同步全桥功率振荡器的制造方法
【专利摘要】一种用于可变喷雾燃料喷射系统的电子高频感应加热器驱动器，其使用利用具有电感器的全H-桥拓扑的零-电压开关振荡器，所述电感器将高或低功率电源与开关设备相分离，其中半导体开关在桥内被同步以执行功能。在接收到开启信号时，该感应加热器驱动器通过自-振荡串联谐振来增加供应电压，其中储能谐振器电路的一个组件包括被磁耦合到适当的损耗组件的感应加热器线圈，以使得燃料组件内部的燃料被加热至期望的温度。
【专利说明】同步全桥功率振荡器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是2011年4月22日提交的、序列号为61/478，350、题为“SynchronousFull-Bridge Power Oscillator”的美国临时专利申请的非_临时版本，并要求其优先权，本文通过弓I用将其全部内容包含在内。
[0003]并且本申请涉及下列与本申请同一天提交的美国非-临时专利申请:
[0004]由Perry Czimmek发明并且由代理人档案号2011P00689US01所识别的“Synchronous Full-Bridge Power Oscillator with Leg Inductors，，；
[0005]由Perry Czimmek和Mike Hornby发明并且由代理人档案号2011P00691US01所识别的 “Synchronized Array Bridge Power Oscillator”;
[0006]由Perry Czimmek和Mike Hornby发明并且由代理人档案号2011P00692US01所识别的 “Synchronized Array Power Oscillator with Leg Inductors，，；
[0007]由Perry Czimmek和Hamid Sayar发明并且由代理人档案号2011P00693US01所识别的 “Variable Spray Injector with Nucleate Boiling Heat Exchanger，，；以及
[0008]由Perry Czimmek发明并且由代理人档案号2011P00694US01所识别的“AdaptiveCurrent Limit Oscillator Starter，，。
【背景技术】
[0009]本发明的实施例大体上涉及加热的尖端燃料喷射器，并且更具体地，涉及控制和驱动感应-加热的燃料喷射器。
[0010]存在对改善内燃机的排放品质的持续需要。同时，存在最小化发动机盘车时间(crank time)和从接通到开走的时间且同时保持最高燃料经济性的压力。这些压力施加于以诸如乙醇之类的可替代燃料作为燃料的发动机以及以汽油作为燃料的那些发动机。
[0011 ] 在低温发动机启动期间，常规的火花点火式内燃机由高碳氢化合物排放以及欠佳的燃料点火和可燃性来表征。除非发动机在停止和热浸之后已经处于高温，不然盘车时间可能过度，或者发动机可能根本不启动。在更高的速度和负载处，操作温度得到提高并且燃料雾化和混合得到改善。
[0012]在实际的发动机冷启动期间，完成启动所必需的浓缩留下了不按化学计量的供给燃料，其体现为高尾管碳氢化合物排放。最糟糕的排放是在发动机操作的最初几分钟期间，在这之后催化剂和发动机接近操作温度。关于以乙醇为燃料的车辆，因为燃料的乙醇百分比部分增加到100%，所以冷启动的能力变得越来越弱，导致一些制造商包括双燃料系统，其中发动机启动以常规的汽油作为燃料且发动机运行以乙醇等级(ethanol grade)作为燃料。此类系统是昂贵且冗余的。
[0013]低温处的冷启动排放和启动困难的另一种解决方案是将燃料预-加热到当被释放到歧管或大气压时燃料迅速汽化或立即汽化(“快速沸腾”)的温度。就考虑燃料状态而目，预-加热燃料复制了热发动机。
[0014]已提出多种预-加热的方法，其中大部分涉及燃料喷射器中的预加热。燃料喷射器被广泛地用于对进入汽车发动机的进气歧管或汽缸中的燃料进行计量。燃料喷射器通常包括包含一定体积的加压燃料的外壳、燃料入口部分、包含针阀的喷嘴部分、以及诸如电磁螺线管、压电致动器、或用于致动针阀的其他机制之类的机电致动器。当针阀被致动时，力口压燃料通过阀座中的孔口喷出并且进入发动机中。
