对电容性执行器充电和放电的设备和具有这种设备的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于对电容性执行器进行充电和放电的设备，所述电容性执行器可以与该设备的输出端子连接，该设备具有布置在该设备的输入端子和基准电势之间的第一电容器，具有与该第一电容器并联的、第一和第二功率开关元件的第一串联电路以及具有第一线圈，所述第一线圈的第一端子与第一串联电路的中间抽头连接，其中第一线圈的第二端子经由第三功率开关元件与基准电势连接并且经由第四功率开关元件与输出端子连接，其中二极管与功率开关元件并联，使得所述二极管从输入端子或从输出端子至基准电势在截止方向上极化，其中第四功率开关元件的不与第一线圈连接的端子经由在流动方向上极化的过压保护二极管与输入端子连接。
【专利说明】对电容性执行器充电和放电的设备和具有这种设备的装置
【背景技术】
[0001]在具有燃料喷射装置的现代内燃机情况下，所使用的燃料喷射器应该尽可能无延迟地起动。电容性执行器以及这里尤其是电容性地起作用的压电元件胜任该要求。这样的电容性执行器对于对应的电压供应电路是强大的电容性负载，该负载必须在非常短的时间段中被充电到预先给定的电压并且接着又被非常快速地放电。此外，必须能够非常精确地和可再现地操控和从而充电，从而对于最小的燃料量也能够实现定义的喷射。为了打开对应的燃料喷射器，将电容性执行器充电到特定的电荷并且为了关闭，又对执行器进行放电。
[0002]为了操控压电致动器，如在EP O 871 230 BI中所述的用于充电和放电的设备是常用的。在那里，从升高车辆的电池电压的直流电压转换器中对电容器充电。通过与该电容器并联的、由两个功率开关元件组成的串联电路和通过扼流圈对压电致动器进行充电或放电。但是在这种电路情况下，可以将压电致动器最大充电到该电容器处的电压的值，使得必须对应地有效率地设计直流电压转换器，这是昂贵的。
[0003]替换于此地，存在用于电容性执行器的操控单元，其如在DE 199 52 950 Al中所述的那样用变压器构成，其中在第一操控阶段中在变压器中存储能量，在第二阶段中通过降低变压器中的磁场将所述能量传输到电容性执行器上。称为闭塞变流器或反激变换器的该装置作为升压转换器运行，也即可以在其输出端处提供比在输入端处所施加的电压明显高的电压。但是为此需要更贵的变压器。
[0004]在DE 103 28 623 Al中描述了另一替换方案，其是由升压转换器与闭塞变流器的组合，其方式是，根据EP O 871 230 BI的升压转换器的输出侧的扼流圈与输入侧的扼流圈电感性地弱耦合。在那里的变换器电路利用被连接成半桥的功率元件构成，但是也应当能够利用全桥运行，但是其中应该如何对这些功率元件连接是非显而易见的。
[0005]DE 102 15 630 Al公开了用于对电容性执行器充电和放电的设备以及具有这种设备的装置，其中除了根据EP O 871 230 BI的开关拓扑结构之外，在扼流圈与压电致动器之间还连接第三功率开关元件并且在第三功率开关元件和扼流圈的连接点与基准电势之间连接第四功率开关元件。但是，第四功率开关元件在那里仅仅用于所选择的压电致动器的快速放电并且第三功率开关元件用作群选择开关。压电致动器仅被充电到处于直流电压转换器的电容器处的电压以下的电压，这借助于调节电路加以监控，在所述调节电路中为此通过分压器检测压电致动器处的电压。由此避免压电致动器处的过压。
[0006]在未预先公布的申请10 2012 204 576.7中描述了一种用于运行根据DE 102 15630 Al所述的全桥拓扑结构的方法，其中首先将能量从直流电压转换器的电容器通过接通第一和第四功率开关元件而中间存储到扼流圈中，以便接着通过关断第一和第四功率开关元件将所述能量传输到所选择的压电致动器中，为此要么接通第二和第三功率开关元件要么使用它们的衬底二极管作为空转二极管。由此可以在压电致动器处产生原则上任意高的电压。
