WO2008047018A1 - Dispositif de commande d'un actionneur piezo-electrique ultrasonore - Google Patents

Dispositif de commande d'un actionneur piezo-electrique ultrasonore Download PDF

Info

Publication number
WO2008047018A1
WO2008047018A1 PCT/FR2007/052014 FR2007052014W WO2008047018A1 WO 2008047018 A1 WO2008047018 A1 WO 2008047018A1 FR 2007052014 W FR2007052014 W FR 2007052014W WO 2008047018 A1 WO2008047018 A1 WO 2008047018A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
stage
vint
transistor
piezoelectric actuator
Prior art date
Application number
PCT/FR2007/052014
Other languages
English (en)
Inventor
Clément Nouvel
Original Assignee
Renault S.A.S
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault S.A.S filed Critical Renault S.A.S
Priority to EP07823859A priority Critical patent/EP2084757A1/fr
Priority to JP2009532855A priority patent/JP5086358B2/ja
Priority to US12/444,325 priority patent/US8154225B2/en
Publication of WO2008047018A1 publication Critical patent/WO2008047018A1/fr

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065Large signal circuits, e.g. final stages
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/802Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the present invention relates to a device for controlling at least one piezoelectric actuator controlled by a computer, comprising a first stage powered by a DC voltage source and provided with means for forming a second DC voltage greater than that delivered by this source, and a second stage provided with means for amplifying this second voltage and for chopping the voltage obtained for the excitation of the actuator with the chopped voltage, under the control of the computer, these amplification means comprising an inductance in electrical resonance with the piezoelectric actuator.
  • a device of this type is known from European Patent Application No. 1,422,764 filed in the name of the applicant, hereinafter referred to as the aforementioned patent.
  • This known device is designed to provide excitation of an ultrasonic piezoelectric actuator incorporated in a fuel injector for an internal combustion engine. It is shown schematically in Figure 1 of the accompanying drawing. As shown in this figure, it comprises a first stage A powered by the battery of a vehicle powered by this engine, which battery thus establishes a voltage Vbat on a capacitor C 1 placed at the entrance of this stage.
  • a computer Ca which manages the opening time of the fuel injectors I 1 (i from 1 to 4) also controls the conductive duty cycle of the transistor T A so as to establish a voltage across the capacitor C 2 continues Vint. The level of this voltage is intermediate between that of the battery (commonly 12 volts) and that required to ensure the excitation of the piezoelectric actuators incorporated in the injectors I (currently of the order of 1 kilovolt).
  • This voltage Vint feeds a second stage B comprising an inductance L 2 calculated to be in electrical resonance with the capacity of each injector I 1 , so that the output voltage of this stage reaches the aforementioned kilovolt at a capacitance of adaptation C 3 .
  • a hash transistor T 6 also controlled by the aforementioned computer, cuts the output voltage of the stage A to the ultrasonic frequency required by the piezoelectric actuators, during the opening times of the injectors determined by this computer.
  • the sequential activation of the injector I 1 selected is also provided by the computer, which controls for this purpose the conduction of a transistor T 1 associated with this injector.
  • this device comprises two separate inductive elements L 1 and L 2 whose size and cost can be significant within the electronic injection system associated with the engine.
  • the present invention is specifically intended to provide a piezoelectric actuator control device, integrable including fuel injectors for internal combustion engine, wherein these disadvantages are removed or, at least, minimized.
  • a device for controlling at least one piezoelectric actuator driven by a computer comprising a first stage powered by a DC voltage source and provided with means for forming a second DC voltage greater than that delivered by this source, and a second stage provided with means for amplifying the second DC voltage and for chopping the voltage obtained for excitation.
  • these amplification means comprising an inductance in electrical resonance with the piezoelectric actuator, this device being remarkable in that this inductance is connected to the first stage so during the formation of the second DC voltage, constituting the secondary winding of a transformer forming part of a voltage converter n of the "flyback" type introduced in the first stage to develop the second DC voltage.
  • the two inductors used in the device according to the invention are wound on the same core, and not on two separate cores, which achieves the goal announced above. According to other features of the present invention:
  • the "flyback" converter comprises a switching transistor in series with the primary winding of the transformer, an output capacitance under the intermediate voltage (Vint) and a rectifying diode, the rectifying diode being constituted by a free-wheeling diode associated with a transistor forming part of the chopping means of the amplified voltage,
  • the freewheeling diode is integrated in the transistor
  • the transistor is of the MOSFET type
  • the device comprises overvoltage limiting means on the primary of the transformer, the device comprises means for regulating the intermediate voltage available at the terminals of the capacitor,
  • FIG. 1 schematically represents a device of the prior art, described in the preamble of the present invention; DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
  • FIG. 2 diagrammatically represents the structure of the first and second stages of the device according to the present invention, designed to be substituted for the corresponding stages of the device of FIG. 1, FIG. 2a illustrates a detail of FIG.
  • FIG. 3 represents a set of timing diagrams useful for describing the operation of the device according to the invention.
  • the first stage of the device according to the invention generally takes the form of a switching power supply of the type well known to those skilled in the art under the name of "flyback" converter.
  • This converter comprises a transformer comprising a primary winding L f and a secondary winding L p , wound on the same ferrite core schematized by the broken line referenced 3.
  • the primary winding, or inductance, L f is placed in series with the conduction circuit of a transistor T f , advantageously of the MOSFET type, between a line 4 connected to the battery of the vehicle, and the ground.
  • the conduction of this transistor, chopping, is controlled by high frequency signals from the computer C, through a control stage E d .
  • the capacitor Ci placed at the input of the stage 1, between the line 4 and the ground, plays the same role as the corresponding capacitance of the known device of FIG. 1.
  • the secondary winding is constituted by an inductance L p also used in the second stage but, as will be seen later, in a different time.
  • the energy stored in the magnetic core is transferred into a capacitor connected between the terminals of the secondary winding, here the capacitor C f , through a non-return diode which will be given the position further. It is at the terminals of this capacitance C f that the intermediate voltage Vint formed by the first stage 1 is taken from the voltage Vbat delivered by the vehicle battery. This intermediate voltage is advantageously between 50 and 300 volts.
  • the second stage 2 is similar in structure to the corresponding stage B of the known device of FIG. 1.
  • this inductance L p is however different from the independent inductance L 2 of stage B of the known device of FIG. 1 in that it consists of the secondary winding of the transformer ( L f , 3, L p ) forming part of the flyback converter integrated in the first stage 1.
