BR112013027066A2 - oscilador de potência síncrono de ponte completa - Google Patents

Abstract

OSCILADOR DE POTÊNCIA SÍNCRONO DE PONTE COMPLETA. A presente invenção refere-se a um acionador do aquecedor de indução de alta frequência eletrônico para um sistema de injeção de combustível de borrifo variável usa um oscilador de comutação com tensão zero que utiliza uma topologia de ponte H completa com indutores separando o abastecimento de alta ou baixa potência dos dispositivos de comutação, em que os comutadores do semicondutor são sincronizados dentro da ponte para a função. O acionador do aquecedor de indução, com a recepção de um sinal de ligamento, multiplica a tensão de abastecimento através de uma ressonância em série de oscilação própria, em que um componente do circuito ressonador tanque compreende uma bobina do aquecedor de indução acoplada magneticamente em um componente de perda apropriado, de modo que o combustível dentro de um componente de combustível é aquecido para uma temperatura desejada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "OSCILADOR DE POTÊNCIA SÍNCRONO DE PONTE COMPLETA".

REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS RELACIONADOS Esse pedido é um não provisório de, e reivindica a prioridade pa- 5 ra o pedido de patente provisório U.S. número 61/478.350, data de depósito de 22 de abril de 2011, intitulado Synchronous Full-Bridge Power Oscillator, todo o conteúdo do qual é incorporado aqui por referência. E esse pedido está relacionado com os seguintes pedidos de pa- tente não provisórios U.S. depositados no mesmo dia que esse pedido: 10 Synchronous Full-Bridge Power Oscillator with Leg Inductos, in- ventado por Perry Czimmek e identificado pelo Documento de Procuração Número 2011P00689US01; Synchronized Array Bridge Power Oscillator, inventado por Perry Czimmek e Mike Hornby e identificado pelo Documento de Procuração Nú- 15 mero 2011P00691US01; Synchronized Array Power Oscillator with Leg Inductos, inventa- do por Perry Czimmek e Mike Hornby e identificado pelo Documento de Pro- curação Número 2011P00692US01; Variable Spray Injector with Nucleate Boiling Heat Exchanger, 20 inventado por Perry Czimmek e Hamid Sayar e identificado pelo Documento de Procuração Número 2011P00693US01 e Adaptive Current Limit Oscillator Starter, inventado por Perry Czimmek e identificado pelo Documento de Procuração Número 2011P00694US01. 25 Antecedentes As modalidades da invenção referem-se de forma geral a injeto- res de combustível de ponta aquecida e, mais particularmente, ao controle e acionamento de um injetor de combustível aquecido por indução. Existe uma necessidade contínua de melhorar a qualidade das 30 emissões dos motores de combustão interna. Ao mesmo tempo, existe uma pressão para minimizar os tempos de partida do motor e o tempo da coloca- ção da chave até a saída, enquanto mantendo máxima economia de com-

bustível.

Essas pressões se aplicam aos motores abastecidos com combus- tíveis alternativos, tal como etanol, bem como esses abastecidos com gaso- lina.

Durante a partida do motor em temperatura fria, o motor de 5 combustão interna convencional de ignição a centelhas é caracterizado por altas emissões de hidrocarboneto e fraca ignição por combustível e combus- tibilidade.

A menos que o motor já esteja em uma alta temperatura depois da parada e saturação a quente, o tempo de partida pode ser excessivo ou o motor pode não partir absolutamente.

Em velocidades e cargas mais altas, a 10 temperatura de operação aumenta e a atomização do combustível e a mistu- ra melhoram.

Durante uma partida real a frio do motor, o enriquecimento ne- cessário para realizar a partida deixa o abastecimento fora da faixa estequi- ométrica que materializa como altas emissões de hidrocarboneto do cano de 15 descarga.

As piores emissões são durante os primeiros poucos minutos da operação do motor, depois do que o catalisador e o motor se aproximam da temperatura de operação.

Com relação aos veículos abastecidos com eta- nol, à medida que a fração da porcentagem do etanol do combustível au- menta para 100%, a capacidade da partida a frio se torna cada vez menor, 20 levando alguns fabricantes a incluir um sistema de combustível duplo no qual a partida do motor é abastecida com gasolina convencional e o motor em movimento é abastecido com a qualidade de etanol.

