具有桥臂电感器的同步阵列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，其使用利用具有在半导体开关之间的电感器的全桥和半桥拓扑的零-电压开关振荡器的可扩展阵列，其中每个桥内半导体开关对于功能而言是同步的，并且每个桥沿着整个阵列针对功能被同步。在接收到开启信号时，所述感应加热器驱动器通过自-振荡串联谐振来增加供应电压，其中每个储能谐振器电路中的一个组件包括被磁耦合至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温度。
【专利说明】具有桥臂电感器的同步阵列功率振荡器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是在2011年4月22日提交的、序列号为61 / 478，383、标题为“Synchronized Array Power Oscillator with Leg Inductors” 的美国临时专利申请的非-临时版本，并要求其优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
[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]“Synchronous Full-Bridge Power Oscillator with Leg Inductors”，由 PerryCzi_ek发明，并由代理人案号2011P00689US01识别；
[0005]“Synchronous Full-Bridge Power Oscillator”，由Perry Czimmek发明，并由代理人案号2011P00690US01识别；
[0006]“Synchronized Array Bridge Power Oscillator”，由 Perry Czimmek 和 MikeHornby发明，并且由代理人案号2011P00691US01识别；
[0007]“Variable Spray Injector with Nucleate Boiling Heat Exchanger，，，由PerryCzi_ek和Hamid Sayar发明，并由代理人案号2011P00693US01识别；以及
[0008]“Adaptive Current Limit Oscillator Starter，，，由 Perry Czimmek 发明，并由代理人案号2011P00694US01识别。
【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，并且更特别地，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、以及堵如电磁螺线管、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，加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成功启动中是有用的。
[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^VZc),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，在线性开启和关闭时段期间硬开关消 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。进一步优选的是，通过将相邻电路的兼容功能进行合并来减少重复功能电路中的组件的总量。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]已经单独地公开了消除阻抗匹配变压器和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，已经单独地公开了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阻(Ampere-Turns)。
【发明内容】
[0023]通过用同步的半桥和对应的减少数目的半导体开关来代替附加的全桥，本发明的实施例减少了全桥半导体开关的数目。本发明的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，后面的互补对形成共享相邻半桥的半桥以创建与原始全桥功率振荡器同步的虚拟全桥的序列。
[0024]与全桥驱动器的偏离是通过在桥内以桥臂(leg)电感器的形式来分布电感而形成多个恒定-电流电感器，该桥有利地进一步防止直通(shoot-through)电流,并且用谐振储能电路来代替常规全桥的负载段。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-开关拓扑也与常规的全桥驱动器相偏离。
[0025]另外地，储能-补充电流通过感应加热器线圈和每个桥内的至少一个桥臂电感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是示出根据本发明实施例的由上部处的全H-桥以及然后是具有被布置在每个桥中的桥臂电感器并且不具有变压器并且不具有中心-抽头感应加热器线圈的级联半桥所组成的同步阵列的简化电气示意图。
[0027]图2是示出根据本发明实施例的具有相邻于高-侧开关的桥臂电感器并且不具有变压器并且不具有中心-抽头的同步桥振荡器的简化电气示意图。
[0028]图3a示出在没有高-侧开关的情况下的电流直通，并且图3b示出根据本发明实施例的具有防止直通电流的桥臂中的电感器的全H-桥。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]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2来解释，图2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。
[0031]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。
[0032]根据本发明实施例的同步全桥功率振荡器可以包括Rl、R2、D1、D2、Ql、Q2、Q3、Q4、L2、L3、Cl和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、电路连接到电压供应。用于储能的补充电流通过L2或者通过L3这二者之一，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。