  • the second stage 2 of the device according to the invention operates substantially like that of the known device.
  • this stage amplifies the intermediate voltage Vint to deliver a voltage reaching in peak the level required for the excitation of the piezoelectric actuators, ie 1 kilovolt for example, this voltage being chopped at the ultrasonic frequency, also required, by a suitable control of the transistor T h , developed by the computer C.
  • this amplification is obtained through an oscillating circuit formed by the inductance L p and the capacity of each actuator, this inductance L p being a function of the acoustic excitation resonance of the actuator.
  • the chopped high voltage is delivered to the piezoelectric actuator of the selected injector by an output line 5 of the second stage 2, connected to the point common to the inductance L p and to the drain of the transistor T h .
  • An adaptation capacitance C p is connected between the line 5 and ground to play the same role as the capacitor C3 of the known device of FIG.
  • the current MOSFET transistors are normally equipped with a freewheeling diode such as the diode D r of the transistor T h of the second stage of the device according to the invention.
  • this freewheeling diode D r assumes the rectifying function of the flyback converter.
  • the periods during which the transistor T h is active in hash corresponds to the fuel injection times t, as determined by the computer C.
  • the periods during which the transistor T f is active in cutting correspond to the energy storage times in the inductance L f , or recharge time t r .
  • the comparison of the chronograms of the "on / off" (closed / open) commands of the transistors T f and T h makes it clear that the periods of activity of these two transistors never overlap. This allows, according to a feature of the present invention, the pooling of the use of the inductance L p by the two stages 1 and 2, even though the functions of these two stages are distinct.
  • the voltage rise supported by the first stage is effected by cutting the primary supply current L f of the transformer (L f , 3, L p ) by means of a high-frequency switching (for example the order of 100 kHz or more) of the transistor T f between its open and closed states, controlled by the computer C.
  • This switching is effected with an adjustable duty cycle, also determined by this calculator, as is well known in the art. order a flyback converter.
  • the maintenance of the intermediate voltage at this level may require the presence of regulating means adapted to properly reactivate the switching operated by the transistor T f flyback converter of the first stage 1 of the device according to the invention.
  • regulating means may comprise a sensor of the voltage to be monitored across the capacitor C f and a regulator sensitive to the signal delivered by this sensor for controlling the switching excitation of the transistor T f so as to raise the voltage Vint to its setpoint.
  • the installation of such control means does not present any difficulty for the skilled person and therefore does not require a more complete description in the context of the present patent application.
  • the transistor T h of the second stage 2 remains open. It is obviously the same during the time spent regulating the load of this capacity.
  • a fuel injection control for a time t determined by the computer C, it keeps open the transistor T f of the first stage 1 and hashed the transistor T h of the second stage 2. then operates substantially as the second stage of the device described in the aforementioned patent, which is therefore referred for a detailed description of this operation.
  • the transformer is then used as a simple inductance L p (the first winding L f then having a very high impedance between its terminals), in electrical resonance with the piezoelectric actuator of the injector selected by the computer C. is thus obtained the high voltage (about 1 kilovolt) chopped at the ultrasonic frequency (40-50 kHz, for example) necessary for the excitation of this piezoelectric actuator.
  • the transistor T f is subjected to a chopped voltage of the order of 100 volts, lower than the one (1 kV) supported by the transistor T h because of the transformation ratio of the transformer.
  • the chopped voltages supported by the transistors T f and T h are respectively of the order of 50 and 250 volts.
  • the drain-source isolation characteristics, or collector-emitter, of these transistors must allow these voltage levels to be supported. From the above it follows that the computer is properly programmed to control the transistors T f and T h so as to prohibit simultaneous operation of the first and second stages of the device according to the invention. Despite the precautions taken, interference such as the unintentional control of an injector during a recharge phase of the output capacity of the flyback converter can not be ruled out (a peak voltage during recharging may be sufficient to activate an injector).
  • a first solution of this problem is to program the computer so that no load (injector or compensation capacitor) is connected during the voltage rise operated by the first stage of the device.
  • Another solution is to use very different switching and chopping frequencies, separated by at least 1 kHz. This is clearly the case for the frequencies indicated above as an example (100 kHz at chopping and 40-50 kHz chopping).
  • An improvement of this solution consists in using a switching frequency separated by more than 1 kHz resonance frequencies of the injectors and their harmonics.
  • a feature of the device according to the present invention is that the dimensioning of the transformer of the flyback converter of the first stage must obviously take into account the value that must have the inductance L p of its secondary winding when it occurs in the oscillating circuit constituting the second floor.
  • this inductance can be between 40 ⁇ H and 500 ⁇ H.
  • Vint M. ⁇ .Vbat,
  • the transformer primary must be protected against overvoltages resulting from the use of the flyback operating mode of the first stage of the device according to the invention.
  • transistor T f can be protected by means of a diode Zener di mounted in antiparallel between the drain and the source of this transistor and with the aid of a other Zener diode d 2 rising pass from the source to the gate of the transistor.
  • a circuit Z in parallel on the primary winding L f As illustrated by FIG. 2a, this circuit may comprise two diodes mounted head to tail in series, one being of the Zener type.
  • the invention makes it possible to achieve the stated purpose of providing a device for controlling ultrasonic piezoelectric actuators of reduced size and cost by the fact that the two windings L f and L p are wound on the same ferrite core while the two windings used in the device of the aforementioned patent are wound on separate cores.
  • the transformer of the device according to the invention further establishes a galvanic isolation reassuring between the two stages of this device, insulation that does not exist in the device of the aforementioned patent.
  • the transistor T f must support the battery voltage Vbat and the return of the secondary voltage during the injection commands. This last voltage being lower, of the order of 50 volts, the necessary insulation voltage for T f can be of the order of 150 volts only. It is then possible to choose a transistor T f in a technology that guarantees better performance of the first stage.
  • the invention is not limited to the embodiment described and shown which has been given only by way of example. It is thus possible to use in the invention transistors other than the MOSFET type, for example IGBT transistors. Also the invention is not limited to the control of fuel injectors and extends to the control of piezoelectric actuators in general and, more generally still, to the high voltage alternating control, in particular for frequencies of control below 500 kHz.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