Tais sistemas são caros e redundantes.

Outra solução para as emissões com a partida a frio e a dificul- 25 dade de partida em baixa temperatura é pré-aquecer o combustível para uma temperatura onde o combustível vaporiza rapidamente ou vaporiza i- mediatamente ("ebulições instantâneas"), quando liberado para o tubo de distribuição ou pressão atmosférica.

O pré-aquecimento do combustível imita um motor a quente quando o estado do combustível é considerado. 30 Vários métodos de pré-aquecimento foram propostos, a maioria dos quais envolve o pré-aquecimento em um injetor de combustível.

Os inje- tores de combustível são amplamente usados para medir o combustível para dentro do tubo de distribuição de admissão ou cilindros dos motores automo- trizes.

Injetores de combustível tipicamente compreendem um alojamento contendo um volume do combustível pressurizado, uma porção de entrada do combustível, uma porção de bico contendo uma válvula de injeção e um 5 atuador eletromecânico, tal como um solenoide eletromagnético, um atuador piezelétrico ou outro mecanismo para acionar a válvula de injeção.

Quando a válvula de injeção é acionada, o combustível pressurizado borrifa através de um orifício na sede da válvula e para dentro do motor.

Uma técnica que foi usada no pré-aquecimento do combustível é 10 aquecer de modo indutivo os elementos metálicos que compreendem o inje- tor de combustível com um campo magnético de variação no tempo.

Injeto- res de combustível exemplares tendo aquecimento por indução são revela- dos na Patente U.S.

No. 7.677.468, Pedido de Patente U.S.

Nos. 20070235569, 20070235086, 20070221874, 20070221761 e 20070221747, 15 os conteúdos dos quais são incorporados com isso por referência aqui nas suas íntegras.

A energia é convertida para calor dentro de um componente adequado em geometria e material para ser aquecido pelas perdas pela his- terese e pela corrente parasita que são induzidas pelo campo magnético de variação no tempo. 20 O aquecedor de combustível indutivo é útil não somente na reso- lução dos problemas acima descritos associados com os sistemas de gaso- lina, mas também é útil no pré-aquecimento dos combustíveis de qualidade do etanol para realizar a partida bem sucedida sem um sistema redundante de combustível de gasolina. 25 Pelo fato de que a técnica de aquecimento por indução usa um campo magnético de variação no tempo, o sistema inclui eletrônica para proporcionar uma corrente alternada de alta frequência apropriada para uma bobina de indução no injetor de combustível.

O aquecimento por indução convencional é realizado com comu- 30 tação firme de potência ou a comutação quando tanto a tensão quanto a cor- rente não são nulas no dispositivo de comutação.

Tipicamente, a comutação é feita em uma frequência perto da frequência ressonante natural de um res-

sonador ou circuito tanque.

O ressonador inclui um indutor e capacitor que são selecionados e otimizados para ressonar em uma frequência adequada para maximizar o acoplamento da energia no componente aquecido.

A frequência ressonante natural de um circuito tanque é

5 onde L é a indutância do circuito e C é a capacitância do circuito.

A tensão de pico na ressonância é limitada pelas perdas de energia do indutor e capacitor, ou fator de qualidade diminuído, Q, do circuito.

A co- mutação firme pode ser realizada com o que são chamados circuitos de meia-ponte ou ponte completa, compreendendo um par ou dois pares de 10 comutadores de semicondutor, respectivamente.

A comutação firme da po- tência resulta nas consequências negativas da interferência de comutação e pulsos de corrente de alta amplitude na frequência ressonante do abasteci- mento de tensão ou seus harmônicos.

Também, a comutação firme dissipa a potência durante o período de ligamento e desligamento linear quando o 15 dispositivo de comutação não está totalmente conduzindo nem totalmente isolando.

Quanto mais elevada é a frequência de um circuito comutado fir- me, maiores as perdas da comutação.

O circuito aquecedor preferido, portanto, provê um método de acionamento de um injetor de combustível aquecido onde a comutação é 20 feita na potência interrompida mais baixa possível.