[0007]为了保护该压电致动器免受过压，现在一方面可以如在DE 102 15 630 Al中所述的那样对压电致动器处的电压进行主动监控和调节或者根据DE 197 09 716 Al通过与压电致动器和其选择开关并联的齐纳二极管实现对地箝位。但是该监控是耗费的并且对地箝位导致多余电能的耗散。
【发明内容】
[0008]因此本发明的任务是说明一种用于对电容性执行器进行充电和放电的设备以及具有这种设备的装置，它们避免现有技术的缺点。
[0009]该任务根据权利要求1通过用于对电容性执行器进行充电和放电的设备来解决，所述电容性执行器可以与该设备的输出端子连接，该设备具有布置在该设备的输入端子和基准电势之间的第一电容器，具有与该第一电容器并联的、第一和第二功率开关元件的第一串联电路以及具有第一线圈，所述第一线圈的第一端子与第一串联电路的中间抽头连接，其中第一线圈的第二端子经由第三功率开关元件与基准电势连接并且经由第四功率开关元件与输出端子连接，其中二极管与功率开关元件并联，使得所述二极管从输入端子或从输出端子至基准电势在截止方向上极化，其中第四功率开关元件的不与第一线圈连接的端子经由在流动方向上极化的过压保护二极管与输入端子连接。
[0010]由此按照本发明将多余的能量馈送回到电容器中，所述多余的能量将会导致在电容性执行器处或者在压电致动器处的过压。
[0011]在所述设备的特别有利的改进中，在截止方向上极化的第一齐纳二极管与过压保护二极管串联地连接在第四功率开关元件的不与第一线圈连接的端子和输入端子之间。
[0012]由此，在将多余的能量馈送回到输入电容器中之前，可以通过齐纳二极管的电压值调整出:电容性执行器处的电压允许高于输入电容器处的电压何值。
[0013]该任务也通过用于对电容性执行器充电和放电的设备解决，所述电容性执行器可以与该设备的输出端子连接，该设备具有布置在该设备的输入端子与基准电势之间的第一电容器，具有与该第一电容器并联的、第一和第二功率开关兀件的第一串联电路，以及具有第一线圈，所述第一线圈的第一端子与第一串联电路的中间抽头连接，其中第一线圈的第二端子经由第三功率开关元件与基准电势连接并且经由第四功率开关元件与输出端子连接，其中二极管与功率开关元件并联，使得所述二极管从输入端子或从输出端子至基准电势在截止方向上极化，其中在输出端子和基准电势之间布置第六功率开关元件，所述第六功率开关元件的控制端子经由箝位电路与第四功率开关元件的端子连接或者与输出端子连接，其中箝位电路利用第二齐纳二极管以及与第二齐纳二极管串联的、由第七电阻和第三电容器的串联电路与第六电阻组成的并联电路构成，其中第二齐纳二极管在截止方向上在第四功率开关元件的端子或输出端子与第六功率开关元件的控制端子之间被极化。
[0014]通过箝位电路可以快速激活第六功率开关元件，其中可以通过齐纳二极管调整接通电压以及通过RC滤波元件调整动态特性。
[0015]该任务此外通过具有用于对电容性执行器充电和放电的设备以及具有至少一个布置在该设备的输出端子与基准电势之间的电容性执行器的装置来解决。
[0016]在本发明的有利的改进中，在全桥电路和该设备的输出端子之间布置利用电容器和线圈构成的低通滤波器，以便平滑通过切换功率开关元件引起的电流和电压尖峰。
[0017]可以将多个电容性执行器以并联电路的方式连接到本发明设备上，其中以有利的方式与每个电容性执行器串联地布置选择开关元件，使得可以有针对性地操控这些执行器。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面根据实施例借助于图来更详细地阐述本发明。在此:
图1示出具有本发明设备的本发明装置的原理电路图。
【具体实施方式】
[0019]该图示出被构造用于对电容性执行器充电和放电的设备，所述电容性执行器被构造为压电喷射器PI，其中布置在输入端子E和基准电势GND之间的第一电容器Cl与(不属于本发明设备的)直流电压转换器DCDC连接并且可以由该直流电压转换器充电到输入电压。直流电压转换器DCDC自身从例如机动车的电池电压中产生该设备的对应地需要的输入电压。
[0020]由被构造为η沟道MOS功率晶体管Tl的第一功率开关元件、同样被构造为η沟道MOS晶体管Τ2的第二功率开关元件和被构造为分流电阻的第一电流测量元件Rl组成的串联电路与第一电容器Cl并联。第一线圈LI的第一端子与第一和第二功率开关元件Τ1、Τ2的第一串联电路的中间抽头连接，而第一线圈LI的第二端子一方面经由被构造为η沟道MOS功率晶体管Τ3的第三功率开关元件和经由与之串联的、被构造为分流电阻的第二电流测量元件R2与基准电势GND连接。
[0021]第一线圈LI的第二端子另一方面经由同样被构造为η沟道MOS功率晶体管Τ4的第四功率开关元件和经由与之串联的第二线圈L2与该设备的输出端子A连接。第四功率开关元件Τ4的不与第一线圈LI连接的端子B经由第二电容器C2和被构造为分流电阻的第三电流测量元件R3与基准电势GND连接。
[0022]第二电容器C2和第二线圈L2构成低通滤波器，以便平滑由于功率开关元件Τ1-Τ4的切换过程出现的电流和电压尖峰。
[0023]电流测量元件Rl至R3和还有其他电流测量元件也可以利用电流反射器或每种其他对于技术人员常见的用于检测电流的装置而不是利用分流电阻构成。这些电流测量元件在图1的图示中虽然设置在所有通向基准电势GND的电流分支中，但是如果对应的电流不令人感兴趣则也可以部分地被删去，或者被设置在其他分支中。
[0024]尤其是，在本发明的构型中，第二和第三功率开关元件Τ2、Τ3或第三功率开关元件Τ3和第二电容器C2分别经由仅一个共同的电流测量元件与基准电势GND连接，因为在按规定的运行情况下电流不同时流经对应的电流路径。
[0025]在图1的所示电路中，在该设备的输出端子A与基准电势GND之间布置由被构造为压电致动器Pl的电容性执行器和同样被构造为η沟道MOS功率晶体管的选择功率开关元件Τ5以及同样被构造为分流电阻的第五电流测量元件R5组成的串联电路。
[0026]通过由压电喷射器PI和选择功率开关元件Τ5组成的串联电路的包围线以及其下方所示的包围线表明，可以将多个这样的压电喷射器与所示的压电喷射器并联地与该设备连接并且可以通过对应地操控所属的选择开关Τ5来选择所述压电喷射器之一。在多个并联的压电喷射器PI情况下，每个可以以串联的方式具有分流电阻或者所有压电喷射器与所示的分流电阻R5连接。这是可能的，因为通常在一时间仅选择一个压电喷射器。
[0027]第六功率开关元件T6与被构造为分流电阻的第四电流测量元件R4串联地连接在本发明设备的输出端子A与基准电势之间。借助于该第六功率开关元件Τ6可以必要时对所述一个或多个压电喷射器快速放电。
[0028]分流电阻R1-R5用于探测流经相应的电流分支的电流，以便在控制电路“控制”中能够使用在分流电阻上降落的电压来调节在压电喷射器处的电压。控制电路“控制”为此经由对应的线路和驱动电路TR1-TR4以已知的方式操控功率开关元件Τ1-Τ4的控制输入端。从分流电阻Rl至R5的对应的抽头到控制电路“控制”的连接线路出于清楚起见被删去。
[0029]二极管D1-D6分别与功率开关元件Τ1-Τ6并联而且以以下方式并联，即所述二极管在截止方向上极化地连接在输入端子E与基准电势GND之间或在输出端子A与基准电势GND之间。在使用所示的η沟道MOS功率晶体管情况下，这些二极管D1-D6大多由工艺决定地作为本征二极管存在。