Le dispositif comprend un premier étage (1) alimenté par une source de tension continue (Vbat) et muni de moyens de formation d'une deuxième tension continue (Vint) supérieure à celle (Vbat) délivrée par la source, et un deuxième étage (2) muni de moyens d'amplification de la deuxième tension (Vint) et de hachage de la tension obtenue pour l'excitation de l' actionneur avec la tension hachée, sous la commande d'un calculateur (C), les moyens d'amplification comprenant une inductance (Lp) en résonance électrique avec l'actionneur piézo-électrique. Suivant l'invention, l'inductance (Lp) est connectée au premier étage (1) de manière à constituer, pendant la formation de la deuxième tension (Vint), l'enroulement secondaire d'un transformateur formant partie d'un convertisseur de tension du type 'flyback' introduit dans ledit premier étage pour développer la deuxième tension (Vint). Application à la commande d'un injecteur de carburant dans un moteur à combustion interne.

Description

Dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore
La présente invention est relative à un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique piloté par un calculateur, comportant un premier étage alimenté par une source de tension continue et muni de moyens de formation d'une deuxième tension continue supérieure à celle délivrée par cette source, et un deuxième étage muni de moyens d'amplification de cette deuxième tension et de hachage de la tension obtenue pour l'excitation de l'actionneur avec la tension hachée, sous la commande du calculateur, ces moyens d'amplification comprenant une inductance en résonance électrique avec l'actionneur piézo-électrique.
On connaît un dispositif de ce type de la demande de brevet européen n° 1 422 764 déposée au nom de la demanderesse, ci-après appelée brevet précité. Ce dispositif connu est conçu pour assurer l'excitation d'un actionneur piézoélectrique ultrasonore incorporé à un injecteur de carburant pour moteur à combustion interne. Il est schématisé à la figure 1 du dessin annexé. Comme représenté sur cette figure, il comprend un premier étage A alimenté par la batterie d'un véhicule propulsé par ce moteur, batterie qui établie ainsi une tension Vbat sur une capacité C1 placée à l'entrée de cet étage. Celui-ci prend la forme d'une alimentation à découpage, du type "boost" selon la terminologie de l'homme du métier^comprenant classiquement une inductance L1, un transistor de découpage TA, une diode D et une capacité de sortie C2. Un calculateur Ca qui gère le temps d'ouverture des injecteurs de carburant I1 (i de 1 à 4) commande aussi le rapport cyclique de conduction du transistor TA de manière à établir aux bornes d'une capacité de filtrage C2 une tension continue Vint. Le niveau de cette tension est intermédiaire entre celui de la batterie (couramment 12 volts) et celui requis pour assurer l'excitation des actionneurs piézo-électriques incorporés aux injecteurs I, (couramment de l'ordre de 1 kilovolt). Cette tension Vint alimente un deuxième étage B comprenant une inductance L2 calculée pour être en résonance électrique avec la capacité de chaque injecteur I1, de manière que la tension de sortie de cet étage atteigne le kilovolt précité, au niveau d'une capacité d'adaptation C3. Un transistor de hachage T6, également commandé par le calculateur précité, découpe la tension de sortie de l'étage A à la fréquence ultrasonore requise par les actionneurs piézoélectriques, pendant les temps d'ouverture des injecteurs déterminés par ce calculateur. La mise en circuit séquentielle de l'injecteur I1 sélectionné est également assurée par le calculateur, qui commande à cet effet la conduction d'un transistor T1 associé à cet injecteur. On se reportera au brevet précité pour plus de détails concernant la structure et le fonctionnement de ce dispositif connu. Il résulte de la description qui précède que ce dispositif comporte deux éléments inductifs séparés L1 et L2 dont l'encombrement et le coût peuvent être importants au sein du système d'injection électronique associé au moteur. La présente invention a précisément pour but de fournir un dispositif de commande d'actionneurs piézo-électriques, intégrables notamment à des injecteurs de carburant pour moteur à combustion interne, dispositif dans lequel ces inconvénients sont supprimés ou, pour le moins, minimisés.
On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, avec un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique piloté par un calculateur, comportant un premier étage alimenté par une source de tension continue et muni de moyens de formation d'une deuxième tension continue supérieure à celle délivrée par cette source, et un deuxième étage muni de moyens d'amplification de la deuxième tension continue et de hachage de la tension obtenue pour l'excitation de l'actionneur avec la tension hachée, sous la commande du calculateur, ces moyens d'amplification comprenant une inductance en résonance électrique avec l'actionneur piézo-électrique, ce dispositif étant remarquable en ce que cette inductance est connectée au premier étage de manière à constituer, pendant la formation de la deuxième tension continue, l'enroulement secondaire d'un transformateur formant partie d'un convertisseur de tension du type "flyback" introduit dans le premier étage pour développer la deuxième tension continue.