Esse circuito aquecedor foi revelado na Patente U.S.

No.: 7.628.340, título: Constant Current Zero- Voltage Switching Induction Heater Driver for Variable Spray Injection.

Ide- almente, a energia deve ser reabastecida para o circuito tanque quando a tensão ou a corrente no dispositivo de comutação é zero.

É conhecido que a 25 interferência eletromagnética é mais baixa durante a comutação de tensão zero ou corrente zero e é a mais baixa durante a comutação de tensão zero, esse é o método da Patente U.S.

No.: 7.628.340. Também é conhecido que o dispositivo de comutação dissipa a menor potência sob comutação zero.

Esse ponto de comutação ideal ocorre duas vezes por ciclo quando a onda 30 senoidal cruza o zero e inverte a polaridade; isto é, quando a onda senoidal cruza o zero em uma primeira direção do positivo para o negativo e quando a onda senoidal cruza o zero em uma segunda direção do negativo para o positivo.

É preferível reduzir o tamanho dos componentes indutivos e, em alguns casos, eliminar o transformador de combinação de impedância, en- quanto mantendo as conexões mínimas necessárias na bobina do aquece- 5 dor indutivo no injetor.

As dificuldades disso serão detalhadas nesse relatório descritivo no texto subsequente.

As modalidades da invenção continuam para propiciar a eliminação da comutação firme e suas consequências nega- tivas, substituí-la pela comutação com tensão zero e ainda aplicar esse mé- todo em uma topologia de ponte completa enquanto eliminando vantajosa- 10 mente o transformador de combinação de impedância e superando as difi- culdades das soluções alternativas.

Com referência à figura 3, a descrição revelada na Patente U.S.

No. 7.628.340 inclui um transformador de combinação de impedância deri- vado central que esses versados na técnica estarão familiarizados quanto ao 15 custo adicional que essa topologia poderia apresentar.

Com referência à figura 4, a eliminação do transformador de combinação de impedância é possível e prática, mas com o resultado que a bobina do aquecedor de indução usa uma derivação central para satisfazer a topologia do oscilador equilibrado.

Essa derivação central acrescenta um 20 condutor adicional e pino no injetor de combustível aquecido de modo induti- vo.

Com referência à figura 5, a eliminação adicional e a mudança da topologia do oscilador equilibrado seguem a partir da topologia da figura 4, entretanto, ela usa dois indutores de corrente constante de uma indutân- 25 cia relativamente muito mais elevada comparado com a bobina do aquece- dor de indução para permitir que corrente suficiente flua através da impe- dância da bobina do aquecedor, de outra forma a maior parte fluiria somente através dos comutadores de potência.

De modo a manter corrente suficiente no aquecedor, isso tende a resultar em uma pequena indutância da bobina 30 do aquecedor ao invés de uma redução da indutância de corrente constante.

Essa redução da indutância da bobina do aquecedor tende ao ponto que a indutância parasítica do chicote de fios e conexões pode superar essa da bobina do aquecedor. Adicionalmente, de modo a obter uma pequena indu- tância da bobina do aquecedor, o número de voltas da bobina é reduzido para uma dada massa magnética disponível, possivelmente sacrificando o Ampere.voltas por Herz e dessa maneira afetando de modo prejudicial a ca- 5 pacidade de executar o aquecimento por indução.