[0030]为了对压电喷射器PI充电，首先由控制电路“控制”将第一和第三η沟道MOS功率晶体管T1、Τ3控制为导通的，使得电流可以从第一电容器CI经由第一线圈LI流动，由此能量被存储在线圈LI中。流经第一线圈LI的电流通常线性升高，其中在达到通过第三分流电阻R3确定的预先给定的最大电流值时，先前接通的功率晶体管Τ1、Τ3又被关断。在第一线圈LI中所存储的磁能由于经由第二功率晶体管Τ2的二极管D2和第四功率晶体管Τ4的二极管D4的电流流动而降低，所述电流流动平滑地通过滤波电路C2、L2流到通过操控第五功率晶体管T5选择的压电喷射器PI中并且将该压电喷射器充电到对应的电压。通过重复地接通和关断第一和第三功率晶体管Tl、T3，可以通过接通过程的次数和持续时间根据在压电喷射器PI处的电压的测量通过控制电路“控制”将压电喷射器充电到预先给定的电压。
[0031]为了放电，以对应的方式由控制电路“控制”接通第二和第四功率晶体管T2、T4，使得现在电流可以从压电喷射器PI经由第二线圈L2和第一线圈LI流到基准电势GND。在切断第二和第四功率晶体管Τ2、Τ4之后，在第一线圈LI中所存储的磁能经由第一和第三功率晶体管Τ1、Τ3的本征二极管Dl、D3被存储回到第一电容器Cl中。
[0032]因为在对压电喷射器PI放电时电流也通过第二 (滤波)电容器C2流到基准电势GND，所以设置第三电流测量元件R3，以便能够从流经第二功率开关元件T2和流经第二电容器C2的电流之和确定准确的、从压电喷射器PI中取得的电荷。
[0033]按照根据本发明的方式，根据在图1中以虚线示出的实施方案(其用圆圈中的a表示)第四功率开关元件T4的端子B经由在流动方向上极化的过压保护二极管D8与输入端子E连接。由此，可以通过简单的电路技术方式将在第一线圈LI中所存储的可能导致压电喷射器PI处的过压的多余能量馈送回到第一电容器Cl中。
[0034]作为本发明改进的可替换实施方案用圆圈中的b表示。这里，除了在流动方向上极化的过压保护二极管D8之外在截止方向上在第四功率开关元件T4的端子B与输入端子E之间连接与该过压保护二极管串联的第一齐纳二极管ZD1。通过第一齐纳二极管ZDl，所希望的电压可以以齐纳电压的形式被调整出，该希望的电压以加到第一电容器Cl处的电压上的方式得出压电喷射器PI处的过压，从该过压起，经由过压保护二极管D8和在齐纳击穿中运行的第一齐纳二极管ZDl馈送回到第一电容器Cl中。
[0035]在图1中，作为在压电喷射器PI处实现过压保护的另一独立的可能性，利用圆圈中的C示出以下实施方案，其中第六功率开关元件T6的控制端子经由箝位电路与第四功率开关元件Τ4的端子B连接或者(以虚线示出地)可替换地与输出端子A连接。箝位电路在此利用第二齐纳二极管ZD2和与第二齐纳二极管串联的、由第七电阻R7和第三电容器C3的串联电路与第六电阻R6组成的并联电路构成。第二齐纳二极管ZD2在截止方向上在端子B或输出端子A与第六功率开关元件Τ6的控制端子之间极化，因此按照规定地在齐纳击穿中运行，由此从在端子B处或在输出端子A处的通过可调整的齐纳电压预先给定的过压起，第六功率开关元件Τ6开始导通并且能够实现到基准电势GND的电流流动。
[0036]最后，作为另一替换方案示出从现有技术中已知的可能性:借助于测量电路“测量”检测在压电喷射器PI处的电压并且通过操控第一至第四功率开关元件Τ1-Τ4将该电压调节到预先给定的值上。
【权利要求】
