도시되지 않는데, 상기 전류 감지 또는 상기 전류 센싱에 기초한 조절(regulation)은 당업자에 공지되어 있고 본 발명의 이해를 위해 중요하지 않기 때문이다.
출력단(10)의 기능들은 도 1 및 도 2를 참조하여 아래에 설명될 것이다.
충전 인덕턴스(L)를 따라 위치한, 도 1에 도시된 커패시턴스(Cu)는 공진 회로의 섹션을 형성하고, 상기 공진 회로는 스위치들(T1, T2)의 개폐에 의해 정확한 리듬으로 에너지를 공급받는다.
도 2는 압전작동기(Cp)가 충전될 때 도 1에 따른 회로 장치에서의 일련의 신호들에 대한 시간적 순서를 도시한다. 상기 개별 신호들은 스위칭 노드(K)에서 우세한 전압(US)(도 2a), 인덕턴스를 통해 흐르는 전류(충전 전류 또는 방전 전류)(IL)(도 2b), 전류 센싱 저항기(RS2)(스위칭 노드(M))에서 탭 오프(tap off)된 전류 센싱 전압(UIC)(도 2c, 두꺼운 선) 그리고 제어 유닛(ST)에 포함된 비교기의 출력 신호(도 2d)(Comp)이고, 상기 비교기는 상기 전류 측정 전압(UIC)과 두 임계 전압들(Uth1, Uth2)(도 2c, 점선들) 중의 하나를 비교한다. 정확한 스위칭 시각들에 대 한 신뢰할만한 검출을 위해, 임계 전압으로부터 다른 임계 전압으로 그리고 그 반대로 급작스런 전이보다는 점진적인 전이가 이루어진다(도 2c, 얇은 선).
압전작동기(Cp)의 충전 및 방전은 공진 회로 장치상에서 링-어라운드 과정들에 의해 이루어지고, 상기 공진 회로 장치는 도시된 예시에서 압전작동기(Cp) 자체, 인덕턴스(L) 그리고 저장용 커패시턴스(Cu)로 형성된다. 압전작동기가 충전될 때, 제1 스위치(T1)의 클록된 다중 폐쇄는 전기적 충전이 인덕턴스(L)를 통해 압전작동기(Cp)로 "부분적으로(in portions)" 링 어라운드 되도록 유발한다.
시점(t1)(도 2)에서 풀 공급 전압(UB)이 저장용 커패시턴스(Cu)를 통해 강하하고, 상기 시점에서 연이어 충전 스위치로서 아래에 참조될 제1 스위치(T1)가 폐쇄된다. 상기 결과는, T1on으로서 명시된 위상에서 상승 선형 전류(IL)가 인덕턴스(L)(충전 전류)를 통해 흐르는 것이다. 이후 시점(t1*)에서, 상기 충전 스위치(T1)는 다시 스위치 오프되고, 이 경우에 정확한 시각은 추가 전류 감지 저항(RS1)을 통해 측정된 충전 전류가 미리 결정된 최대값(Imax)에 도달하자마자 스위치-오프가 일어나도록 예를 들어 제어 유닛(ST)에 의해 미리 결정된다.
연이은 기간(T1off)에서, 전류(IL)는 다시 상기 최대값(Imax)으로부터 시작하여 되강하하고, 상기 전류는 초기에 저장용 커패시턴스(Cu)의 방전에 의해 제공되고, 그런 다음 상기 커패시턴스(Cu)가 완전히 방전되면 상기 전류는 전체 충전 과정 동안에 개방된 제2 스위치(T2)의 다이오드(프리 휠링 다이오드)를 통해 제공된다. 상 기 순간에서, 압전작동기(Cp)는 인덕턴스(L)에 저장된 에너지의 압전작동기(Cp)의 커패시턴스로의 링 어라운드에 의해 일정 정도까지 충전된다. 상기 시간적 순서는 "장치"(인덕턴스와 압전작동기의 커패시턴스를 포함하는 직렬 회로)의 특징들에 의해 명백히 결정되고, 상기 "장치"는 전체 공진 회로 장치의 섹션을 형성한다.
