同步全橋功率振蕩器的製造方法
2023-04-23 05:14:06
同步全橋功率振蕩器的製造方法
【專利摘要】一種用於可變噴霧燃料噴射系統的電子高頻感應加熱器驅動器，其使用利用具有電感器的全H-橋拓撲的零-電壓開關振蕩器，所述電感器將高或低功率電源與開關設備相分離，其中半導體開關在橋內被同步以執行功能。在接收到開啟信號時，該感應加熱器驅動器通過自-振蕩串聯諧振來增加供應電壓，其中儲能諧振器電路的一個組件包括被磁耦合到適當的損耗組件的感應加熱器線圈，以使得燃料組件內部的燃料被加熱至期望的溫度。
【專利說明】同步全橋功率振蕩器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2011年4月22日提交的、序列號為61/478，350、題為「SynchronousFull-Bridge Power Oscillator」的美國臨時專利申請的非_臨時版本，並要求其優先權，本文通過弓I用將其全部內容包含在內。
[0003]並且本申請涉及下列與本申請同一天提交的美國非-臨時專利申請:
[0004]由Perry Czimmek發明並且由代理人檔案號2011P00689US01所識別的「Synchronous Full-Bridge Power Oscillator with Leg Inductors，，；
[0005]由Perry Czimmek和Mike Hornby發明並且由代理人檔案號2011P00691US01所識別的 「Synchronized Array Bridge Power Oscillator」;
[0006]由Perry Czimmek和Mike Hornby發明並且由代理人檔案號2011P00692US01所識別的 「Synchronized Array Power Oscillator with Leg Inductors，，；
[0007]由Perry Czimmek和Hamid Sayar發明並且由代理人檔案號2011P00693US01所識別的 「Variable Spray Injector with Nucleate Boiling Heat Exchanger，，；以及
[0008]由Perry Czimmek發明並且由代理人檔案號2011P00694US01所識別的「AdaptiveCurrent Limit Oscillator Starter，，。
【背景技術】
[0009]本發明的實施例大體上涉及加熱的尖端燃料噴射器，並且更具體地，涉及控制和驅動感應-加熱的燃料噴射器。
[0010]存在對改善內燃機的排放品質的持續需要。同時，存在最小化發動機盤車時間(crank time)和從接通到開走的時間且同時保持最高燃料經濟性的壓力。這些壓力施加於以諸如乙醇之類的可替代燃料作為燃料的發動機以及以汽油作為燃料的那些發動機。
[0011 ] 在低溫發動機啟動期間，常規的火花點火式內燃機由高碳氫化合物排放以及欠佳的燃料點火和可燃性來表徵。除非發動機在停止和熱浸之後已經處於高溫，不然盤車時間可能過度，或者發動機可能根本不啟動。在更高的速度和負載處，操作溫度得到提高並且燃料霧化和混合得到改善。
[0012]在實際的發動機冷啟動期間，完成啟動所必需的濃縮留下了不按化學計量的供給燃料，其體現為高尾管碳氫化合物排放。最糟糕的排放是在發動機操作的最初幾分鐘期間，在這之後催化劑和發動機接近操作溫度。關於以乙醇為燃料的車輛，因為燃料的乙醇百分比部分增加到100%，所以冷啟動的能力變得越來越弱，導致一些製造商包括雙燃料系統，其中發動機啟動以常規的汽油作為燃料且發動機運行以乙醇等級(ethanol grade)作為燃料。此類系統是昂貴且冗餘的。
