专利名称：电磁负载控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对提供给电磁负载的电流进行控制的装置。
背景技术：
在现有技术中，在以汽油或轻油等作为燃料的汽车、摩托车、农耕机、工厂机器、船舶机器等的内燃机控制装置中，为了提高燃料消耗率及输出，使用了向汽缸内直接喷射燃料的喷射器。该汽缸内直接喷射型喷射器与现有技术相比，为进行使用加压成高压的燃料的喷射器的打开阀门动作，需要较多的能量。另外，为了应对控制性能(响应性)的提高及高速旋转(高速控制)，需要在短时间内向喷射器提供该能量。驱动该喷射器的电路，利用升压电路生成比电池电压高的电压，对与其连接的开关元件进行导通/关断(0N/0FF)驱动。使用升压电压以流过电流且在短时间内接通大电流由此来驱动喷射器，能实现高压的缸内直接喷射。在下述专利文献1中记载了向喷射器供给大电流的电磁负载控制装置的结构和动作例。专利文献1 JP特开2008-115848号公报在上述专利文献1记载的技术中，为使升压效率尽可能高，而使喷射器中流过的负载电流回流到升压电路中。另外，设有用于防止过升压的放电单元，在升压电压达到阈值以上时进行放电以降低升压电压。此时，对放电单元中流动的放电电流进行限制的仅仅是放电单元的电阻成分。因此，当流过超过了放电单元额定电流的过大放电电流时，可能会损坏放电单元。为此，需要使用电流容量大的部件以免放电单元因过电流损坏，这样将出现元件变得大型化且部件的成本变高的趋势。
发明内容本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于，在具备放电单元的电磁负载控制装置中，以低成本构成放电单元且避免被过电流损坏。本发明的一种方式的电磁负载控制装置，对提供给电磁负载的电流进行控制，其特征在于，该电磁负载控制装置具备升压电路，对施加于所述电磁负载的负过电压进行升压；和放电装置，对在所述升压电路使所述负过电压升压时所蓄积的电荷进行放电，所述放电装置具备开关元件，切换是否将所述电荷反馈至电源侧；和放电缓和元件，对所述开关元件流过放电电流的量进行缓和，所述放电缓和元件，其构成为自身也流过所述放电电流， 其一端接地，另一端与所述开关元件的所述电磁负载侧及导通/关断控制端子连接，当流过所述放电电流时，向所述开关元件的导通/关断控制端子提供信号从而切换所述开关元件的导通/关断，向所述电源侧间歇性反馈所述放电电流。本发明的另一种方式的电磁负载控制装置，对提供给电磁负载的电流进行控制， 其特征在于，该电磁负载控制装置具备升压电路，对施加于所述电磁负载的负过电压进行升压；放电装置，对在所述升压电路使所述负过电压升压时所蓄积的电荷进行放电；和升压用开关元件，进行所述升压电路的升压动作的导通/关断控制，所述电磁负载、所述放电装置以及所述升压用开关元件之间的电路图案比其他部分的电路图案宽，所述放电装置具备开关元件，切换是否将所述电荷反馈至电源侧；和放电缓和元件，对所述开关元件流过放电电流的量进行缓和，所述放电缓和元件，其构成为自身也流过所述放电电流，其一端接地，另一端与所述开关元件的所述电磁负载侧及导通/关断控制端子连接，当流过所述放电电流时，向所述开关元件的导通/关断控制端子提供信号从而切换所述开关元件的导通 /关断，向所述电源侧间歇性反馈所述放电电流。本发明涉及的电磁负载控制装置所具备的放电装置构成为具有切换将放电电流反馈至电源侧的开关元件的导通/关断的放电缓和元件，当放电电流流经放电缓和元件时切换开关元件的导通/关断以向电源侧间歇式反馈放电电流。根据本发明涉及的电磁负载控制装置，通过间歇性反馈放电电流，从而不会增大放电装置的电流容量，能降低放电装置因过电流而损坏的可能性。