[0033]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 = /{2π4?δ)，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Vtjut = *Vin来设置，其中Vin为供应电压。储能电路中的电流级别根据p/2 的能量平衡来确定。
[0034]零开关功率振荡器电路在振荡方面是自-启动的，但通过在完全-反转H-桥策略中选择性地对Q1-Q4的开关进行排序，可以使其强制进入振荡。同时使电流在MOSFET的“漏极”和“源极”之间流动的互补对、或者本文中晶体管对是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。L2和L3在H-桥晶体管的状态改变期间，提供该瞬时分离。另外地，L2和L3将谐振储能与电压源隔离。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至地。当Q4流动电流时，电流在与当Q3流动电流时的反向上通过感应加热器线圈，并且然后通过Ql至地，这是电流的“完全-反转”。
[0035]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。满足电荷阈值将设备增强到“开”状态中。第一及第二栅极电阻器R1、R2向H-桥的第一和第二桥臂供应栅极充电电流。分别地，Rl供应电流给Ql和Q3的栅极，R2供应电流给Q2和Q4的栅极，并且Rl、R2分别限制流入第一和第二栅极二极管Dl、D2的电流。当源极比栅极更正(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(negative)时，Ql和Q2、N-M0SFET在漏极和源极之间传导。
[0036]由加热组件的电阻及滞后损耗导致的加载反回体现为谐振储能电路中的损耗。该损耗通过从L2或L3这二者之一的电流源电感器、从由相应顶部桥晶体管Q3和Q4所施加的电压供应流出的电流来补充`。取决于电流在其中流动的H-桥的反转的状态，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。L2或L3将从存储在其各自的磁场中的能量中供应电流给储能电路。在同步全桥功率振荡器的操作期间，该能量分别从供应电压中作为恒定流入L2或L3的电流、从电压源中通过Q3或Q4被补充。
[0037]如果电流流过Q3，如由该时间处的正弦波半-周期的极性所确定的，则从Q2漏-源至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目前还未传导且未通过D2将栅极电荷拉出Q4和Q2至地。同时，Rl从供应电压中拖(draw)电流。但跨Rl的IR压降(drop)不能够对Q3和Ql的栅极进行充电，其中栅极通过经由Q2的传导而分流至地。
[0038]当正弦波穿过零时，则Q3变为反向偏压，并通过内部本征二极管传导至反向-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，其停止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Q4至地，并将Q2保持在非-传导状态中，这继续允许Rl增强Ql。并且Q4传导。
[0039]随着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，该过程重复。这产生感应加热器线圈LI中电流的完全-反转。在储能电路中从L2或L3继续补充电流。如果N-MOSFET的本征二极管是通过添加跨IGBT (绝缘栅双极晶体管)的漏极和源极的外部二极管来表示，那么在该实施例中IGBT设备能够代替N-MOSFET。
[0040]图1示出级联半桥的扩展电路，其根据如上面所描述的全桥的操作原理并且参考图2来操作。相对于图2，图1示出两个附加的感应加热器线圈和两个对应的附加半桥。在图2中所示出的实施例中，感应加热器线圈和半桥被布置成使得IHC1-1HC3的每个感应加热器线圈由对应的半桥对来驱动=HBl和HB2驱动IHCl ；HB2和HB3驱动IHC2 ；以及HB3和HB4 驱动 IHC3。
[0041]图3a示出了在没有高-侧开关的情况下的电流直通，并且图3b示出了根据本发明实施例的在桥臂中具有电感器的全H-桥，其例如通过强制电流通过燃料喷射器的感应加热器线圈来防止直通电流。
[0042]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，虽然本发明的同步阵列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，但是该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同步阵列功率振荡器，所述同步阵列功率振荡器包括: 包括高-侧和低-侧半导体开关的桥电路拓扑的可扩展阵列； 在所述桥的桥臂之间在常规H-桥负载的拓扑位置中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； 至少两个桥臂电感器，每个均与所述桥内的相邻高-侧开关和低-侧开关电气串联； 其中桥开关定时由谐振储能电路的同步频率来确定。
2.权利要求1的同步阵列功率振荡器，其中所述桥臂电感器在所述谐振储能电路与所述高-侧开关之间，以从电压源将电流拉取至所述谐振储能电路。
3.权利要求1的同步阵列功率振荡器，其中所述桥臂电感器在所述谐振储能电路和所述低-侧开关之间，以从所述谐振储能电路将电流灌至具有比所述电压源更低的电压的绝对电压灌。
4.权利要求1的同步阵列功率振荡器，其中通过整流二极管将电荷从桥的一个桥臂灌至所述桥的相对桥臂来实现桥同步。
5.权利要求1的同步阵列功率振荡器，其中桥同步通过电阻器从所述电压供应拉取电荷来实现。
6.权利要求1的同步阵列功率振荡器，其中所述至少两个桥臂电感器中的每一个的电感大于所述感应加热器线圈的电感。
7.权利要求1的同步阵列功率振荡器，其中所述至少两个桥臂电感器中的每一个的电感大于所述感应加热器线圈的电感的两倍。
【文档编号】H03B5/12GK103733511SQ201280019643
【公开日】2014年4月16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, M·霍恩比 申请人:大陆汽车系统美国有限公司