일단 충전 전류(IL)가 기간(T1off)의 끝에서 적소에 있으면, 상기 전류의 유도 사인(leading sign)은 역류한다, 즉 전류는 인덕턴스(L)를 통해 출력단으로 되흘러 나가고, 그 결과로 전압(US)은 횔 노드(K)에서 증가하거나 커패시턴스(Cu) 양단의 전압 하락(drop-off)이 증가하도록 지속된다. 상기 위상에서 되전달되는 에너지는 유용하게도 커패시턴스(Cu)에 저장되고 압전작동기의 추가 충전을 위한 다음 차례의 링-어라운드 과정을 위해 이용될 수 있다.
커패시턴스(Cu) 양단에서 강하하는 전압(US)이 다시 자신의 최대값에 도달하자마자, 충전 스위치(T1)는 다시 폐쇄된다. 따라서 상기 설명된 과정이 반복된다. 효율성에 관하여 출력단을 최적화하기 위해, "정확한 스위칭 시각"(t1)의 정의가 매우 중요한데, 그렇지 않으면 상당한 손실이 일어나기 때문이다. 전자파 방해는 또한 상기 스위칭 시각(t1)의 적합한 선택에 의해 철저하게 감소될 수 있다.
제어 유닛(ST)에 의해 이루어지는 스위치-온 시각(t1)의 정의는 전압(US)이자신의 최대값에 도달하게 되는 시점을 검출하는 것에 기초한다. 이를 위해, 전류-측정 저항(RS2)에서 하락하는 전압(UIC)은 회로 노드(M)를 통해 제어 유닛(ST)으로 전달된다. 제어 유닛(ST)은 상기 전압(UIC)이 0에 근접한 정의된 (양의) 임계값(Uth1) 아래로 떨어지자마자 스위치-오프 신호를 생성한다. 이러한 방식으로 낮은 임계값에 도달하기는 실제로 그 자체로 거의 변화하지 않는 전압(US)을 의미하고, 이는 US의 최대값에 도달하는 것의 특징이다. 따라서, 링-어라운드 과정의 완료를 위한 지시자로서 최대값 검출은 매우 안전하고 구현하기에 쉽다.
비교기 임계치의 동기식 스위치오버(Uth1으로부터 Uth2까지 그리고 그 반대로)에 의해, 양측의 스위칭 지점들(t1 및 t2)이 검출되도록 하기에 한 개의 비교기는 충분하다. 상기 동기식 스위치오버는 이미 도 2d에 따른 도면에 고려되어 있다. 도시된 비교 결과(Comp)는 Uth1을 이용하여 스위칭 시각(t1)을 정의하고 Uth2를 이용하여 스위칭 시각(t2)을 결정하기 위해 생성된다(방전 중에).
출력단의 장점들은 또한, 압전작동기에서의 전압 때문에, 0 V의 스위치들(T1, T2)에서의 전압 강하를 달성하기는 것이 불가능한 경우에 대하여 명백하다. 중요한 점은 스위칭 시각들이 정의되는 방식이 (전압(US)의) 최소값들 또는 최대값들의 검출에 기초한다는 것이다.
본 발명의 기초를 이루는 기능적 원리는 특히 모든 의사공진형(quasi-resonant) 스위칭단들에 적용될 수 있다.
압전작동기(Cp)는 상응하는 방식으로 방전 스위치로도 불리는 제2 스위 치(T2)의 다중 작동에 의해 방전된다.
도시된 예시적 실시예의 변형예에서, 저장용 커패시턴스(Cu)는 또한 예를 들어 충전 스위치(T1)에 병렬로 배열될 수도 있다.
다른 예시적 실시예들에 대한 연이은 설명은 본질적으로 상기 예시들과 앞서 설명한 예시적 실시예들 사이의 차이점만을 다루고 따라서 신속히 앞서 설명한 예시적 실시예들의 설명을 참조한다.
도 3은 예시로서 다른 회로 토폴로지를 이용한 적합한 스위칭 시각들의 검출에 대한 기능적 원리를 도시하고, 상기 회로 토폴로지는 세로 방향 가지의(in a longitudinal branch) 추가 저장용 커패시턴스(CL)와 함께 작동하고 스텝업 변환 모드에서 작동할 수 있는데, 상기 스텝업 변환 모드에서는 압전작동기(Cp)에 인가될 최대 전압(여기서는 200V)의 절반에만 상응하는 하나의 공급 전압(UH)(여기서는, 100V)이 충분하다.