[0015]已被用于燃料预加热中的一种技术是用时-变磁场来感应地加热包括燃料喷射器的金属元件。在本文通过引用而将其全部内容包含在内的第7677468号美国专利、第20070235569、20070235086、20070221874、20070221761 和 20070221747 号美国专利申请中公开了具有感应加热的示例性燃料喷射器。在几何和材料方面适于通过由时-变磁场所感应的滞后和涡流损耗来加热的组件内部，能量被转换至热量。
[0016]感应燃料加热器不仅在解决与汽油系统关联的上述问题中是有用的，而且在不具有冗余汽油燃料系统的情况下对乙醇等级燃料进行预加热以完成顺利启动中是有用的。
[0017]因为感应加热技术使用时-变磁场，所以该系统包括用于在燃料喷射器中向感应线圈提供适当的高频交流的电子器件。
[0018]常规的感应加热是通过功率的硬开关(hard-switching)、或当开关设备中的电压和电流这二者是非-零时进行开关来完成。通常，以谐振器、或储能电路的自然谐振频率附近的频率来完成开关。谐振器包括被选择和优化成以适于使耦合到加热组件中的能量最大化的频率来谐振的电感器和电容器。
[0019]储能电路的自然谐振频率是/r = l/(2;rVZf)，其中L是电路电感并且C是电路电
容。谐振处的峰值电压由电感器和电容器的能量损耗、或者电路的减小的品质因数Q来限制。硬-开关能够通过分别包括一对或两对半导体开关的被称为半桥式或全桥式电路的电路来实现。功率的硬-开关导致了开关噪声的消极后果以及来自电压供应的谐振频率处的高幅度电流脉冲或其谐波。同样地，当开关设备既不是完全传导也不是完全绝缘时，在线性开启和关闭段期间硬开关消耗功率。硬-开关电路的频率越高，开关损耗越大。
[0020]因此，优选的加热器电路提供一种驱动加热的燃料喷射器的方法，其中开关以最不可能中断的功率来实现。在第7628340号、题为“Constant Current Zero-VoltageSwitching Induction Heater Driver for Variable Spray Injection，，的美国专利中公开了该加热器电路。理想地，当开关设备中的电压或者电流这二者之一为零时，应该将能量补充到储能电路。众所周知，电磁噪声在零-电压或零-电流开关期间较低，并且在零电压开关期间最低，这是第7628340号美国专利的方法。在零开关下，开关设备消耗最少功率也是众所周知的。该理想的开关点每周期发生两次，所述两次是当正弦波穿过零并反转极性时；即，当正弦波在从正到负的第一方向上穿过零时，以及当正弦波在从负到正的第二方向上穿过零时。
[0021]减小感应组件的尺寸是优选的，并且在一些情况中消除阻抗-匹配变压器同时保持到喷射器上的感应加热器线圈的最低必需连接是优选的。本说明书中的随后的文本中将详述其困难。本发明的实施例继续提供消除硬-开关和其消极后果，用零-电压开关来代替它，并且在全桥拓扑中进一步应用该方法同时有利地消除阻抗匹配变压器并克服可替代解决方案的困难。
[0022]参考图3，在第7628340号美国专利中所公开的描述包括中心-抽头式阻抗匹配变压器，本领域技术人员将熟悉其关于该拓扑可能存在的附加成本。[0023]参考图4，消除阻抗匹配变压器是可能并实用的，但其结果是感应加热器线圈使用中心-抽头以满足推挽式振荡器拓扑。该中心-抽头将附加的导体和引脚(pin)添加到感应加热燃料喷射器。
[0024]参考图5，由图4拓扑产生了推挽式振荡器拓扑的进一步消除和改变，然而它使用与感应加热器线圈相比具有相对高得多的电感的两个恒定-电流电感器，以允许充分的电流流过加热器线圈的阻抗，否则大部分将仅流过功率开关。为了保持充分的加热器电流，这趋于导致加热器线圈的小电感而不是恒定-电流电感的减小。加热器线圈电感的这种减小趋向于线束和连接的寄生电感可能压倒(overwhelm)加热器线圈的电感的点。另外地,为了获得小的加热器线圈电感，对于可用的给定磁质而言减少线圈的匝数，可能牺牲每赫兹的安阻(Ampere-Turns)并且从而不利地影响执行感应加热的能力。
【发明内容】
[0025]本发明的实施例消除阻抗匹配变压器。进一步地，本发明的实施例消除感应加热线圈的中心-抽头，以使得仅两个导体被用于功率传输。另外地，本发明的实施例强制通过感应加热线圈的电流共享，同时允许感应加热器线圈的灵活性以及合适的电感和安匝。
