DE10328623A1 - Konverterschaltung und Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die erfindungsgemäße Konverterschaltung weist eine mit einem kleinen Pufferkondensator verbundene Brückenschaltung, einen größeren Speicherkondensator und einen Transformator auf, dessen primärseitige Wicklung den Pufferkondensator und den Speicherkondensator miteinander verbindet und dessen sekundärseitige Wicklung den Ausgangsanschluss der Brückenschaltung mit dem kapazitiven Stellglied verbindet. Die Spulen des Transformators sind einerseits physikalisch miteinander verbunden und ferner induktiv miteinander gekoppelt, so dass die gesamte Konverterschaltung einen hohen Wirkungsgrad aufweist und zudem eine stabile Aufladung ermöglicht.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Konverterschaltung insbesondere zum Auf-/Entladen eines kapazitiven Stellgliedes, zum Beispiel für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, welche zwischen einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss einer Energiequelle angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine.
- Bei modernen Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung besteht der Bedarf, dass die verwendeten Kraftstoffinjektoren möglichst verzögerungsfrei ansprechbar sind. Dieser Anforderung werden kapazitive Stellglieder und hier insbesondere kapazitiv wirkende Piezo-Elemente gerecht. Solche kapazitiven Stellglieder stellen für die entsprechende Konverterschaltung eine starke kapazitive Last dar, die in einer sehr kurzen Zeitspanne auf eine vorgegebene Spannung aufgeladen und anschließend sehr schnell wieder entladen werden muss. Zudem muss die Ansteuerung und damit die Aufladung sehr exakt und reproduzierbar möglich sein, so dass auch für kleinste Kraftstoffmengen eine definierte Einspritzung realisiert werden kann. Zum Öffnen des entsprechenden Kraftstoffinjektors wird das kapazitive Stellglied auf eine bestimmte Ladung aufgeladen und zum Schließen wird das Stellglied wieder entladen. Es kommt hier auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Konverterschaltung sowie auf eine geringe Belastung der Speicherelemente der Konverterschaltung an.
- Bei kapazitiven, piezo-elektrischen Kraftstoffinjektoren werden zur Ansteuerung vorzugsweise elektronische Endstufen eingesetzt, die nach dem Prinzip eines LC-Schwingkreises arbeiten und bei denen die kapazitive Last bzw. der Piezo-Aktor den Kondensator darstellt. Bei diesen Endstufen erfolgt der Ladeprozess des Piezo-Aktors als Umschwingvorgang der Ladung aus einer Ladungsquelle über eine Umladungsspule zum Piezo- Aktor, wobei die Induktivität der Umladespule zusammen mit den Kapazitäten der Ladungsquelle und des Piezo-Aktors die Zeitkonstante für den Lade- bzw. Entladevorgang und damit die Lade- bzw. Entladezeit bestimmen.
- Aufgrund der speziellen Anforderung kann so mit einem einmaligen Umschwingvorgang das Stellglied für den Kraftstoffinjektor aufgeladen werden. Hier ist man allerdings bezüglich der Dynamik stark eingeschränkt, da lediglich komplette Lade- bzw. Entladevorgänge möglich sind und der zeitliche Verlauf von Lade- bzw. Entladevorgängen von den jeweils verwendeten Bauelementen der Konverterschaltung abhängig ist. Wird der Spannungshub für den Auflade- bzw. Entladevorgang des kapazitiven Stellgliedes gesteuert, so steigt der Schaltungsaufwand für die Konverterschaltung und damit die Komplexität der Auflade-Regelung erheblich an.
- Als Konverterschaltung sollen daher solche Schaltungen mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad verwendet werden, beispielsweise Gleichspannungswandler. Solche Gleichspannungswandler sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt, zum Beispiel als Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck/Boost-Konverter, Flyback-Konverter, Zeta-Konverter, CuK-Konverter, SEPIC-Konverter, Wittenbreder-Konverter, etc.