图1是实施方式1涉及的电磁负载控制装置的电路图。图2是恒压电路200的详细结构图。图3是表示实施方式1涉及的电磁负载控制装置的动作的时序图。图4是实施方式2涉及的电磁负载控制装置的电路图。图5是实施方式3涉及的电磁负载控制装置的电路图。图6是表示流经电阻204的驱动信号和放电电流123之间关系的图。图7是表示实施方式4涉及的电磁负载控制装置的放电电流和FET203的驱动电流之间关系的图。图8是表示专利文献1记载的电磁负载控制装置的电路结构图。图9是表示图8所示的电磁负载控制装置的动作的时序图。符号说明100 :GND，101 电池，102 电池电压，103 电流检测信号，104 电流检测器，105 升压下降检测信号，106 电流检测电阻，107 升压线圈，108 充电电流，109 升压用开关元件，110 升压开关信号，111 升压控制部，112 升压用二极管，113 放电单元，114 升压用电容器，116 过电压控制部，117 升压电压，118 电压检测器，119 过电压检测信号，120 两端电位差，121 过电压放电控制信号，130 喷射器驱动器控制部，131 =VH高侧控制信号， 132 =VB高侧控制信号，133 低侧控制信号，134 =VH驱动器驱动部，135 =VB驱动器驱动部， 137 =VH高侧驱动信号，138 =VB高侧驱动信号，136 低侧驱动器驱动部，139 低侧驱动器驱动信号，140 =VH高侧开关元件，141 =VH高侧逆流防止二极管，142 喷射器负载，143 低侧开关元件，144 负载驱动电流，145 =VB高侧逆流防止二极管，146 =VB高侧开关元件，147 回流二极管，200 恒压电路，201 恒压二极管，202 电阻，203 :FET，204 电阻，205 电容
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具体实施方式
[0024]现有的电磁负载控制装置在说明本发明实施方式之前，为了便于比较，首先说明专利文献1记载的电磁负载控制装置的电路结构及动作。然后，说明本发明实施方式涉及的电磁负载控制装置。图8是表示专利文献1记载的电磁负载控制装置的电路结构图。图8所示的电磁负载控制装置是对提供给喷射器的电流进行通电控制的装置。图8所示的装置利用升压电路生成比电池电压高的电压，对开关元件进行导通/关断驱动，从而对该升压电压进行通电控制。由此，使用升压电压以流过电流来驱动喷射器，并在短时间内接通大电流，从而实现压力高的缸内直接喷射。图8所示的电磁负载控制装置具备电池101、电流检测器104、电流检测电阻 106、升压线圈107、升压用开关元件109、升压控制部111、升压用二极管112、放电单元113、 升压用电容器114、过电压控制部116、电压检测器118。这些结构用于将电池101提供的电压进行升压，并作为升压电压117提供给后述的VH高侧(highside)开关元件140。升压线圈107、升压用开关元件109、升压用电容器114相当于本发明中的升压电路。电池101、电流检测电阻106、升压用电容器114与地线100连接。电池101将电池电压102提供给升压线圈107及后述的VB高侧开关元件146。升压控制部111向升压用开关元件109输出升压开关信号110，对升压用开关元件109进行导通/关断控制，控制对电池电压102进行升压的动作。电流检测器104基于电流检测电阻 106的两端电位差120检测流经升压用开关元件109的充电电流108，并将检测结果输出到升压控制部111中。放电单元113是通过放电来降低升压电压117的装置，与升压用二极管112并联连接。过电压控制部116向放电单元113输出过电压放电控制信号121，对放电单元113 进行导通/关断控制。升压用电容器114基于升压电压117以电荷进行放电。电压检测器 118检测升压电压117。在升压电压117下降时，将升压下降检测信号105输出到升压控制部111中，在升压电压117处于过电压时，将过电压检测信号119输出到过电压控制部116 中。图8所示的电磁负载控制装置还具备喷射器驱动器控制部130、VH驱动器驱动部 134、VB驱动器驱动部135、低侧(lowside)驱动器驱动部136、VH高侧开关元件140、VH高侧逆流防止二极管141、喷射器负载142、低侧开关元件143、VB高侧逆流防止二极管145、 VB高侧开关元件146、回流二极管147及178。