도면의 단순화를 위해, 두 스위치들(T1, T2)의 제어를 위해 제공되는 제어 유닛(ST)이 도 3에는 생략된다. 도 4a 및 도 4b는 충전 과정(도 4a)과 또한 방전 과정(도 4b) 모두에 대해 생성된 신호선들을 나타낸다.
도 3에 도시된 출력단(10a)의 스텝업 변환기 원리의 결과로서, 압전작동기(Cp)의 충전 및 방전 동안에, 두 스위치들(T1, T2)은 특정한 시간 기간들 동안에 교번적으로 폐쇄되고, 상기 기간들은 도 4에서 T1on 및 T2on에 의해 지시된다.
충전 및 방전을 위한 링-어라운드 과정들은 제1 인덕턴스(L1), 제2 인덕턴스(L2), 제1 저장용 커패시턴스(Cu), 제2 저장용 커패시턴스(CL) 및 또한 압전작동기(Cp)로 형성된 공진 회로 장치에서 이루어진다.
회로 레이아웃은 다음과 같다 : 공급 전압(UB)의 양극은 제1 인덕턴스(L1)를 통해 스위칭 노드(K)에 공급되고, 상기 스위칭 노드(K)로부터 제1 경로가 직류 회로를 통해 커패시턴스(Cu)와 전류 측정 저항(RS)으로부터 접지(GND)까지 유도한다. 직류 회로의 중앙 탭(M)에서 측정 신호(전압(URS))는 제어 유닛(ST)(도시되지 않음)을 위한 입력 변수로서 다시 제공된다. 자신의 프리-휠링 다이오드를 따라 위치한 제1 스위치(T1)는 상기 직류 회로와 병렬로 연결된다. 또한, 추가 커패시턴스(CL)와 추가 인덕턴스(L2)를 포함하는 직류 회로는 상기 스위치(T1)와 병렬로 진행된다. 상기 추가 커패시턴스(CL)와 추가 인덕턴스(L2) 사이에 위치한 회로 노드는 최종적으로 세로 방향 가지에서 프리-휠링 다이오드를 포함하는 제2 스위치(T2)를 통해 압전작동기(Cp)의 양의 제어 연결까지 유도한다. 충전 및 방전 전류를 측정하기 위한 전압 측정 저항(도시되지 않음)은 상기 압전작동기와 함께 직류 회로 내에 배열된다.
시각(t1)에서, 커패시턴스(CL)는 완전히 충전되어 있고 스위치(T1)는 폐쇄될 것이다. 이는 커패시턴스(CL)가 제2 인덕턴스(L2)를 통해 스스로 방전되도록 유발 한다. 상기 링-어라운드 과정을 이용함으로써, 에너지는 커패시턴스(CL)로부터 제2 인덕턴스(L2)로 링 어라운드된다. 이는 제2 인덕턴스(L2)를 통해 흐르는 전류가 증가하도록 유발하고 시각(t1')에서 스위치(T1)의 개방 이후에만 점진적으로 떨어지도록 유발한다. 그런 다음 시각(t2)에서 제2 스위치(T2)의 폐쇄는 충전을 위한 전류(IL)가 압전작동기(Cp)로 흐르도록 한다. 그런 다음, 제2 인덕턴스(L2)로부터 시작하여 압전작동기(Cp)까지, 에너지에 대한 추가 링-어라운드 과정이 이어진다. 곧 상기 충전 전류(IL)가 자신의 유도 사인을 변경한 이후, 제2 스위치(T2)는 다시 스위치 오프된다(시각(t2')). 반대 방향으로 계속하여 흐르는 전류(IL)가 추가 커패시턴스(CL)를 계속하여 충전한다. 일정한 지연 이후에, 설명된 상기 링-어라운드 과정들은 반복된다(클록된 충전).