Comme on le verra en plus de détail dans la suite, les deux inductances utilisées dans le dispositif suivant l'invention sont bobinées sur un même noyau, et non sur deux noyaux distincts, ce qui permet d'atteindre le but annoncé plus haut. Selon d'autres caractéristiques de la présente invention :
- le convertisseur "flyback" comprend un transistor de découpage en série avec l'enroulement primaire du transformateur, une capacité de sortie sous la tension intermédiaire (Vint) et une diode de redressement, la diode de redressement étant constituée par une diode de roue libre associée à un transistor formant partie des moyens de hachage de la tension amplifiée,
- la diode de roue libre est intégrée au transistor,
- le transistor est du type MOSFET,
- le dispositif comprend des moyens de limitation de surtension sur le primaire du transformateur, - le dispositif comprend des moyens de régulation de la tension intermédiaire disponible aux bornes de la capacité,
- le dispositif comprend des moyens pour interdire des fonctionnements simultanés des premier et deuxième étages, - dans la commande d'une pluralité d'injecteurs de carburant dans un moteur à combustion interne, les injecteurs étant équipés chacun d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore, le dispositif comprend des moyens d'excitation séquentielle des actionneurs avec la tension hachée délivrée par le deuxième étage, - la fréquence de découpage choisie pour le convertisseur "flyback" du premier étage est écartée d'au moins 1 kHz de la fréquence de résonance des actionneurs piézo-électriques équipant les injecteurs de carburant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de la technique antérieure, décrit en préambule de la présente description, la figure 2 représente schématiquement la structure des premier et deuxième étages du dispositif suivant la présente invention, conçus pour être substitués aux étages correspondants du dispositif de la figure 1 , - la figure 2a illustre un détail de la figure 2, et
- la figure 3 représente un jeu de chronogrammes utiles à la description du fonctionnement du dispositif suivant l'invention.
On se réfère à la figure 2 du dessin annexé pour décrire la structure des premier et deuxième étages du dispositif suivant l'invention, qui se substituent aux étages A et B, respectivement, du dispositif connu du brevet précité et représenté à la figure 1. C'est ainsi que ce premier étage 1 et ce deuxième étage 2 sont insérés dans l'environnement d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile, par exemple. Dans cette situation le premier étage est alimenté en énergie électrique par la batterie (non représentée) du véhicule qui lui délivre une tension Vbat, de l'ordre de 12 volts par exemple. La commande des étages 1 et 2 est assurée par un calculateur C qui gère le fonctionnement d'injecteurs de carburant installés à l'aval du deuxième étage, tout comme ceux représentés à la figure 1. L'excitation séquentielle de ces injecteurs s'opère comme décrit ci-dessus en liaison avec cette figure et comme explicité en plus de détail dans le brevet précité. La description qui va suivre se concentre donc sur la structure et le fonctionnement des premier et deuxième étages du dispositif suivant l'invention, le lecteur pouvant se reporter pour le surplus à ce brevet précité.
Le premier étage du dispositif suivant l'invention prend généralement la forme d'une alimentation à découpage du type bien connu de l'homme de métier sous le nom de convertisseur "flyback". Ce convertisseur comprend un transformateur comportant un enroulement primaire Lf et un enroulement secondaire Lp, bobinés sur un même noyau de ferrite schématisé par le trait interrompu référencé 3.
L'enroulement, ou inductance, primaire Lf est placé en série avec le circuit de conduction d'un transistor Tf, avantageusement du type MOSFET, entre une ligne 4 raccordée à la batterie du véhicule, et la masse. La conduction de ce transistor, de découpage, est commandée par des signaux de haute fréquence venus du calculateur C, à travers un étage de commande Ed. La capacité Ci placée à l'entrée de l'étage 1 , entre la ligne 4 et la masse, joue le même rôle que la capacité correspondante du dispositif connu de la figure 1. Suivant une caractéristique du dispositif selon l'invention, l'enroulement secondaire est constitué par une inductance Lp également utilisée au sein du deuxième étage mais, comme on le verra plus loin, en un temps différent.
On sait que dans un convertisseur flyback l'énergie stockée dans le noyau magnétique (en ferrite) est transférée dans une capacité connectée entre les bornes de l'enroulement secondaire, ici la capacité Cf, à travers une diode anti-retour dont on donnera la position plus loin. C'est aux bornes de cette capacité Cf que se prélève la tension intermédiaire Vint formée par le premier étage 1 à partir de la tension Vbat délivrée par la batterie du véhicule. Cette tension intermédiaire est avantageusement comprise entre 50 et 300 volts. Le deuxième étage 2 est semblable, dans sa structure, à l'étage correspondant B du dispositif connu de la figure 1. C'est ainsi qu'il comprend une inductance Lp connecté entre la borne à la tension intermédiaire Vint de la capacité Cf et le drain D d'un transistor Th , du type MOSFET par exemple, dont la source est à la masse, la conduction de ce transistor étant elle aussi commandée par le calculateur C, à travers un étage de commande Eh.