VH驱动器驱动部134根据喷射器驱动器控制部130输出的VH高侧控制信号131， 输出VH高侧驱动信号137，对VH高侧开关元件140进行驱动控制。VB驱动器驱动部135 根据喷射器驱动器控制部130输出的VB高侧控制信号132，输出VB高侧驱动信号138，对 VB高侧开关元件146进行驱动控制。低侧驱动器驱动部136根据喷射器驱动器控制部130 输出的低侧控制信号133，输出低侧驱动信号139，对低侧开关元件143进行驱动控制。回流二极管147将因喷射器负载142引起的反电动势回流到升压侧。图9是表示图8所示的电磁负载控制装置的动作的时序图。下面，利用图9说明图8所示的电磁负载控制装置的动作。提供电池电压101之后，电磁负载控制装置开始动作。通过使升压开关元件109导通/关断，生成了升压电压117。升压电压117被升压到图9所示的电压117d。在图9所示的时刻125，向喷射器负载142提供负载电流，喷射器负载142的驱动开始。喷射器驱动器控制部130输出VH高侧驱动信号131、VB高侧驱动信号132、低侧驱动信号133。伴随于此，VH、VB、低侧的各开关元件140、146、143分别反复导通/关断，将负载驱动电流144提供给喷射器负载142。通过VH高侧控制信号131使VH高侧开关元件140接通(ON)，通过充电到升压用电容器114中的电荷，升压电压117和电流被提供给喷射器负载142。此时，升压电压117 如图9所示那样逐渐下降。当升压电压117下降到不足规定阈值117a时，电压检测器118 检测出该情况，并将电压下降检测信号105输出到升压控制部111中。升压控制部111输出升压开关信号110，使升压开关元件109导通/关断。电流检测电阻106检测在升压开关元件109处于接通期间所流动的充电电流108。 当充电电流108达到规定的充电电流阈值108a时，充电电流检测信号120达到规定的阈值 120a。升压控制部111在此时将升压开关元件109关断(OFF)。此时，充电电流108经由升压二极管112被充电到升压电容器114中，由此升压电压117被重新升压到规定的升压电压电平117d。然后，在图9所示的时刻126，当喷射器负载142的驱动结束时，低侧开关元件143 关断。由此，负载驱动电流144成为反电动势电流，经由回流二极管147回流到升压侧。此时，回流电流被充电到升压用电容器114中，升压电压117上升。因回流电流升压电压117持续上升，在超过了规定的电压阈值117b时，电压检测器118检测出该情况，并将过电压检测信号119输出到过电压控制部116中。过电压控制部116根据过电压检测信号119，将过电压放电控制信号115输出到放电单元113中。放电单元113根据过电压放电控制信号115而变为导通，在放电单元113中流过放电电流123 产生放电。伴随于此，升压电压117下降。此时，升压开关元件109关断，放电电流123流到电池101中。当升压电压117下降到不足规定电压117c时，电压检测器118检测出该情况，并将过电压检测信号119变更为低电平。与此相伴，放电单元113变为关断，放电动作停止。 由此，防止了升压电压117的过升压，防止了因过升压引起的电路部件的损坏。这里，在上述放电动作中，放电单元113在升压电压117达到规定电压阈值117b 以上时变为导通，且导通持续到不足117c为止。放电电流123是由升压电压117与电池电压102之间的电位差、及放电单元1 13的电阻成分所决定的值。在升压电压117处于规定阈值117b以上的期间内，持续流过该放电电流。此时，限制放电电流123的仅仅是放电单元113的电阻成分，因此在放电单元113 中有可能流过超过了所容许的额定电流的放电电流123。由于该过大的放电电流123有可能导致放电单元113的损坏。放电电流的计算例对于作为放电单元113采用了 P型!7ET(Field Effect Transistor)时的放电电流，下面说明其计算例。升压电压117通常在未超过喷射器驱动元件的元件耐压的范围内进行设定。