BREVE SUMÁRIO As modalidades da invenção eliminam o transformador de com- binação de impedância. Além disso, as modalidades da invenção eliminam a derivação central da bobina de aquecimento por indução, tal que somente 10 dois condutores são usados para transmissão de potência. Adicionalmente, as modalidades da invenção forçam o compartilhamento da corrente através da bobina de aquecimento por indução enquanto permitindo flexibilidade e indutância adequada e ampere-voltas da bobina do aquecedor de indução. Uma ou mais modalidades usam dois pares de pares comple- 15 mentares de transistores de comutação de potência em uma configuração de ponte completa ou ponte H. Um desvio de um acionador de ponte com- pleta é esse em que a ponte é alimentada a partir de um indutor de fonte de corrente constante e a seção de carga da ponte completa convencional é substituída por um circuito tanque ressonante. Um desvio adicional de uma 20 ponte completa convencional é uma topologia de comutação zero inerente síncrona do oscilador que aciona os portões dos pares complementares de transistores em sequência alternada de pares diagonais. Adicionalmente, a corrente de reabastecimento do tanque passa através da bobina do aquecedor de indução e a alimentação da corrente da 25 derivação central convencional no oscilador equilibrado original, em que so- mente metade da bobina em um dado ciclo recebeu a corrente de reabaste- cimento do tanque, é eliminada. A eliminação da derivação central dessa maneira proporciona uma solução de fiação mínima para o acionamento da bobina do aquecedor de indução sem um transformador de combinação de 30 impedância.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A figura 1 é um diagrama esquemático elétrico simplificado mos-

trando um oscilador de ponte síncrono com o indutor da fonte e sem um transformador e sem uma derivação central de acordo com modalidades da invenção. A figura 2 é um diagrama esquemático elétrico simplificado mos- 5 trando um oscilador de ponte síncrono com indutor coletor e sem um trans- formador e sem uma derivação central de acordo com modalidades da in- venção. A figura 3 é um diagrama esquemático simplificado representan- do a técnica anterior com um transformador de combinação de impedância 10 derivado central em uma topologia de oscilador equilibrado. A figura 4 é um diagrama esquemático simplificado representan- do a técnica anterior com uma bobina do aquecedor de indução derivado central e a eliminação do transformador de combinação de impedância em uma topologia de oscilador equilibrado. 15 A figura 5 é um diagrama esquemático simplificado representan- do uma solução alternativa para a eliminação do transformador de combina- ção de impedância e eliminação da derivação central da bobina do aquece- dor. A figura 6 é um leiaute esquemático alternativo da figura 1, com 20 um comutador de controle no lado baixo adicionado como uma demonstra- ção de uma modalidade alternativa da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA Idealmente, a energia deve ser reabastecida para o circuito tan- que quando a tensão ou a corrente no dispositivo de comutação é zero. A 25 interferência eletromagnética é mais baixa durante a comutação com tensão zero ou corrente zero e é mais baixa durante a comutação com tensão zero. O dispositivo de comutação dissipa a menor potência sob comutação zero. Esse ponto de comutação ideal ocorre duas vezes por ciclo quando a onda senoidal cruza o zero e inverte a polaridade; isto é, quando a onda senoidal 30 cruza o zero em uma primeira direção do positivo para o negativo e quando a onda senoidal cruza o zero em uma segunda direção do negativo para o positivo.

As modalidades da invenção eliminam a comutação firme e suas consequências negativas, e a substituem pela comutação de tensão zero em uma configuração de ponte completa.

As funções integradas do acionador do aquecedor do oscilador de potência de ponte completa síncrono da in- 5 venção serão explicadas com referência à figura 1, que é uma representa- ção simplificada de um circuito de acordo com as modalidades da invenção com muitos dos componentes básicos não mostrados por clareza.

Valores específicos ou gerais, avaliações, adições, inclusão ou exclusão de compo- nentes não são planejados para afetar o escopo da invenção. 10 L1 pode estar localizado dentro de um injetor de combustível.

L1 é uma bobina do aquecedor de indução que proporciona ampere-voltas para o aquecimento por indução de um componente adequado do injetor de com- bustível.

Um oscilador de potência de ponte completa síncrono de acordo 15 com as modalidades da invenção pode incluir R1, R2, D1, D2, Q1, Q2, Q3, Q4, L2, C1 e L1. Q1 e Q2 são comutadores do tipo de intensificação N- MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal de canal N) que conectam alternativamente o ressonador tanque, C1 e L1, o circuito à massa e, quando cada um está ligado no estado respectivo, permi- 20 te que a corrente flua através da bobina do aquecedor de indução e a mas- sa.

Q3 e Q4 são comutadores do tipo de intensificação P-MOSFET (transis- tor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal de canal P) que al- ternativamente conectam o ressonador tanque, C1 e L1, circuito no abaste- cimento de tensão originado através de L2 e com Q1 e Q2 no estado apro- 25 priado, possibilitam que a corrente flua através da bobina do aquecedor de indução.