Comme on l'a vu plus haut, cette inductance Lp se distingue cependant de l'inductance indépendante L2 de l'étage B du dispositif connu de la figure 1 en ce qu'elle est constituée par l'enroulement secondaire du transformateur (Lf, 3, Lp) formant partie du convertisseur flyback intégré au premier étage 1. A cette différence essentielle près, dont profite la présente invention comme on le verra plus loin, le deuxième étage 2 du dispositif suivant l'invention fonctionne sensiblement comme celui du dispositif connu. C'est ainsi que cet étage amplifie la tension intermédiaire Vint pour délivrer une tension atteignant en crête le niveau requis pour l'excitation des actionneurs piézo-électriques, soit 1 kilovolt par exemple, cette tension étant hachée à la fréquence ultrasonore, également requise, par une commande appropriée du transistor Th, développée par le calculateur C.
Comme décrit dans le brevet précité auquel on pourra se reporter pour plus de détail sur ce point, cette amplification est obtenue grâce à un circuit oscillant formé de l'inductance Lp et la capacité de chaque actionneur, cette inductance Lp étant fonction de la résonance d'excitation acoustique de l'actionneur. La haute tension hachée est délivrée à l'actionneur piézo-électrique de l'injecteur sélectionné par une ligne de sortie 5 du deuxième étage 2, connectée au point commun à l'inductance Lp et au drain du transistor Th. Une capacité d'adaptation Cp est connectée entre la ligne 5 et la masse pour jouer le même rôle que la capacité C3 du dispositif connu de la figure 1.
Avant de passer à la description du fonctionnement du dispositif suivant l'invention, on revient sur un point signalé plus haut et qui reste à préciser, à savoir la position de la diode de redressement obligatoirement présente dans le convertisseur flyback du premier étage de ce dispositif. Comme cela est bien connu de l'homme de métier, les transistors MOSFET actuels sont normalement équipés d'une diode de roue libre telle que la diode Dr du transistor Th du deuxième étage du dispositif suivant l'invention. Suivant la présente invention, dans le couplage décrit ci-dessus des étages 1 et 2, cette diode de roue libre Dr assume la fonction de redressement du convertisseur flyback.
On se réfère maintenant aux chronogrammes de la figure 4 pour décrire le fonctionnement du dispositif de commande suivant l'invention, dans son application à la commande d'injecteurs de carburant dans un moteur à combustion interne, ces injecteurs étant équipés d'actionneurs piézo-électriques ultrasonores. Ces chronogrammes illustrent les évolutions des commandes "on/off" des transistors Tf et Th respectivement et des tensions aux bornes de la capacité Cf et des circuits drain- source des transistors Tf et Th respectivement.
Les périodes pendant lesquelles le transistor Th est actif en hachage correspondent aux temps d'injection de carburant t, tels que déterminés par le calculateur C. Les périodes pendant lesquelles le transistor Tf est actif en découpage correspondent aux temps de stockage d'énergie dans l'inductance Lf, ou temps de recharge tr. La comparaison des chronogrammes des commandes "on/off" (fermé/ouvert) des transistors Tf et Th fait clairement apparaître que les périodes d'activité de ces deux transistors ne se chevauchent jamais. C'est ce qui permet, suivant une caractéristique de la présente invention, la mutualisation de l'utilisation de l'inductance Lp par les deux étages 1 et 2, alors même que les fonctions de ces deux étages sont distinctes.
L'élévation de tension prise en charge par le premier étage s'opère par découpage du courant d'alimentation du primaire Lf du transformateur (Lf,3,Lp) au moyen d'une commutation à haute fréquence (par exemple de l'ordre de 100 kHz ou plus) du transistor Tf entre ses états ouvert et fermé, commandée par le calculateur C. Cette commutation s'opère avec un rapport cyclique réglable, également déterminé par ce calculateur, comme cela est bien connu dans la commande d'un convertisseur flyback. A la fermeture du transistor, le primaire se charge et à l'ouverture brusque suivante de ce transistor l'énergie stockée dans le primaire passe dans le secondaire Lp du transformateur. La capacité Cf récupère alors cette énergie à travers la diode de roue libre Dr du transistor Th du deuxième étage.
La charge ou recharge de la capacité Cf se prolonge aussi longtemps que la tension aux bornes de cette capacité n'a pas atteint une valeur prédéterminée convenable telle que Vint = 250 volts par exemple, comme cela apparaît sur le graphe de cette tension représenté à la figure 3.
Comme cela apparaît aussi sur cette figure, entre deux temps d'injection t, successifs, le maintien de la tension intermédiaire à ce niveau peut exiger la présence de moyens de régulation propres à réactiver convenablement le découpage opéré par le transistor Tf du convertisseur flyback du premier étage 1 du dispositif suivant l'invention. On compense ainsi une éventuelle décharge partielle de la capacité Cf. Ces moyens de régulation peuvent comprendre un capteur de la tension à surveiller aux bornes de la capacité Cf et un régulateur sensible au signal délivré par ce capteur pour commander l'excitation en découpage du transistor Tf de manière à remonter la tension Vint à sa valeur de consigne. L'installation de tels moyens de régulation n'offre aucune difficulté pour l'homme de métier et n'exige donc pas une description plus complète dans le cadre de la présente demande de brevet.