[0026]一个或多个实施例使用采用全桥、或H-桥配置的两对功率开关晶体管的互补对。与全桥驱动器的偏离是桥由恒定电流源电感器来馈给，并且用谐振储能电路来代替常规全桥的负载部分。与常规全桥的进一步偏离是用对角对的交替序列来驱动晶体管互补对的栅极的振荡器-同步固有零-开关拓扑。
[0027]另外，储能补充电流通过感应加热器线圈，并且消除了其中在给定周期处仅一半线圈接收到储能-补充电流的原始推挽式振荡器中的常规中心-抽头电流馈电。以该方式消除中心-抽头向驱动不具有阻抗匹配变压器的感应加热器提供了最少线的解决方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是示出根据本发明的实施例的具有源电感器且不具有变压器且不具有中心-抽头的同步桥振荡器的简化电气示意图。
[0029]图2是示出根据本发明的实施例的具有灌(sink)电感器且不具有变压器且不具有中心-抽头的同步桥振荡器的简化电气示意图。
[0030]图3是描绘在推挽式振荡器拓扑中具有中心-抽头式阻抗匹配变压器的现有技术的简化示意图。
[0031]图4是描绘在推挽式振荡器拓扑中具有中心-抽头式感应加热器线圈并且消除阻抗匹配变压器的现有技术的简化示意图。
[0032]图5是描绘消除阻抗匹配变压器以及消除加热器线圈中心-抽头的可替代解决方案的简化示意图。
[0033]图6是图1的可替代示意性布局图，其中添加的低侧控制开关作为本发明的可替代实施例的示范。
【具体实施方式】
[0034]理想地，当开关设备中的电压或电流这二者之一为零时，应该给储能电路补充能量。电磁噪声在零-电压或零-电流开关期间较低并且在零-电压开关期间最低。开关设备在零开关下消耗最少功率。该理想开关点每周期发生两次，所述两次是当正弦波穿过零并反转极性时；即，当正弦波在从正到负的第一方向上穿过零时，以及当正弦波在从负到正的第二方向上穿过零时。
[0035]本发明的实施例消除硬-开关和其消极后果，并在全桥配置中用零-电压开关代替它。本发明的同步全桥功率振荡器加热器驱动器的集成功能将参考图1来说明，图1是根据本发明的实施例的其中为了清楚起见而未示出许多基本组件的电路的简化表示。组件的特定或一般的值、评级、添加、包括、或排除不意在影响本发明的范围。
[0036]LI可以位于燃料喷射器的内部。LI是提供用于对合适的燃料-喷射器组件进行感应加热的安匝的感应加热器线圈。
[0037]根据本发明的实施例的同步全桥功率振荡器可以包括Rl、R2、Dl、D2、Ql、Q2、Q3、Q4、L2、C1以及LI。Ql和Q2是增强型N-MOSFET (N-沟道金属-氧化物-半导体场-效应晶体管)开关，其可替代地将储能谐振器、Cl和L1、电路连接到地，以及当每个被开启而处于相应的状态时，使得电流能够流过感应加热器线圈和地。Q3和Q4是增强型P-MOSFET (P-沟道金属-氧化物-半导体场-效应晶体管)开关，其可替代地将储能谐振器、Cl和L1、电路连接到通过L2而拉取(source)的电压供应，以及其中Ql和Q2处于适当的状态，使得电流能够流过感应加热器线圈。电压供应可以是电源，或者在车辆的情况中可以是电池或交流发电机，并且是补充振荡器中所失去的能量的潜在能量源。
[0038]Cl和LI分别是谐振储能电路的储能谐振器电容器和储能谐振器电感器。储能电路的谐振频率是fr = /{27t4Lc)，其中L是加热器线圈电感LI，并且C是储能电容器Cl的电容。储能电路中的峰值电压通过Vrat=J^Vin来设置，其中Vin为供应电压。储能电路中的电流级别根据的能量平衡来确定。
[0039]零-开关功率振荡器电路在震荡方面是自-启动的，但在完全-反转的H-桥策略中通过选择性地排序(sequence)Q1-Q4的开关可以强制其进入振荡。同时使电流在MOSFET的“漏极”和“源极”之间流动的互补对`、或本文中晶体管对的是Q3和Q2或者Q4和Q1。当Q3流动电流时不希望使Ql流动电流，并且同样地，当Q4流动电流时不希望使Q2流动电流。当Q3流动电流时，电流通过感应加热器线圈并且然后通过Q2到地。当Q4流动电流时，电流在与当Q3流动电流时的反向方向上通过感应加热器线圈，并且然后通过Ql到地，这是电流的“完全-反转”。