[0013]低溫處的冷啟動排放和啟動困難的另一種解決方案是將燃料預-加熱到當被釋放到歧管或大氣壓時燃料迅速汽化或立即汽化(「快速沸騰」)的溫度。就考慮燃料狀態而目，預-加熱燃料複製了熱發動機。
[0014]已提出多種預-加熱的方法，其中大部分涉及燃料噴射器中的預加熱。燃料噴射器被廣泛地用於對進入汽車發動機的進氣歧管或汽缸中的燃料進行計量。燃料噴射器通常包括包含一定體積的加壓燃料的外殼、燃料入口部分、包含針閥的噴嘴部分、以及諸如電磁螺線管、壓電致動器、或用於致動針閥的其他機制之類的機電致動器。當針閥被致動時，力口壓燃料通過閥座中的孔口噴出並且進入發動機中。
[0015]已被用於燃料預加熱中的一種技術是用時-變磁場來感應地加熱包括燃料噴射器的金屬元件。在本文通過引用而將其全部內容包含在內的第7677468號美國專利、第20070235569、20070235086、20070221874、20070221761 和 20070221747 號美國專利申請中公開了具有感應加熱的示例性燃料噴射器。在幾何和材料方面適於通過由時-變磁場所感應的滯後和渦流損耗來加熱的組件內部，能量被轉換至熱量。
[0016]感應燃料加熱器不僅在解決與汽油系統關聯的上述問題中是有用的，而且在不具有冗餘汽油燃料系統的情況下對乙醇等級燃料進行預加熱以完成順利啟動中是有用的。
[0017]因為感應加熱技術使用時-變磁場，所以該系統包括用於在燃料噴射器中向感應線圈提供適當的高頻交流的電子器件。
[0018]常規的感應加熱是通過功率的硬開關(hard-switching)、或當開關設備中的電壓和電流這二者是非-零時進行開關來完成。通常，以諧振器、或儲能電路的自然諧振頻率附近的頻率來完成開關。諧振器包括被選擇和優化成以適於使耦合到加熱組件中的能量最大化的頻率來諧振的電感器和電容器。
[0019]儲能電路的自然諧振頻率是/r = l/(2;rVZf)，其中L是電路電感並且C是電路電
容。諧振處的峰值電壓由電感器和電容器的能量損耗、或者電路的減小的品質因數Q來限制。硬-開關能夠通過分別包括一對或兩對半導體開關的被稱為半橋式或全橋式電路的電路來實現。功率的硬-開關導致了開關噪聲的消極後果以及來自電壓供應的諧振頻率處的高幅度電流脈衝或其諧波。同樣地，當開關設備既不是完全傳導也不是完全絕緣時，在線性開啟和關閉段期間硬開關消耗功率。硬-開關電路的頻率越高，開關損耗越大。
[0020]因此，優選的加熱器電路提供一種驅動加熱的燃料噴射器的方法，其中開關以最不可能中斷的功率來實現。在第7628340號、題為「Constant Current Zero-VoltageSwitching Induction Heater Driver for Variable Spray Injection，，的美國專利中公開了該加熱器電路。理想地，當開關設備中的電壓或者電流這二者之一為零時，應該將能量補充到儲能電路。眾所周知，電磁噪聲在零-電壓或零-電流開關期間較低，並且在零電壓開關期間最低，這是第7628340號美國專利的方法。在零開關下，開關設備消耗最少功率也是眾所周知的。該理想的開關點每周期發生兩次，所述兩次是當正弦波穿過零並反轉極性時；即，當正弦波在從正到負的第一方向上穿過零時，以及當正弦波在從負到正的第二方向上穿過零時。