Comme on l'a vu plus haut, pendant la recharge de la capacité Cf le transistor Th du deuxième étage 2 reste ouvert. Il en est évidemment de même pendant le temps consacré à la régulation de la charge de cette capacité. Lors d'une commande d'injection de carburant pendant un temps t, déterminé par le calculateur C, celui-ci maintient ouvert le transistor Tf du premier étage 1 et active en hachage le transistor Th du deuxième étage 2. Celui-ci fonctionne alors sensiblement comme le deuxième étage du dispositif décrit au brevet précité, auquel on renvoie donc pour une description détaillée de ce fonctionnement. Le transformateur est alors utilisé comme une simple inductance Lp (le premier enroulement Lf présentant alors entre ses bornes une impédance très élevée) , en résonance électrique avec l'actionneur piézo-électrique de l'injecteur sélectionné par le calculateur C. C'est ainsi qu'est obtenue la haute tension (environ 1 kilovolt) hachée à la fréquence ultrasonore (40-50 kHz, par exemple) nécessaire à l'excitation de cet actionneur piézo-électrique.
Comme cela apparaît sur les chronogrammes de la figure 3, en phase d'injection, le transistor Tf est soumis à une tension hachée de l'ordre de 100 volts, abaissée par rapport à celle (1 kV) supportée par le transistor Th du fait du rapport de transformation du transformateur. En phase de recharge de la capacité Cf, les tensions hachées supportées par les transistors Tf et Th sont respectivement de l'ordre de 50 et 250 volts. Les caractéristiques d'isolation drain-source, ou collecteur- émetteur, de ces transistors doivent permettre de supporter ces niveaux de tension. De ce qui précède il résulte que le calculateur est dûment programmé pour commander les transistors Tf et Th de manière à interdire des fonctionnements simultanés des premier et deuxième étages du dispositif suivant l'invention. Malgré les précautions prises, des interférences telles que la commande involontaire d'un injecteur pendant une phase de recharge de la capacité de sortie du convertisseur flyback ne sont pas à exclure (un pic de tension pendant la recharge peut suffire à activer un injecteur).
Suivant la présente invention, une première solution de ce problème consiste à programmer le calculateur de manière qu'aucune charge (injecteur ou capacité de compensation) ne soit connectée pendant l'élévation de tension opérée par le premier étage du dispositif. Une autre solution consiste à utiliser des fréquences de découpage et de hachage très différentes, écartées d'au moins 1 kHz. C'est clairement le cas des fréquences indiquées plus haut à titre d'exemple (100 kHz au découpage et 40-50 kHz au hachage). Un perfectionnement de cette solution consiste à utiliser une fréquence de découpage écartée de plus de I kHz des fréquences de résonance des injecteurs et de leurs harmoniques. Une particularité du dispositif suivant la présente invention tient à ce que le dimensionnement du transformateur du convertisseur flyback du premier étage doit évidemment tenir compte de la valeur que doit avoir l'inductance Lp de son enroulement secondaire quand elle intervient dans le circuit oscillant constituant le deuxième étage. A titre d'exemple illustratif seulement, cette inductance peut être comprise entre 40 μH et 500 μH. Pour fixer le rapport de transformation du transformateur, on applique la règle classique suivant laquelle, dans un étage flyback, ce rapport est lié au rapport des tensions d'entrée Vbat et de sortie Vint de l'étage par la relation: Vint = M.α.Vbat,
Avec α = 0,5 en première approximation. On obtient ainsi la valeur de M, égale au rapport de transformation, et donc au rapport du nombre des spires des enroulements primaire et secondaire.
Par ailleurs le primaire du transformateur doit être protégé contre des surtensions résultant de l'utilisation du mode de fonctionnement en flyback du premier étage du dispositif suivant l'invention. Pour ce faire, comme représenté à la figure 2, on peut protéger le transistor Tf à l'aide d'une diode Zener di montée en anti-parallèle entre le drain et la source de ce transistor et à l'aide d'une autre diode Zener d2 montée passante de la source à la grille du transistor. On peut aussi, comme représenté en trait interrompu à la figure 2, disposer un circuit Z en parallèle sur l'enroulement primaire Lf. Comme illustré par la figure 2a, ce circuit peut comprendre deux diodes montées tête-bêche en série, l'une étant du type Zener. Il peut aussi être constitué d'une résistance et d'une capacité en série, une diode étant montée en parallèle sur la résistance. Ces moyens de protection sont de types bien connus de l'homme de métier qui sait les dimensionner sans difficultés. Il faut cependant veiller à ne pas écrêter les signaux qui apparaissent sur le primaire du transformateur lors d'une phase d'injection de carburant. Cela pourrait en effet dégrader les performances du dispositif du fait d'une diminution de la charge au primaire du transformateur. Ainsi, la diode Zener di, voir figure 2, doit avoir une tension Zener inférieure à la tension maximale constatée sur le primaire en phase d'injection.