[0040]MOSFET是具有关于到栅极中的库仑电荷数量的阈值的设备，其是漏_源电流_依赖的。满足电荷阈值把设备增强到“开”状态中。第一和第二栅极电阻器R1、R2向H-桥的第一和第二桥臂(leg)供应栅极充电电流。分别地，Rl向Ql和Q3的栅极供应电流，R2向Q2和Q4的栅极供应电流，并且Rl、R2分别限制流入第一和第二栅极二极管Dl、D2中的电流。当源极比栅极更正(more positive)时，Q3和Q4、P-MOSFET在漏极和源极之间传导。当源极比栅极更负(more negative)时，Ql和Q2、N-MOSFET在漏极和源极之间传导。
[0041]由加热组件的电阻和滞后损耗所造成的加载返回体现为谐振储能电路中的损耗。该损耗由从电流源电感器L2流动到顶部桥晶体管Q3和Q4的电流来补充。图2示出了其中L2作为来自底部桥晶体管Ql和Q2的灌电感器的变形，本领域技术人员将把该可替代实施例理解为功能地整体可互换。依赖于电流流动在其中的H-桥的反转状态，电流将流过Q3或Q4这二者之一，并且然后通过感应加热器线圈LI。再次参考图1，L2从存储在其磁场中的能量中向储能电路供应电流。在操作同步全桥功率振荡器期间，该能量从供应电压中作为恒定流到L2中的电流来补充。L2还提供将储能电路与电压源的瞬时分离。
[0042]如果电流流过Q3，如由正弦波半-周期在那时的极性所确定的，那么从Q2漏-源到地的传导通过正向偏压的Dl将电荷拉(pull)出Q3和Ql的栅极。Ql现在还未传导，并且未通过D2将栅极电荷拉出Q4和Q2而到地。同时Rl从供应电压中拖(draw)电流。但是跨Rl的IR压降(drop)不能够对Q3和Ql的栅极进行充电，其中栅极通过Q2的传导而分流到地。
[0043]当正弦波穿过零时，那么Q3变为反向偏压并通过内部的本征二极管传导到反向-偏压Dl。Dl停止将电流传导离开Q3和Ql栅极，并且Rl能够对Q3和Ql的栅极进行充电，这停止Q3中的传导并开始Ql中的传导以开始为继续的正弦半-周期传导电流。Ql也通过D2将栅极电荷拉出Q2和Q2而到地，并且将Q2保持在非-传导状态，这继续允许Rl增强Q1。并且Q4传导。
[0044]因为正弦波在从负到正的第一方向上并且然后在从正到负的第二方向上穿过零而交替极性，所以该过程重复。这产生感应加热器线圈LI中的电流的完全-反转。在储能电路中从L2继续补充电流。如果N-MOSFET的本征二极管由添加跨IGBT (绝缘栅双极晶体管)的漏极和源极的外部二极管来表示，那么在本实施例中IGBT设备能够代替N-M0SFET。
[0045]应将前面的详细描述理解为在每个方面中都是说明性和示例性的，而非限制性的，并且本文所公开的本发明的范围不根据本发明的说明书来确定，而是根据如根据由专利法所允许的全部宽度所解释的权利要求来确定。例如，虽然本发明的同步全桥功率振荡器在本文中被描述成对用于内燃机燃料喷射器中的加热器的感应加热器线圈进行驱动，但是驱动器可以被用来对其他应用中的其他感应加热器进行驱动。应理解的是，本文所示出和描述的实施例仅说明本发明的原理，并且可以由本领域的技术人员来实现各种修改而不背离本发明的范围和精神。
【权利要求】
1.一种用于电子感应加热器驱动器的功率振荡器，所述功率振荡器包括: 包括高-侧和低-侧半导体开关的H-桥电路拓扑； 在所述H-桥的桥臂之间在常规H-桥负载的拓扑位置处电气地连接的谐振储能电路，其中所述谐振储能电路包括至少一个感应加热器线圈； 与所述H-桥电气地串联的至少一个能量补充电感器； 其中由所述谐振储能电路的频率来确定所述H-桥开关定时。
2.权利要求1的功率振荡器，其中所述能量补充电感器从电压源中向所述H桥拉取电流。
3.权利要求1的功率振荡器，其中所述能量补充电感器从H-桥向低于电压源的绝对电位灌电流。
4.权利要求1的功率振荡器，其中通过整流二极管从所述H桥的一个桥臂向所述H-桥的相对的桥臂灌电流来完成所述H-桥开关定时。
5.权利要求1的功率振荡器，其中通过电阻器从电压供应中拉取电荷来完成所述H-桥开关定时。
6.权利要求1的功率振荡器，其中所述能量补充电感器的电感大于所述感应加热器线圈的电感。
7.权利要求1的功率振荡器，其中所述能量补充电感器的电感大于所述感应加热器线圈的电感值的两倍。
【文档编号】H03B5/12GK103703676SQ201280019847
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年3月7日 优先权日:2011年4月22日
【发明者】P·齐梅克 申请人:大陆汽车系统美国有限公司