- Eine Schaltungstopologie für einen Konverter zum Aufladen bzw. Entladen des kapazitiven Stellgliedes, die darüber hinaus auch sehr einfach steuerbar ist, stellt der Flyback-Konverter dar. Die Verwendung eines Flyback-Konverters als Konverterschaltung bzw. als Treiberstufe für das kapazitive Stellglied zeichnet sich dadurch aus, dass die bei einem Ladevorgang in das kapazitive Stellglied eingespeiste elektrische Energie beim Entladen im wesentlichen auch wieder zurückgewonnen wird, im Schaltnetzteil zwischengespeichert und für den folgenden Schaltvorgang erneut wieder verwendet werden kann. Allerdings erweist sich die rein induktive Kopplung des Transformators hinsichtlich der Verluste und des Wir kungsgrades der Flyback-Konverterschaltung als kritisch. Ferner weist ein Flyback-Konverter sägezahnartige Eingangs- und Ausgangsströme auf, die die Kondensatorelemente der Konverterschaltung bzw. des kapazitiven Stellgliedes erheblich belasten. Solche sägezahnartige Ströme bewirken insbesondere eine erhöhte EMV-Abstrahlung. Schließlich weist die Konverterschaltung im Falle eines sägezahnartigen Stromes einen sehr hohen Oberwellenanteil bei gleichzeitig geringem Mittelwert zu Effektivwert auf.
- Solche, mit einem Flyback-Konverter ausgestattete Konverterschaltungen zum Auf-/Entladen eines kapazitiven Stellgliedes sind unter anderem in der
DE 199 44 733 A1 und derDE 199 52 950 A1 beschrieben. - Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften verbesserte Konverterschaltung für ein kapazitives Stellglied, insbesondere für Karftstoffinjektoren, anzugeben. Insbesondere soll eine hinsichtlich der EMV-Abstrahlung, der Oberwellen und des Wirkungsgrades optimierte Konverterschaltung angegeben werden.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Konverterschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
- Die erfindungsgemäße Konverterschaltung weist eine Brückenschaltung, einen Speicherkondensator und einen Transformator auf, dessen primärseitige Wicklung mit dem Speicherkondensator verbunden ist und dessen sekundärseitige Wicklung den Ausgangsanschluss der Brückenschaltung mit dem kapazitiven Stellglied verbindet. Die primärseitige Spule und die sekundärseitige Spule sind einerseits physikalisch miteinander verbunden und ferner induktiv miteinander gekoppelt. Ferner ist eine Rückspeisung von Energie in den Speicherkondensator im Falle eines Entladen des kapazitiven Stellgliedes möglich, was energetisch besonders günstig ist. Aufgrund der geringen Belastung der kapazitiven Elemente, z. B. des Speicherkondensators, weist die Konverterschaltung ferner einen hohen Wirkungsgrad auf.
- In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Pufferkondensator vorgesehen, der parallel zur Brückenschaltung angeordnet ist und der über die Primärspule mit der Energieversorgung verbunden ist. Der Pufferkondensator weist typischerweise eine geringere Kapazität als der versorgungsseitig vorgeschaltete Speicherkondensator auf.
- Speicherkondensator, Pufferkondensator, Brückenschaltung und kapazitive Last sind jeweils mit einem Anschluss eines Bezugspotenzials, beispielsweise der Bezugsmasse, verbunden. Dies erleichtert die Realisierung der Kontroll- und Regelschaltung sowie der Ansteuerschaltung für die Schaltung.
- Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie zeichnet sich (wie ein Wittenbreder-Konverter) durch einen dreieckförmigen Eingangs- und Ausgangsstrom aus, wodurch die Belastung der kapazitiven Speicherelemente, zum Beispiel des Ladekondensators und der kapazitiven Last, gering gehalten wird. Darüber hinaus bewirkt eine Konverterschaltung mit dreieckförmigen Strömen im Vergleich zu sägezahnförmigen Strömen eine deutlich geringere EMV-Abstrahlung, was sich aus den flacheren Schaltflanken ergibt.
- Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie der Konverterschaltung weist im Vergleich zu herkömmlichen Konvertern ferner die Vorteile auf, dass zumindest einer der steuerbaren Schaltern bezogen auf ein Referenzpotenzial, zum Beispiel die Bezugsmasse, geschaltet ist und damit nicht "floated". Dies ermöglicht es, dass die Treiberschaltung zur Ansteuerung dieses steuerbaren Schalters sehr viel einfacher ausgebildet ist. Der jeweils andere steuerbare Schalter der Halbbrücke, der also mit einem Versorgungspotenzial verbunden ist, kann damit vorteilhafterweise lediglich im Bereich zwischen der von der Energieversorgung bereitgestellten Spannung, also zwischen dem Referenzpotenzial und dem Versorgungspotenzial, schwanken.