在电压阈值117b = 80V的情况下，在过电压检测信号119输出放电输出信号的期间，放电单元113对电压阈值117b与电池电压102之间的电位差进行放电。在将电路的布线图案的电阻设为R情况下，放电电流123能以下式(1)表示。放电电流123 = (80V-VB) / (R+RDS0N) ......(1)其中，VB 电池电压(通常为14V)RDSON 放电单元113的接通电阻电路的布线图案的电阻R，能以下式(2)表示。布线图案电阻R = P · L/A ……(2)其中，ρ电阻率1· 68Χ1(Γ8(Ω · m)L 图案长度A 图案横截面积(=图案宽度X电镀厚度)尽管也依赖于印刷基板的铜箔的体积，但在图案宽度=10mm、镀铜厚度=35 μ m、 图案长度L= IOcm的情况下，根据上式⑵可知布线图案电阻R = 4.8mQ。若设放电单元113的接通电阻RDSON = 200m Ω，则放电电流123根据上式(1)，能如下式( 所示那样进行计算。放电电流123 = (80-14) V/204. 8m Ω = 322Α ......(3)为了耐住过大的放电电流123，放电单元113所具备的电路元件的形状将变大，成本将趋于变高。实施方式1图1是本发明实施方式1涉及的电磁负载控制装置的电路图。图1所示的电路与图8已说明的现有的电路结构不同，作为放电单元设置恒压电路200。其他的电路结构与图 8相同。图2是表示恒压电路200的详细结构图。恒压电路200具备恒压二极管201、电阻 202 及 FET203。恒压二极管201具有恒压特性(齐纳电压)Vz。恒压二极管201的一端被接地， 另一端与FET203的栅极端子(导通/关断控制端子)以及升压用二极管112的阴极连接。 伴随着电压117的上升，在恒压二极管201中开始流过电流Iz，当由该Iz和电阻202产生的电位差为FET的栅极导通电压Vgs时，FET203的栅极端子选通，从而FET203导通。FET203与升压用二极管112并联连接，由于使栅极端子选通从而恒压二极管201 处于导通状态，向电池101侧反馈放电电流123。电阻202连接在FET203的源极与栅极之间，减少流过恒压二极管201中的电流。恒压二极管201的齐纳电压Vz和FET203的栅极-源极间电压Vgs相加后的值为升压电压117。因此，按照电压阈值117b = Vz+Vgs的方式设定各元件的特性。如上述那样设定各元件的特性时，在短时间内反复如下的动作，即FET203瞬间导通从而流过放电电流之后，FET203再次截止。由此，流经回流二极管147的电流波形如图2的下图所示。使用图3再次说明放电时的动作。图3是表示本实施方式1涉及的电磁负载控制装置的动作的时序图。在本实施方式1中，为进行放电动作，恒压电路200的电压逐渐上升，当达到恒压二极管201的恒压特性附近时，栅极电压Vgs达到瞬时导通FET203的电压，FET203导通从而进行放电。当由于放电使得恒压电路200的电压下降时，恒压二极管201的齐纳电压Vz被维持，同时栅极电压Vgs下降，FET203处于不导通。该循环在短时间内反复，且在放电完全结束的时刻循环结束。也就是说，放电电流经由FET恒压二极管201被放出，在放电电压达到电压阈值 117b的时刻，FET203瞬时导通后处于截止状态。因此，在流经FET203的电流过大之前， FET203处于截止状态，因此无需增大FET203的电流容量。实施方式1 计算例以下，对于本实施方式1涉及的电磁负载控制装置的动作，说明对具体电路参数进行设定的计算例。在设电压阈值117b = 80V、FET203的栅极电压Vgs = 5V的情况下，恒压二极管 201的恒压特性Vz = 75V。FET203的栅极-源极间电阻202设定为流过恒压二极管201的偏置电流这种程度的值。在恒压二极管201的偏置电流为0. 5mA的情况下，电阻202的电阻值R202以下式求出。R202 = Vgs/0. 5mA = IOK Ω ......(4)恒压二极管201的消耗电流以下式(5)求出。75VX0. 