[0021]減小感應組件的尺寸是優選的，並且在一些情況中消除阻抗-匹配變壓器同時保持到噴射器上的感應加熱器線圈的最低必需連接是優選的。本說明書中的隨後的文本中將詳述其困難。本發明的實施例繼續提供消除硬-開關和其消極後果，用零-電壓開關來代替它，並且在全橋拓撲中進一步應用該方法同時有利地消除阻抗匹配變壓器並克服可替代解決方案的困難。
[0022]參考圖3，在第7628340號美國專利中所公開的描述包括中心-抽頭式阻抗匹配變壓器，本領域技術人員將熟悉其關於該拓撲可能存在的附加成本。[0023]參考圖4，消除阻抗匹配變壓器是可能並實用的，但其結果是感應加熱器線圈使用中心-抽頭以滿足推挽式振蕩器拓撲。該中心-抽頭將附加的導體和引腳(pin)添加到感應加熱燃料噴射器。
[0024]參考圖5，由圖4拓撲產生了推挽式振蕩器拓撲的進一步消除和改變，然而它使用與感應加熱器線圈相比具有相對高得多的電感的兩個恆定-電流電感器，以允許充分的電流流過加熱器線圈的阻抗，否則大部分將僅流過功率開關。為了保持充分的加熱器電流，這趨於導致加熱器線圈的小電感而不是恆定-電流電感的減小。加熱器線圈電感的這種減小趨向於線束和連接的寄生電感可能壓倒(overwhelm)加熱器線圈的電感的點。另外地,為了獲得小的加熱器線圈電感，對於可用的給定磁質而言減少線圈的匝數，可能犧牲每赫茲的安阻(Ampere-Turns)並且從而不利地影響執行感應加熱的能力。
【發明內容】
[0025]本發明的實施例消除阻抗匹配變壓器。進一步地，本發明的實施例消除感應加熱線圈的中心-抽頭，以使得僅兩個導體被用於功率傳輸。另外地，本發明的實施例強制通過感應加熱線圈的電流共享，同時允許感應加熱器線圈的靈活性以及合適的電感和安匝。
[0026]一個或多個實施例使用採用全橋、或H-橋配置的兩對功率開關電晶體的互補對。與全橋驅動器的偏離是橋由恆定電流源電感器來饋給，並且用諧振儲能電路來代替常規全橋的負載部分。與常規全橋的進一步偏離是用對角對的交替序列來驅動電晶體互補對的柵極的振蕩器-同步固有零-開關拓撲。
[0027]另外，儲能補充電流通過感應加熱器線圈，並且消除了其中在給定周期處僅一半線圈接收到儲能-補充電流的原始推挽式振蕩器中的常規中心-抽頭電流饋電。以該方式消除中心-抽頭向驅動不具有阻抗匹配變壓器的感應加熱器提供了最少線的解決方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是示出根據本發明的實施例的具有源電感器且不具有變壓器且不具有中心-抽頭的同步橋振蕩器的簡化電氣示意圖。
[0029]圖2是示出根據本發明的實施例的具有灌(sink)電感器且不具有變壓器且不具有中心-抽頭的同步橋振蕩器的簡化電氣示意圖。
[0030]圖3是描繪在推挽式振蕩器拓撲中具有中心-抽頭式阻抗匹配變壓器的現有技術的簡化示意圖。
[0031]圖4是描繪在推挽式振蕩器拓撲中具有中心-抽頭式感應加熱器線圈並且消除阻抗匹配變壓器的現有技術的簡化示意圖。
[0032]圖5是描繪消除阻抗匹配變壓器以及消除加熱器線圈中心-抽頭的可替代解決方案的簡化示意圖。
[0033]圖6是圖1的可替代示意性布局圖，其中添加的低側控制開關作為本發明的可替代實施例的示範。
【具體實施方式】
[0034]理想地，當開關設備中的電壓或電流這二者之一為零時，應該給儲能電路補充能量。電磁噪聲在零-電壓或零-電流開關期間較低並且在零-電壓開關期間最低。開關設備在零開關下消耗最少功率。該理想開關點每周期發生兩次，所述兩次是當正弦波穿過零並反轉極性時；即，當正弦波在從正到負的第一方向上穿過零時，以及當正弦波在從負到正的第二方向上穿過零時。