- In einer typischen Ausgestaltung ist die Brückenschaltung als Halbbrücke ausgebildet, die zwei steuerbare Schalter aufweist. Die steuerbaren Schalter sind aufgrund der sehr hohen zu treibenden Ströme typischerweise als Leistungsschalter, zum Beispiel Leistungs-MOSFETs oder IGBTs, ausgebildet. Die Steueranschlüsse dieser steuerbaren Schalter können durch einfache Halbbrückentreiber angesteuert werden.
- Die Erfindung eignet sich besonders für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, dessen Kraftstoffinjektoren durch kapazitive bzw. piezo-elektrische Stellglieder angesteuert werden, die durch eine erfindungsgemäße Konverterschaltung aufgeladen bzw. entladen werden.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Konverterschaltung zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes.
- In der Figur ist mit Bezugszeichen
1 die Konverterschaltung bezeichnet. Die Konverterschaltung1 weist zwei Versorgungsanschlüsse2 ,3 auf, über die eine Versorgungsspannung Vin einer in der Figur nicht dargestellten Energiequelle einkoppelbar ist. Die Energiequelle kann beispielsweise aus einem DC/DC-Wandler mit einstellbarer Ausgangsspannung bestehen. Der erste Versorgungsanschluss2 weist ein erstes Versorgungspotenzial, Vbb auf, während der zweite Versorgungsan schluss3 ein zweites Versorgungspotenzial, beispielsweise das Potenzial der Bezugsmasse GND, aufweist. - Zwischen den Ausgangsanschlüssen
4 ,5 ist ein kapazitives Stellglied6 geschaltet, das über eine Ladespannung Vout aufladbar bzw, entladbar ist. Bei dem kapazitiven Stellglied6 handelt es sich zum Beispiel um ein piezo-elektrisches Stellglied6 , welches der Ansteuerung eines oder mehrerer Kraftstoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine dient (in der Figur nicht dargestellt). Dieses kapazitive Stellglied6 stellt den Hub des Kraftstoffeinspritzventils ein und steuert somit die in die jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge. Ein piezo-elektrisches Stellglied6 besteht typischerweise aus einem Stapel parallel geschalteter und betriebener Piezo-Keramikscheiben, um die für einen ausreichenden Hub der Nadel des Kraftstoffeinspritzventils notwendige Feldstärke erreichen zu können. Wenngleich in der Figur lediglich ein einziges kapazitives Element6 von der Konverterschaltung1 angesteuert wird, kann die Konverterschaltung1 selbstverständlich auch dazu ausgelegt sein, über mehrere, beispielsweise parallel geschaltete piezoelektrische Elemente, die jeweiligen Kraftstoffeinspritzventilen zugeordnet sind, anzusteuern. - Zwischen den Versorgungsanschlüssen
2 ,3 der Konverterschaltung1 ist ein Ladekondensator7 geschaltet, der von der Energiequelle auf eine gewünschte Spannung aufgeladen wird. Diese Ausgangsspannung kann beispielsweise über die Eingangsspannung Vin der Konverterschaltung1 eingestellt werden. Parallel zu dem Ladekondensator ist ein Pufferkondensator8 angeordnet, der versorgungspotenzialseitig über eine primärseitige Spule9 eines Transformators10 mit dem Versorgungsanschluss2 verbunden ist. Der Pufferkondensator8 dient der Pufferung der in der Primärwicklung9 gespeicherten elektrischen Energie. Ohne Pufferkondensator8 würde die Konverterschaltung eine rein induktive Kopplung aufweisen, wodurch der steuerbare Schalter12 der Brückenschaltung11 im Falle einer zu hohen elektrischen Energie der Primärwicklung9 unerwünschterweise durchbrechen würde. Der Pufferkondensator8 ist typischerweise sehr viel kleiner dimensioniert als der Ladekondensator7 . Typische Größenverhältnisse für die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren7 ,8 liegen im Falle des Ladekondensators7 im Bereich von 10 μF – 1 mF und im Falle des Pufferkondensators8 im Bereich von 100 nF – 10 μF. Typischerweise beträgt das Verhältnis des Ladekondensators zum Pufferkondensator etwa 100 : 1. - Parallel zu dem Pufferkondensator