O abastecimento de tensão pode ser um abastecimento de energia ou, no caso de um veículo, uma bateria ou um alternador, e é uma fonte de energia potencial para reabastecer a energia perdida no oscilador.

C1 e L1 são o capacitor do ressonador tanque e o indutor do 30 ressonador tanque, respectivamente, de um circuito tanque ressonante.

A frequência ressonante do circuito tanque é onde L é a in- dutância da bobina do aquecedor L1 e C é a capacitância do capacitor tan-

que C1. A tensão de pico no circuito tanque é definida por onde Vin é a tensão de abastecimento.

O nível de corrente no circuito tanque é determinado a partir do equilíbrio de energia de . O circuito do oscilador de potência de comutação zero é de par- 5 tida automática na oscilação, mas pode ser forçado para a oscilação pela colocação em sequência seletiva da comutação de Q1-Q4 em uma estraté- gia de ponte H de inversão completa.

Os pares complementares, ou aqui, os pares de transistores que estão fluindo a corrente entre o 'dreno' e a 'fonte' do MOSFET ao mesmo tempo são Q3 e Q2 ou Q4 e Q1. Não é desejável ter 10 Q1 fluindo a corrente quando Q3 flui a corrente e, da mesma forma, não é desejável ter Q2 fluindo a corrente quando Q4 flui a corrente.

Quando Q3 está fluindo a corrente, a corrente passa através da bobina do aquecedor de indução e depois através de Q2 para a massa.

Quando Q4 está fluindo a corrente, a corrente passa através da bobina do aquecedor de indução na 15 direção inversa como quando Q3 estava fluindo a corrente e depois através de Q1 para a massa, isso é a "inversão completa" da corrente.

Um MOSFET é um dispositivo que tem um limiar para uma quantidade de carga Coulomb no portão, que é dependente da corrente da fonte-dreno.

A satisfação do limiar da carga acentua o dispositivo para o es- 20 tado 'ligado'. O primeiro e o segundo resistores de portão R1, R2 suprem a corrente de carga do portão para os primeiro e segundo trechos da ponte H.

R1 supre a corrente para os portões de Q1 e Q3, R2 supre a corrente para os portões de Q2 e Q4, respectivamente e R1, R2 limitam a corrente fluindo para o primeiro e o segundo diodos de portão D1, D2, respectivamente.

Q3 e 25 Q4, P-MOSFET conduzem entre o dreno e a fonte quando a fonte é mais positiva do que o portão.

Q1 e Q2, N-MOSFET conduzem entre o dreno e a fonte quando a fonte é mais negativa do que o portão.

O carregamento causado pela perda resistiva e por histerese do componente aquecido reflete de volta como uma perda no circuito tanque 30 ressonante.

Essa perda é reabastecida pela corrente fluindo de um indutor da fonte de corrente L2 para os transistores de ponte superiores, Q3 e Q4. A figura 2 mostra uma variação com L2 como um indutor coletor dos transisto- res de ponte inferiores, Q1 e Q2, aqueles versados na técnica entenderão essa modalidade alternativa como funcionalmente permutável no geral.

De- pendendo do estado de inversão da ponte H na qual a corrente flui, a corren- 5 te fluirá através de Q3 ou Q4 e depois através da bobina do aquecedor de indução L1. Com referência novamente à figura 1, L2 supre a corrente para o circuito tanque a partir da energia armazenada no seu campo magnético.

Essa energia é reabastecida a partir da tensão de abastecimento como uma corrente que flui constantemente para L2 durante a operação do oscilador de 10 potência de ponte completa síncrono.

L2 também proporciona a separação transitória do circuito tanque da fonte de tensão.

Se a corrente está fluindo através de Q3, como determinado pe- la polaridade do meio ciclo da onda senoidal nesse momento, então a con- dução para a massa a partir do dreno para fonte de Q2 está puxando a car- 15 ga para fora do portão de Q3 e Q1 através de D1 polarizado avançado.

Q1 também não está agora conduzindo e não puxa a carga do portão para fora de Q4 e Q2 para a massa através de D2. Por enquanto, R1 puxa a corrente da tensão de abastecimento.