[0035]本發明的實施例消除硬-開關和其消極後果，並在全橋配置中用零-電壓開關代替它。本發明的同步全橋功率振蕩器加熱器驅動器的集成功能將參考圖1來說明，圖1是根據本發明的實施例的其中為了清楚起見而未示出許多基本組件的電路的簡化表示。組件的特定或一般的值、評級、添加、包括、或排除不意在影響本發明的範圍。
[0036]LI可以位於燃料噴射器的內部。LI是提供用於對合適的燃料-噴射器組件進行感應加熱的安匝的感應加熱器線圈。
[0037]根據本發明的實施例的同步全橋功率振蕩器可以包括Rl、R2、Dl、D2、Ql、Q2、Q3、Q4、L2、C1以及LI。Ql和Q2是增強型N-MOSFET (N-溝道金屬-氧化物-半導體場-效應電晶體)開關，其可替代地將儲能諧振器、Cl和L1、電路連接到地，以及當每個被開啟而處於相應的狀態時，使得電流能夠流過感應加熱器線圈和地。Q3和Q4是增強型P-MOSFET (P-溝道金屬-氧化物-半導體場-效應電晶體)開關，其可替代地將儲能諧振器、Cl和L1、電路連接到通過L2而拉取(source)的電壓供應，以及其中Ql和Q2處於適當的狀態，使得電流能夠流過感應加熱器線圈。電壓供應可以是電源，或者在車輛的情況中可以是電池或交流發電機，並且是補充振蕩器中所失去的能量的潛在能量源。
[0038]Cl和LI分別是諧振儲能電路的儲能諧振器電容器和儲能諧振器電感器。儲能電路的諧振頻率是fr = /{27t4Lc)，其中L是加熱器線圈電感LI，並且C是儲能電容器Cl的電容。儲能電路中的峰值電壓通過Vrat=J^Vin來設置，其中Vin為供應電壓。儲能電路中的電流級別根據的能量平衡來確定。
[0039]零-開關功率振蕩器電路在震蕩方面是自-啟動的，但在完全-反轉的H-橋策略中通過選擇性地排序(sequence)Q1-Q4的開關可以強制其進入振蕩。同時使電流在MOSFET的「漏極」和「源極」之間流動的互補對`、或本文中電晶體對的是Q3和Q2或者Q4和Q1。當Q3流動電流時不希望使Ql流動電流，並且同樣地，當Q4流動電流時不希望使Q2流動電流。當Q3流動電流時，電流通過感應加熱器線圈並且然後通過Q2到地。當Q4流動電流時，電流在與當Q3流動電流時的反向方向上通過感應加熱器線圈，並且然後通過Ql到地，這是電流的「完全-反轉」。
[0040]MOSFET是具有關於到柵極中的庫侖電荷數量的閾值的設備，其是漏_源電流_依賴的。滿足電荷閾值把設備增強到「開」狀態中。第一和第二柵極電阻器R1、R2向H-橋的第一和第二橋臂(leg)供應柵極充電電流。分別地，Rl向Ql和Q3的柵極供應電流，R2向Q2和Q4的柵極供應電流，並且Rl、R2分別限制流入第一和第二柵極二極體Dl、D2中的電流。當源極比柵極更正(more positive)時，Q3和Q4、P-MOSFET在漏極和源極之間傳導。當源極比柵極更負(more negative)時，Ql和Q2、N-MOSFET在漏極和源極之間傳導。
[0041]由加熱組件的電阻和滯後損耗所造成的加載返回體現為諧振儲能電路中的損耗。該損耗由從電流源電感器L2流動到頂部橋電晶體Q3和Q4的電流來補充。圖2示出了其中L2作為來自底部橋電晶體Ql和Q2的灌電感器的變形，本領域技術人員將把該可替代實施例理解為功能地整體可互換。依賴於電流流動在其中的H-橋的反轉狀態，電流將流過Q3或Q4這二者之一，並且然後通過感應加熱器線圈LI。再次參考圖1，L2從存儲在其磁場中的能量中向儲能電路供應電流。在操作同步全橋功率振蕩器期間，該能量從供應電壓中作為恆定流到L2中的電流來補充。L2還提供將儲能電路與電壓源的瞬時分離。