8 ist eine Brückenschaltung11 vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brückenschaltung11 als Halbbrücke ausgebildet. Die Halbbrückenschaltung11 weist zwei Leistungs-MOSFETs12 ,13 auf, deren gesteuerte Strecken in Reihe angeordnet sind, wobei diese Reihenschaltung über die Primärspule9 mit dem ersten Versorgungsanschluss2 und andererseits mit dem zweiten Versorgungsanschluss3 verbunden sind. Die Ansteuerschaltung zum Steuern bzw. Schalten der MOSFETs12 ,13 wurde der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt. Jedoch kann aufgrund der gewählten erfindungsgemäßen Schaltungstopologie der Konverterschaltung1 hier eine sehr einfache Treiberschaltung, beispielsweise eine Gegentaktausgangsstufe, verwendet werden. - Parallel zu den gesteuerten Strecken eines jeweiligen MOSFETs
12 ,13 ist jeweils eine Freilaufdiode14 ,15 angeordnet. Bei Verwendung von MOSFETs12 ,13 kann auf eine Diode14 ,15 verzichtet werden, da MOSFETs strukturbedingt eine eigene Diode aufweisen. Die Freilaufdioden14 ,15 wären dann optional. - Der Mittelabgriff
17 bzw. der Ausgang17 der Halbbrückenschaltung11 ist über eine Sekundärspule16 des Transformators10 mit dem Ausgang4 und somit mit dem kapazitiven Stellglied6 verbunden. - Sollte das kapazitive Stellglied
6 über eine Ausgangsspannung Vout aufgeladen bzw. wieder entladen werden, ist vorteilhaf ter Weise zwischen dem Ausgangsanschluß4 und dem kapazitiven Stellglied6 ein in der Figur nicht dargestelltes Glättungsfilter zum Glätten dieser Spannung erforderlich. Für den Fall, dass das kapazitive Stellglied6 durch einen Ausgangsstrom angesteuert wird, kann auf ein solches Glättungsfilter verzichtet werden. - Die Primärspule
9 und Sekundärspule16 des Transformators10 sind miteinander induktiv gekoppelt. Vorteilhafterweise ist die induktive Kopplung zwischen Primärspule9 und Sekundärspule16 sehr schlecht. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Transformator10 mit geringer Kopplung und somit einer hohen Streuung zur Verfügung gestellt wird. Da es sehr häufig nicht möglich ist, einen Transformator10 mit der entsprechend hohen erforderlichen Streuung zur Verfügung zu stellen, kann eine zusätzliche Induktivität vorgesehen sein, durch welche die erforderliche hohe Streuung realisiert werden kann. Typischerweise weist der Transformator ein Übertragungsverhältnis W2/W1 im Bereich von etwa 1 auf. - Nachfolgend sei die Funktion der erfindungsgemäßen Konverterschaltung
1 näher erläutert:
In einem Anfangszustand ist das kapazitive Stellglied6 entladen, sind die MOSFETs12 ,13 der Halbbrückenschaltung11 nicht leitend (geöffnet) und der Ladekondensator7 über die Energiequelle auf eine vorgegebene Ausgangsspannung Vin aufgeladen. Soll das kapazitive Stellglied6 aufgeladen werden, wird der MOSFET12 mit vorgegebener Frequenz und vorgegebenem Tastverhältnis im Pulsbetrieb mit einer vorgegebenen Anzahl von pulsweitenmodulierten Signalen bei der vorgegebenen Ladespannung Vin angesteuert. Während dieser leitenden Zustände des MOSFETs12 steigt der Strom durch die Primärspule9 an und wird jeweils durch Wiederöffnen des MOSFETs12 abgebrochen. In dieser Phase, in der durch die Primärspule9 aufgrund des Öffnens des MOSFETs12 gerade kein Strom fließt, fließt über die induktiv gekoppelte Sekundärspule16 ein dem Wicklungsverhältnis W2/W1 entsprechender induzierter Strom. Dieser Strom zusammen mit dem Strom bei geschlossenem Schalter12 erzeugt eine Ladespannung Vout, die das kapazitive Stellglied6 auflädt. Die Ladezeit zum Aufladen des kapazitiven Stellgliedes6 kann je nach Tastverhältnis variiert werden, wobei die Zahl der Impulse entsprechend der gewünschten Stellgliedspannung Vout anzupassen ist. - Die Entladung des kapazitiven Stellgliedes
6 erfolgt ebenfalls mit pulsweitenmodulierten Signalen dadurch, dass der MOSFET13 pulsförmig leitend und nicht leitend gesteuert wird, wodurch die Stellgliedspannung Vout so lange sinkt, bis sie zu Null wird. Die dafür erforderliche Entladezeit kann ebenfalls je nach Tastverhältnis variiert werden. Bei jedem Öffnen des MOSFETs13 wird zusätzlich ein Teil der Entladeenergie auf die Primärspule9 des Transformators10 übertragen und in den Ladekondensator7 zurückgespeichert. - Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
- So ist die Erfindung insbesondere nicht für die Ansteuerung eines piezo-elektrischen Stellgliedes beschränkt, sondern lässt sich sehr vorteilhaft bei allen möglichen kapazitiven Stellgliedern einsetzen.