Il apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre le but annoncé, à savoir fournir un dispositif de commande d'actionneurs piézo-électriques ultrasonores d'encombrement et de coût minimisés par le fait que les deux enroulements Lf et Lp sont bobinés sur le même noyau de ferrite alors que les deux enroulements utilisés dans le dispositif du brevet précité sont bobinés sur des noyaux distincts.
Le transformateur du dispositif suivant l'invention établit en outre une isolation galvanique sécurisante entre les deux étages de ce dispositif, isolation qui n'existe pas dans le dispositif du brevet précité.
Egalement, on peut installer dans le premier étage du dispositif suivant l'invention un transistor à plus faible tension d'isolation que celui placé dans l'étage correspondant du dispositif du brevet précité. Dans ce dernier on installe typiquement un transistor à tension d'isolation de 600 volts, proportionnelle à la tension intermédiaire. Dans le dispositif suivant l'invention, le transistor Tf doit supporter la tension batterie Vbat et le retour de la tension du secondaire pendant les commandes d'injection. Cette dernière tension étant plus faible, de l'ordre de 50 volts, la tension d'isolation nécessaire pour Tf peut être de l'ordre de 150 volts seulement. On peut alors choisir un transistor Tf en une technologie garantissant un meilleur rendement du premier étage.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que l'on pourrait utiliser dans l'invention des transistors autres que du type MOSFET, par exemple des transistors IGBT. Egalement l'invention n'est pas limitée à la commande d'injecteurs de carburant et s'étend à la commande d'actionneurs piézo-électriques en général et, plus généralement encore, à la commande alternative haute tension, notamment pour des fréquences de commande inférieures à 500 kHz.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique piloté par un calculateur, comportant un premier étage alimenté par une source de tension continue (Vbat) et muni de moyens de formation d'une deuxième tension continue (Vint) supérieure à celle (Vbat) délivrée par ladite source, et un deuxième étage muni de moyens d'amplification de ladite deuxième tension (Vint) et de hachage de la tension obtenue pour l'excitation dudit actionneur avec ladite tension hachée, sous la commande dudit calculateur, lesdits moyens d'amplification comprenant une inductance (Lp) en résonance électrique avec ledit actionneur piézo-électrique, dispositif caractérisé en ce que ladite inductance (Lp) est connectée audit premier étage de manière à constituer, pendant la formation de ladite deuxième tension (Vint), l'enroulement secondaire d'un transformateur formant partie d'un convertisseur de tension du type "flyback" introduit dans ledit premier étage pour développer ladite deuxième tension (Vint).
2. Dispositif conforme à la revendication 1 , dans lequel ledit convertisseur
"flyback" comprend un transistor de découpage (Tf) en série avec l'enroulement primaire dudit transformateur, une capacité (Cf) de sortie sous ladite tension intermédiaire (Vint) et une diode de redressement, caractérisé en ce que ladite diode de redressement est constituée par une diode de roue libre (D1-) associée à un transistor (Th) formant partie desdits moyens de hachage de ladite tension amplifiée.
3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ladite diode de roue libre (D1-) est intégrée audit transistor (Th).
4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ledit transistor (Th) est du type MOSFET.
5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de limitation de surtension sur le primaire dudit transformateur (Lf, 3, Lp).
6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de ladite tension intermédiaire (Vint) disponible aux bornes de ladite capacité (Cf).
7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour interdire des fonctionnements simultanés desdits premier et deuxième étages.
8. Utilisation du dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, à la commande d'une pluralité d'injecteurs de carburant dans un moteur à combustion interne, lesdits injecteurs étant équipés chacun d'un actionneur piézoélectrique ultrasonore, ledit dispositif comprenant des moyens d'excitation séquentielle desdits actionneurs avec la tension hachée délivrée par ledit deuxième étage.
9. Utilisation conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que la fréquence de découpage choisie pour le convertisseur "flyback" dudit premier étage est écartée d'au moins 1 kHz de la fréquence de résonance desdits actionneurs piézo-électriques équipant lesdits injecteurs de carburant.
10. Utilisation conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que ladite fréquence de découpage est en outre écartée d'au moins 1 kHz des harmoniques de ladite fréquence de résonance.
PCT/FR2007/052014 2006-10-16 2007-09-26 Dispositif de commande d'un actionneur piezo-electrique ultrasonore WO2008047018A1 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07823859A EP2084757A1 (fr) 2006-10-16 2007-09-26 Dispositif de commande d'un actionneur piezo-electrique ultrasonore
JP2009532855A JP5086358B2 (ja) 2006-10-16 2007-09-26 超音波圧電アクチュエータ用制御装置
US12/444,325 US8154225B2 (en) 2006-10-16 2007-09-26 Control device for an ultrasonic piezoelectric actuator