5mA = 37mff ......(5)电阻202的消耗功率以下式(6)求出。Vgs/ΙΟΚΩ XVgs = 2. 5mff ......(6)因此，恒压二极管201、电阻202均能够使用小型部件，因此能够抑制作为放电单元的恒压电路200的成本。接下来，从喷射器负载142的观点出发，说明本实施方式1涉及的电磁负载控制装置的动作。在将喷射器负载142自身的电感设为L、将电流设为Ii时，喷射器负载142的反电动势Wi以下式(7)表示。Wi = 1/2XLX Ii2 ......(7)喷射器负载142的电感为几mH 几十mH。这里，假设为20mH。若假设喷射器负载142的电流为20A，则喷射器负载142进行一次动作时的反电动势Wi，以下式(8)求出。Wi = 1/2X20X10_3X 202 = 4W ......(8)为了简便起见，在此忽略升压用电容器，假设FET203完全吸收式(8)的功率。基于式(3)所示的电流值，可知式(8)的功率值被大幅度降低。也就是说，本实施方式1涉及的电磁负载控制装置与现有技术相比，放电单元的消耗功率少，由此给放电元件带来的负担也少，故能使用更小型的放电元件。实施方式1 总结如上述，本实施方式1涉及的电磁负载控制装置中作为用于缓和放电电流的元件具备恒压二极管201。恒压二极管201的一端被接地，另一端与FET203的栅极端子连接。 当放电电压达到电压阈值117b时，Vgs达到使FET203导通的值，在使FET203瞬时导通之后，若放电电压下降，则FET203再次处于截止状态。通过反复该动作，在放电电流过大之前 FET203处于截止状态，因此能够利用小型元件来构成放电单元。另外，根据本实施方式1涉及的电磁负载控制装置，通过适当设定齐纳电压Vz，基于恒压二极管201的恒压特性，可自动地实施以上动作，由此无需重新设置用于对FET203进行导通/关断控制的微型计算机等的运算装置，就可实施同等动作，能以低成本构成放电单元。实施方式2图4是本发明实施方式2涉及的电磁负载控制装置的电路图。这里，仅示出恒压电路200的周边部分。其他构成与实施方式1相同。在本实施方式2中，在升压用二极管 112的阴极与FET203的源极之间，新追加了电流限制用的电阻180。电阻180在升压时不限制沿着升压用二极管112的正向流动的升压用的电流，因此优选不设置在沿着升压用二极管112的正向流动的路径上，例如不设置在升压用二极管 112的阴极与电阻202之间。在将电阻180的电阻值设为1欧姆的情况下，放电电流123能用下式(9)求出。放电电流123 = (80-14) V/1204. 8m Ω = 53Α ......(9)如上述，根据本实施方式2，与现有技术相比，能够降低放电电流123。其中，在电阻180中流过上式(8)的电流53Α，电阻180需要采用具有53W以上的额定功率的器件，因此，恒压电路200容易变为大型。再有，用于放电的消耗功率本身并不是因电阻180而下降的。另外，如本实施方式2所示，在升压用二极管112的阴极与FET203的源极之间设置电阻180以降低放电电流的方法，也能用于下面的实施方式中。实施方式3图5是本发明实施方式3涉及的电磁负载控制装置的电路图。这里，仅示出恒压电路200的周边部分。其他结构与实施方式1相同。在本实施方式3中，代替恒压二极管 201，设置了电容器205。电容器205的一端被接地，另一端与FET203的栅极端子及升压用二极管112的阴极连接。电阻204是用于对驱动FET203的驱动信号进行调整的电阻。图6是表示流经电阻204的驱动信号和放电电流123之间关系的图。通过与电阻 204并联地设置电容器205，用于驱动FET203的驱动信号其下降沿延迟。由此，即便施加驱动信号FET203也不会立即处于完全导通状态，而是处于半导通状态，从而在不饱和区域中工作。当FET203在不饱和区域中工作时，因为处于没有流过额定值那样的电流的状态，所以其结果是放电电流123受到限制。作为发挥与图5 图6同样效果的方法，取代使用电容器205，而调整电阻202和 204的值，并与上述同样地使FET203在不饱和区域中工作。