- Ferner sei die Erfindung auch nicht auf solche kapazitiven Stellglieder beschränkt, die für Einspritzventile in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, sondern lässt sich auch für die Einstellung sonstigen Injektoren für welche Anwendungen auch immer einsetzen.
- Auch ist die Erfindung nicht notwendigerweise auf die spezielle Ausgestaltung einer Brückenschaltung als Halbbrücke beschränkt. Vielmehr wäre die Erfindung selbstverständlich auch bei anderen Brückenschaltern, beispielsweise einer Vollbrücke, einsetzbar.
Claims (11)
- Konverterschaltung (
1 ), insbesondere zum Auf/Entladen eines kapazitiven Stellglieds (6 ), zum Beispiel für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, welche zwischen einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss (2 ,3 ) einer Energiequelle angeordnet ist, mit einem zwischen dem ersten und zweiten Versorgungsanschluss angeordneten Ladekondensator (7 ), der von der Energiequelle auf eine vorgegebene Spannung (Vin) aufladbar ist, mit einer ersten Reihenschaltung (9 ,11 ) aus einer Primärspule (9 ) und einer Brückenschaltung (11 ), welche parallel zu dem Ladekondensator (7 ) angeordnet ist, mit einer induktiv mit der Primärspule (9 ) gekoppelten Sekundärspule (16 ), die zwischen einem Ausgangsanschluss (17 ) der Brückenschaltung (11 ) und einem Ausgang (4 ) der Konverterschaltung (1 ) angeordnet ist und die mit dem an dem Ausgangsanschluss (4 ) anschließbaren kapazitiven Stellglied (6 ) eine zweite Reihenschaltung bildet. - Konverterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (
9 ) und die Sekundärspule (16 ) Bestandteil eines Transformators (11 ) sind. - Konverterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Versorgungsanschluss (
3 ) ein Bezugspotenzial (GND), insbesondere das Potenzial der Bezugsmasse (GND), und der zweite Versorgungsanschluss (2 ) ein Versorgungspotenzial (Vbb), insbesondere ein Batteriepotenzial (Vbb), aufweist. - Konverterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (
11 ) als Halbbrücke (11 ) ausgebildet ist. - Konverterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (
11 ) zumindest einen steuerbaren Leistungsschalter (12 ,13 ), insbesondere einen MOSFET und/oder einen IGBT, aufweist. - Konverterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pufferkondensator (
8 ) vorgesehen ist, der parallel zur Brückenschaltung (11 ) angeordnet ist und der über die Primärspule (9 ) zwischen den Versorgungsanschlüssen (2 ,3 ) geschaltet ist. - Konverterschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferkondensator (
8 ) eine sehr viel geringere Kapazität als der Ladekondensator (7 ) aufweist. - Konverterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Stellglied (
6 ) als piezo-elektrisches Stellglied (6 ) ausgebildet ist. - Konverterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (
11 ) und/oder das kapazitive Stellglied (6 ) und/oder der Pufferkondensator (8 ) mit dem ersten Versorgungsanschluss (3 ) mit einem Bezugspotenzial (GND) verbunden sind. - Konverterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glättungsfilter vorgesehen ist, welches mit einem der Ausgangsanschlüsse (
4 ,5 ) verbunden ist und welches ein Ladepotenzial (Vout) zum Aufladen des kapazitiven Stellglieds (6 ) glättet. - Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in entsprechende Zylinder der Brennkraftmaschine, mit mindestens einem kapazitiven Stellglieder (
6 ), insbesondere einem piezo-elektrischen Stellglied (6 ), zur Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge über den Hub des jeweiligen Kraftstoffinjektors, mit zumindest einer Konverterschaltung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Aufladen und/oder Entladen des mindestens einen kapazitiven Stellgliedes (6 ).
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