Mas a queda de IR através de R1 não pode carregar o portão de Q3 e Q1 com o portão desviado para a massa pela 20 condução através de Q2. Quando a onda senoidal cruza o zero, então Q3 se torna polari- zado inverso e conduz através do diodo intrínseco interno para D1 polariza- do inverso.

D1 para de conduzir a corrente para longe do portão de Q3 e Q1, e R1 pode carregar o portão de Q3 e Q1, o que para a condução em Q3 e 25 começa a condução em Q1 para começar a conduzir a corrente para o meio ciclo senoidal contínuo.

Q1 também puxa a carga do portão para fora de Q2 e Q4 para a massa através de D2 e mantém Q2 em um estado não condu- tor, que continua para permitir que R1 acentue Q1. E Q4 conduz.

Esse processo repete quando a onda senoidal alterna a polari- 30 dade, cruzando o zero em uma primeira direção do negativo para o positivo e depois em uma segunda direção do positivo para o negativo.

Isso gera a inversão completa da corrente em L1, a bobina do aquecedor de indução.

A corrente continua a ser reabastecida no circuito tanque a partir de L2. Um dispositivo IGBT (transistor bipolar de portão isolado) pode substituir o N- MOSFET nessa modalidade se o diodo intrínseco do N-MOSFET é repre- sentado pela adição de um diodo externo através do dreno e fonte do IGBT. 5 A descrição detalhada precedente deve ser entendida como sendo em todo o aspecto ilustrativa e exemplar, mas não restritiva e o esco- po da invenção revelada aqui não deve ser determinado pela descrição da invenção, mas de preferência pelas reivindicações como interpretadas de acordo com a amplitude completa permitida pelas leis de patente.

Por exem- 10 plo, embora o oscilador de potência de ponte completa síncrono da invenção seja descrito aqui acionando uma bobina do aquecedor de indução para o aquecedor em um injetor de combustível do motor de combustão interna, o acionador pode ser usado para acionar outros aquecedores de indução em outras aplicações.

Deve ser entendido que as modalidades mostradas e 15 descritas aqui são somente ilustrativas dos princípios da presente invenção e que várias modificações podem ser implementadas por aqueles versados na técnica sem se afastar do escopo e do espírito da invenção.

Claims (7)

REIVINDICAÇÕES

1. Oscilador de potência para um acionador de aquecedor de in- dução eletrônico, o oscilador de potência compreendendo: uma topologia de circuito de ponte H compreendendo comutado- 5 res de semicondutor no lado alto e lado baixo, um circuito tanque ressonante conectado eletricamente entre os trechos da ponte H na localização topológica de uma carga de ponte H con- vencional, em que o circuito tanque ressonante inclui pelo menos uma bobi- na do aquecedor de indução, 10 pelo menos um indutor de reabastecimento de energia eletrica- mente em série com a ponte H, em que a regulação de tempo do comutador da ponte H é de- terminada por uma frequência do circuito tanque ressonante.

2. Oscilador de potência, da reivindicação 1, em que o indutor de 15 reabastecimento de energia origina a corrente para a ponte H de uma fonte de tensão.

3. Oscilador de potência, da reivindicação 1, em que o indutor de reabastecimento de energia reduz a corrente da ponte H para um potencial absoluto menor do que a fonte de tensão. 20

4. Oscilador de potência, da reivindicação 1, em que a regulação de tempo do comutador da ponte H é realizada através de diodos retificado- res reduzindo a carga de um trecho da ponte H para o trecho oposto da pon- te H.

5. Oscilador de potência, da reivindicação 1, em que a regulação 25 de tempo do comutador da ponte H é realizada através de resistores origi- nando a carga do abastecimento de tensão.

6. Oscilador de potência, da reivindicação 1, em que a indutân- cia do indutor de reabastecimento de energia é maior do que a indutância da bobina do aquecedor de indução. 30

7. Oscilador de potência, da reivindicação 1, em que a indutân- cia do indutor de reabastecimento de energia é maior do que duas vezes o valor da indutância da bobina do aquecedor de indução