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0609043 2006-10-16
FR0609043A FR2907279B1 (fr) 2006-10-16 2006-10-16 Dispositif de commande d'un actionneur piezo-electrique ultrasonore.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008047018A1 true WO2008047018A1 (fr) 2008-04-24

Family

ID=38110019

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2007/052014 WO2008047018A1 (fr) 2006-10-16 2007-09-26 Dispositif de commande d'un actionneur piezo-electrique ultrasonore

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8154225B2 (fr)
EP (1) EP2084757A1 (fr)
JP (1) JP5086358B2 (fr)
FR (1) FR2907279B1 (fr)
WO (1) WO2008047018A1 (fr)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9097225B2 (en) * 2013-01-10 2015-08-04 Continental Automotive Systems, Inc. Method to detect partial failure of direct-injection boost voltage
WO2016118964A1 (fr) * 2015-01-25 2016-07-28 Iguazio Systems Ltd. Stockage d'objet centré sur une application
FR3082315B1 (fr) * 2018-06-11 2020-05-15 Continental Automotive France Procede de detection d'un dysfonctionnement d'un circuit limiteur de tension et systeme de controle pour la mise en œuvre dudit procede de detection de dysfonctionnement

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5036263A (en) * 1988-11-09 1991-07-30 Nippondenso Co., Ltd. Piezoelectric actuator driving apparatus
JPH04309273A (ja) * 1991-04-08 1992-10-30 Nippondenso Co Ltd ピエゾアクチュエータの駆動回路
FR2767355A1 (fr) * 1997-08-12 1999-02-19 Siemens Ag Dispositif et procede de commande d'au moins un organe de reglage capacitif
WO2005121534A1 (fr) * 2004-06-11 2005-12-22 Siemens Aktiengesellschaft Appareil de commande pour actionneurs piezo-electriques de soupapes d'injection de carburant

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003111448A (ja) * 2001-09-28 2003-04-11 Denso Corp ピエゾアクチュエータ駆動回路
US6707882B2 (en) 2001-11-14 2004-03-16 Koninklijke Philips Electronics, N.V. X-ray tube heat barrier
JP4624134B2 (ja) * 2005-02-25 2011-02-02 株式会社デンソー ピエゾアクチュエータの駆動回路
JP5125092B2 (ja) * 2006-12-19 2013-01-23 株式会社デンソー 駆動回路、燃料噴射用圧電素子の駆動回路、および燃料噴射装置
US20090243433A1 (en) * 2008-04-01 2009-10-01 Joe Dirr Apparatus, system and method for converting vibrational energy to electric potential

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5036263A (en) * 1988-11-09 1991-07-30 Nippondenso Co., Ltd. Piezoelectric actuator driving apparatus
JPH04309273A (ja) * 1991-04-08 1992-10-30 Nippondenso Co Ltd ピエゾアクチュエータの駆動回路
FR2767355A1 (fr) * 1997-08-12 1999-02-19 Siemens Ag Dispositif et procede de commande d'au moins un organe de reglage capacitif
WO2005121534A1 (fr) * 2004-06-11 2005-12-22 Siemens Aktiengesellschaft Appareil de commande pour actionneurs piezo-electriques de soupapes d'injection de carburant

Also Published As

Publication number Publication date
FR2907279B1 (fr) 2008-12-05
JP5086358B2 (ja) 2012-11-28
US20100033116A1 (en) 2010-02-11
FR2907279A1 (fr) 2008-04-18
US8154225B2 (en) 2012-04-10
EP2084757A1 (fr) 2009-08-05
JP2010507360A (ja) 2010-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2232687A2 (fr) Convertisseur alternatif/continu a isolement galvanique
FR2630276A1 (fr) Circuit de commande d'une charge inductive
TWM506201U (zh) 分離式輔助電源之燃燒及緊急起動操控裝置及系統
US11299138B2 (en) Hybrid vehicle control device
US5975058A (en) Start-assist circuit
FR2782582A1 (fr) Installation d'alimentation electrique, notamment pour le reseau embarque d'un vehicule
FR2767355A1 (fr) Dispositif et procede de commande d'au moins un organe de reglage capacitif
WO2008047018A1 (fr) Dispositif de commande d'un actionneur piezo-electrique ultrasonore
FR2832464A1 (fr) Systeme de demarrage automatique d'un moteur comportant une pluralite de batteries
TW201512522A (zh) 具輔助電源之燃燒及緊急起動操控裝置及系統
FR2899036A1 (fr) Dispositif de suralimentation temporaire en puissance d'organes electriques automobiles
EP1331716A1 (fr) Système d'alimentation en énergie électrique d'un véhicule automobile
FR2760489A1 (fr) Dispositif et procede de commande d'au moins un organe de reglage capacitif, notamment pour soupape d'injection
WO2020121375A1 (fr) Dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne
WO2010043808A1 (fr) Dispositif et procede de commande d'un injecteur piezo-electrique ultrasonore resonant
EP0995023B1 (fr) Circuit de commande de puissance pour actionneur electromagnetique tel qu'injecteur ou electrovanne
EP1276159B1 (fr) Dispositif de commande d'un actuateur piezo-électrique et son procédé de mise en oeuvre
EP2538514B1 (fr) Carte de circuit imprimé pour boîtier de compresseur
JP2003299369A (ja) 圧電素子駆動回路
FR3039934A1 (fr) Procede de gestion de l’alimentation electrique d’un vehicule automobile
EP3408920B1 (fr) Dispositif de gestion de transfert d'énergie avec contrôle actif des perturbations électromagnétiques
EP2550728B1 (fr) Convertisseur alternatif/continu a isolement galvanique
EP2297840A1 (fr) Poste de soudage a l'arc a onduleur a commutation douce quasi resonant optimise
FR2838572A1 (fr) Systeme de charge d'un dispositif de stockage d'energie electrique, tel qu'un super-condensateur a partir d'une batterie et notamment d'un vehicule automobile, et procede d'utilisation de ce systeme
WO2022189397A1 (fr) Convertisseur de tension continu-continu à découpage pour véhicule automobile

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07823859

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007823859

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2009532855

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12444325

Country of ref document: US