[0042]如果電流流過Q3，如由正弦波半-周期在那時的極性所確定的，那麼從Q2漏-源到地的傳導通過正向偏壓的Dl將電荷拉(pull)出Q3和Ql的柵極。Ql現在還未傳導，並且未通過D2將柵極電荷拉出Q4和Q2而到地。同時Rl從供應電壓中拖(draw)電流。但是跨Rl的IR壓降(drop)不能夠對Q3和Ql的柵極進行充電，其中柵極通過Q2的傳導而分流到地。
[0043]當正弦波穿過零時，那麼Q3變為反向偏壓並通過內部的本徵二極體傳導到反向-偏壓Dl。Dl停止將電流傳導離開Q3和Ql柵極，並且Rl能夠對Q3和Ql的柵極進行充電，這停止Q3中的傳導並開始Ql中的傳導以開始為繼續的正弦半-周期傳導電流。Ql也通過D2將柵極電荷拉出Q2和Q2而到地，並且將Q2保持在非-傳導狀態，這繼續允許Rl增強Q1。並且Q4傳導。
[0044]因為正弦波在從負到正的第一方向上並且然後在從正到負的第二方向上穿過零而交替極性，所以該過程重複。這產生感應加熱器線圈LI中的電流的完全-反轉。在儲能電路中從L2繼續補充電流。如果N-MOSFET的本徵二極體由添加跨IGBT (絕緣柵雙極電晶體)的漏極和源極的外部二極體來表示，那麼在本實施例中IGBT設備能夠代替N-M0SFET。
[0045]應將前面的詳細描述理解為在每個方面中都是說明性和示例性的，而非限制性的，並且本文所公開的本發明的範圍不根據本發明的說明書來確定，而是根據如根據由專利法所允許的全部寬度所解釋的權利要求來確定。例如，雖然本發明的同步全橋功率振蕩器在本文中被描述成對用於內燃機燃料噴射器中的加熱器的感應加熱器線圈進行驅動，但是驅動器可以被用來對其他應用中的其他感應加熱器進行驅動。應理解的是，本文所示出和描述的實施例僅說明本發明的原理，並且可以由本領域的技術人員來實現各種修改而不背離本發明的範圍和精神。
【權利要求】
1.一種用於電子感應加熱器驅動器的功率振蕩器，所述功率振蕩器包括: 包括高-側和低-側半導體開關的H-橋電路拓撲； 在所述H-橋的橋臂之間在常規H-橋負載的拓撲位置處電氣地連接的諧振儲能電路，其中所述諧振儲能電路包括至少一個感應加熱器線圈； 與所述H-橋電氣地串聯的至少一個能量補充電感器； 其中由所述諧振儲能電路的頻率來確定所述H-橋開關定時。
2.權利要求1的功率振蕩器，其中所述能量補充電感器從電壓源中向所述H橋拉取電流。
3.權利要求1的功率振蕩器，其中所述能量補充電感器從H-橋向低於電壓源的絕對電位灌電流。
4.權利要求1的功率振蕩器，其中通過整流二極體從所述H橋的一個橋臂向所述H-橋的相對的橋臂灌電流來完成所述H-橋開關定時。
5.權利要求1的功率振蕩器，其中通過電阻器從電壓供應中拉取電荷來完成所述H-橋開關定時。
6.權利要求1的功率振蕩器，其中所述能量補充電感器的電感大於所述感應加熱器線圈的電感。
7.權利要求1的功率振蕩器，其中所述能量補充電感器的電感大於所述感應加熱器線圈的電感值的兩倍。
【文檔編號】H03B5/12GK103703676SQ201280019847
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年3月7日 優先權日:2011年4月22日
【發明者】P·齊梅克 申請人:大陸汽車系統美國有限公司