도 4b는 앞서 충전된 압전작동기(Cp)의 (클록된) 방전 동안에 상응하는 시간적 곡선들을 나타낸다.
도 3에 도시된 출력단(10a)을 위해, 스위치들(T1, T2)을 위한 최적 스위칭 시각들이 결정된다, 즉 충전과 또한 방전 동안에 시각들(t1, t2)이 결정된다.
도 5는 다른 출력단(10b)을 나타내는데, 상기 다른 출력단(10b)의 토폴로지는 도 1에 설명된 회로 장치의 토폴로지와 유사하게 선택된다.
상기 출력단과 도 1에 따라 설명된 출력단(10) 사이의 중요한 차이는, 충전 전류 또는 방전 전류의 측정을 위해 배열된 측정 저항(RS)이 제어 유닛(ST)(도시되지 않음)에 대해 언급된 측정 신호의 제공을 위해 사용된다는 점이다. 이를 위해, 도 5에 도시될 수 있는 바와 같이, 자신의 "측정 측" 상에서 압전작동기(Cp)와 함께 연결된 저장용 커패시턴스(Cs)가 존재한다.
결과적으로, 좀더 복잡한 신호선들이 예시로서 충전 과정에 의해 도 6에 도시된다.
다시 스위치들(T1, T2)을 위한 유용한 최적 스위칭 시각들이 회로 노드(M)에서 탭 오프된 측정 전압(URS)과의 비교를 참조하여 결정될 수 있다. 도시된 회로 예시에서는, 충전을 위해 시각(t1) 그리고 방전을 위해 시각(t2)이 존재한다.
측정 신호(URS)의 평가를 위해, 내장형 부동시간 구역들(built-in dead time zones)을 이용한 상응하는 논리가 비교기 펄스들로부터 정확한 선택을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이는 일반적으로 집적 제어 회로들과 함께 어떠한 문제점도 일으키지 않고 이루어질 수 있고 최종적으로 구성요소들과 비용들이 절약된다. 이로써, 심지어 측정 저항(RS)에서의 효과적인 손실들도 감소할 수 있다.
상대적으로 비싼 분로 저항기의 비용을 절약할 수 있는 다른 옵션은, 저장용 커패시턴스를 서로 병렬로 배열되는 두 커패시턴스로 분리하는 것으로, 그들 중의 한 커패시턴스만이 링-어라운드 원리를 위해 필요한 전체 커패시턴스의 일부를 제공한다. 상기 커패시턴스의 분리는 도 7에 도시되어 있다.
제1 저장용 커패시턴스(Cu)와 측정 저항(RS)(도 7의 좌측)을 포함하는 간단한 직류 회로를 대신하여, 추가 커패시턴스(Cu1)가 유용하게도 위의 출력단에 중요한 커패시턴스(Cu2) 및 전류 측정 저항(RS)의 직류 회로에서 병렬(도 7의 우측)로 연결되어 삽입될 수 있다. 따라서 분로 저항기의 전력 특징들 상에 부과되는 요구사항들은 상당히 감소하고, 분로 저항기는 예를 들어 칩 저항기로서 훨씬 단순하게 실시될 수 있다. 일정 환경들 하에서 회로기판의 레이아웃이 또한 이러한 방식으로 더욱 최적화될 수 있는데, 이는 전류 측정 저항을 운반하는 전류 경로를 통해 비교적 적은 전류를 운반하기 때문이다.