1.用于对电容性执行器(PI)进行充电和放电的设备，所述电容性执行器(PI)能够与该设备的输出端子(A)连接，该设备具有布置在该设备的输入端子(E)和基准电势(GND)之间的第一电容器(Cl)，具有与该第一电容器并联的、第一和第二功率开关元件(Tl，T2)的第一串联电路以及具有第一线圈(LI)，所述第一线圈的第一端子与第一串联电路的中间抽头连接，其中第一线圈(LI)的第二端子经由第三功率开关元件(T3)与基准电势(GND)连接并且经由第四功率开关元件(T4)与输出端子(A)连接，其中二极管(D1-D4)与功率开关元件(T1-T4)并联，使得所述二极管从输入端子(E)或从输出端子(A)至基准电势(GND)在截止方向上极化，其特征在于， 第四功率开关元件(T4)的不与第一线圈(LI)连接的端子(B)经由在流动方向上极化的过压保护二极管(D8)与输入端子(E)连接。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在截止方向上极化的第一齐纳二极管(ZDl)与过压保护二极管(D8)串联地连接在第四功率开关元件(T4)的不与第一线圈(LI)连接的端子(B)和输入端子(E)之间。
3.根据权利要求1或2之一所述的设备，其特征在于，在输出端子(A)与基准电势(GND)之间布置第六功率开关元件(T6)。
4.用于对电容性执行器(PI)充电和放电的设备，所述电容性执行器(PI)能够与该设备的输出端子(A)连接，该设备具有布置在该设备的输入端子(E)与基准电势(GND)之间的第一电容器(Cl)，具有与该第一电容器并联的、第一和第二功率开关元件(Tl，T2)的第一串联电路，以及具有第一线圈(LI)，所述第一线圈的第一端子与第一串联电路的中间抽头连接，其中第一线圈(LI)的第二端子经由第三功率开关元件(T3)与基准电势(GND)连接并且经由第四功率开关元件(T4)与输出端子(A)连接，其中二极管(D1-D4)与功率开关元件(T1-T4)并联，使得所述二极管从输入端子(E)或从输出端子(A)至基准电势(GND)在截止方向上极化，其特征在于， 在输出端子(A)和基准电势(GND)之间布置第六功率开关元件(T6)，所述第六功率开关元件的控制端子经由箝位电路与第四功率开关元件(T4)的端子(B)连接或者与输出端子(A)连接，其中箝位电路利用第二齐纳二极管(ZD2)以及与该第二齐纳二极管串联的、由第七电阻(R7)和第三电容器(C3)的串联电路与第六电阻(R6)组成的并联电路构成，其中第二齐纳二极管(ZD2)在截止方向上在所述端子(B)或输出端子(A)与第六功率开关元件(T6)的控制端子之间被极化。
5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，第四功率开关元件(T4)的不与第一线圈(LI)连接的端子(B)经由第二线圈(L2)与输出端子(A)连接并且经由第二电容器(C2)与基准电势(GND)连接。
6.根据权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述功率开关元件(T1-T4)利用功率MOS晶体管构成。
7.具有根据权利要求1至6之一所述的设备以及具有至少一个布置在输出端子(A)与基准电势(GND)之间的电容性执行器(PI)的装置。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，电容性执行器(PI)经由第五电流测量元件(R5)与基准电势(GND)连接。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，电容性执行器(PI)经由第五功率开关元件(T5)与基准电势(GND)连接。
10.根据权利要求7至9之一所述的装置，其特征在于，电容性执行器(PI)是压电致动器。
【文档编号】H02N2/06GK104426422SQ201410425699
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】W.施罗德, A.安青格 申请人:大陆汽车有限公司