Claims (11)

  1. 공진 회로 장치상에서의 링-어라운드 과정들(ring-around processes)을 통해 하나 이상의 용량성 부하(Cp)를 충전 및 방전하기 위한 회로 장치로서,
    상기 공진 회로 장치는 상기 용량성 부하(Cp) 그리고 하나 이상의 인덕턴스(L)와 하나 이상의 커패시턴스(Cu)로 형성되고,
    상기 링-어라운드 과정들은 하나 이상의 제1 스위치(T1)와 하나 이상의 제2 스위치(T2)의 제어된 개폐에 의해 에너지를 공급받고,
    공급 전압원(UB)으로부터 상기 공진 회로 장치로의 에너지 공급은 상기 스위치들(T1, T2) 중의 하나가 폐쇄됨에 의해 실행될 수 있고,
    제어 유닛(ST)에 입력되는 하나 이상의 측정 신호(UIC; URS)에 기초하여 상기 스위치들(T1, T2)을 제어하기 위한 상기 제어 유닛(ST)이 제공되고,
    상기 커패시턴스(Cu)와 상기 스위치들(T1, T2)은 상기 커패시턴스(Cu) 양단에서의 전압(US; UCU) 강하가 상기 스위치들(T1, T2) 중에서 적어도 하나의 양단에서의 전압 강하를 나타내도록 배열되고,
    전류 측정 저항(RS)은 상기 커패시턴스(Cu)에 직렬로 스위칭되고 상기 전류 측정 저항(RS)에서의 전압(UIC; URS) 강하는 상기 제어 유닛(ST)에 상기 측정 신호로 서 입력되는,
    회로 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 부하(Cp)는 압전작동기, 특히 내연 엔진의 연료 주입기의 압전작동기인,
    회로 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공진 회로 장치는 상기 인덕턴스(L)와 상기 용량성 부하(Cp)로 형성된 직류 회로를 포함하고, 상기 용량성 부하(Cp)의 충전 동안과 방전 동안에 상기 충전 전류 또는 방전 전류가 상기 인덕턴스(L)를 통해 전달되는,
    회로 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 전압원(UB)은 직류 변환기의 출력으로 형성되는,
    회로 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치들(T1, T2)은 전계 효과 트랜지스터들로 형성되는,
    회로 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(ST)은, 상기 입력된 측정 신호(UIC; URS)에 기초하여 적어도 상기 스위치들 중에서 한 스위치의 양단에서의 전압 강하가 극한값에 도달하는 링-어라운드 과정들에서의 시각들을 검출하도록 구현되는,
    회로 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(ST)은 상기 측정 신호(UIC; URS)와 하나 이상의 임계값(Uth1, Uth2)의 비교를 위한 비교기를 특징으로 하는,
    회로 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터(Cu)는 상기 스위치들(T1, T2) 중의 하나에 병렬로 배열된 경로에 배치되는,
    회로 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터(Cu2)와 상기 전류 측정 저항(RS)의 직류 회로는 하나의 추가 커패시터(Cu1)와 병렬로 연결되는,
    회로 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 추가 커패시턴스(Cu1)는 상기 전류 측정 저항(RS)의 다음에 직렬로 연결된 상기 커패시턴스(Cu2) 보다 더 큰, 특히 10 초과의 인자만큼 더 큰,
    회로 장치.
  11. 공진 회로 상에서의 링-어라운드 과정들을 통해 하나 이상의 용량성 부하(Cp)를 충전 및 방전하기 위한 방법으로서,
    상기 공진 회로 장치는 상기 용량성 부하(Cp) 그리고 하나 이상의 인덕턴스(L)와 하나 이상의 커패시턴스(Cu)로 형성되고,
    상기 링-어라운드 과정들은 하나 이상의 제1 스위치(T1)와 하나 이상의 제2 스위치(T2)의 제어된 개폐에 의해 에너지를 공급받고,
    공급 전압원(UB)으로부터 상기 공진 회로 장치로의 에너지 공급은 상기 스위 치들(T1, T2) 중의 하나가 폐쇄됨에 의해 실행될 수 있고,
    제어 유닛(ST)에 입력되는 하나 이상의 측정 신호(UIC; URS)에 기초하여 상기 스위치들(T1, T2)을 제어하기 위한 상기 제어 유닛(ST)이 사용되고,
    상기 커패시턴스(Cu)와 상기 스위치들(T1, T2)은 상기 커패시턴스(Cu) 양단에서의 전압(US; UCU) 강하가 상기 스위치들(T1, T2) 중에서 적어도 하나의 양단에서의 전압 강하를 나타내도록 배열되고,
    전류 측정 저항(RS)은 상기 커패시턴스(Cu)에 직렬로 스위칭되고 상기 전류 측정 저항(RS)에서의 전압(UIC; URS) 강하는 상기 제어 유닛(ST)에 상기 측정 신호로서 입력되는,
    충전 및 방전 방법.
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