其中，在该方法中，由于FET203 的工作电阻比额定值大，因此消耗功率增大。因此，需要使用大型FET203以便相应地弥补其功率损耗，若从成本方面考虑未必是优选方案。实施方式4图7是表示本发明实施方式4涉及的电磁负载控制装置的放电电流和FET203的驱动电流之间关系的图。在实施方式1中，作为降低放电电流123的单元，设有恒压二极管 201，使FET203自动地间歇性动作。同样的动作也能够通过间歇性供给驱动FET203的驱动信号来实现。例如，如图7那样提供驱动信号，以对FET203进行PWM驱动。其中，在使用本实施方式4涉及的方法的情况下，作为取代恒压二极管201的放电缓和元件，需要采用实施PWM控制的控制电路。在安装该控制电路的面积不富余的情况下， 难以采用本方法。另外，在通过单芯片的ASIC(面向特定用途的IC)构成控制电路的情况
9下，伴随着逻辑增加需要确认作业，从成本方面出发未必是优选的方案。以上，基于实施方式具体说明了由本发明者提出的发明，但本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可进行各种变更。另外，对于上述各结构、功能、处理部等，既能够例如在集成电路中设计从而以硬件实现其全部或一部分，也可以通过处理器执行实现各功能的程序由此作为软件实现。实现各功能的程序、表格等的信息能够存储在存储器或硬盘等存储装置、IC卡、DVD等存储装置中。另外，在本发明的电磁负载控制装置的电路中，也可以按照最短且图案宽度比周边图案宽的方式，设计图1所示的升压线圈107、升压用开关元件109和升压用二极管112 之间的布线图案。由此，能够降低图案阻抗。
权利要求1.一种电磁负载控制装置，对提供给电磁负载的电流进行控制，其特征在于， 该电磁负载控制装置具备升压电路，对施加于所述电磁负载的负过电压进行升压；和放电装置，对在所述升压电路使所述负过电压升压时所蓄积的电荷进行放电，所述放电装置具备开关元件，切换是否将所述电荷反馈至电源侧；和放电缓和元件，对所述开关元件流过放电电流的量进行缓和， 所述放电缓和元件， 其构成为自身也流过所述放电电流，其一端接地，另一端与所述开关元件的所述电磁负载侧及导通/关断控制端子连接， 当流过所述放电电流时，向所述开关元件的导通/关断控制端子提供信号从而切换所述开关元件的导通/关断，向所述电源侧间歇性反馈所述放电电流。
2.根据权利要求1所述的电磁负载控制装置，其特征在于，所述放电缓和元件利用恒压二极管构成，该恒压二极管具有比在所述放电装置中流过所述放电电流时的放电电压小的恒压特性。
3.根据权利要求1所述的电磁负载控制装置，其特征在于，所述放电缓和元件利用电容器构成，该电容器与所述开关元件的导通/关断控制端子连接。
4.根据权利要求1所述的电磁负载控制装置，其特征在于， 在所述开关元件的所述电磁负载侧，设有降低放电电流的电阻元件。
5.一种电磁负载控制装置，对提供给电磁负载的电流进行控制，其特征在于， 该电磁负载控制装置具备升压电路，对施加于所述电磁负载的负过电压进行升压； 放电装置，对在所述升压电路使所述负过电压升压时所蓄积的电荷进行放电；和升压用开关元件，进行所述升压电路的升压动作的导通/关断控制， 所述电磁负载、所述放电装置以及所述升压用开关元件之间的电路图案比其他部分的电路图案宽，所述放电装置具备开关元件，切换是否将所述电荷反馈至电源侧；和放电缓和元件，对所述开关元件流过放电电流的量进行缓和， 所述放电缓和元件， 其构成为自身也流过所述放电电流，其一端接地，另一端与所述开关元件的所述电磁负载侧及导通/关断控制端子连接， 当流过所述放电电流时，向所述开关元件的导通/关断控制端子提供信号从而切换所述开关元件的导通/关断，向所述电源侧间歇性反馈所述放电电流。
专利摘要本实用新型提供一种电磁负载控制装置，其具备放电单元，能够以低成本构成放电单元且不会因过电流而损坏。本实用新型涉及的电磁负载控制装置所具备的放电装置具有放电缓和元件，其切换将放电电流反馈至电源侧的开关元件的导通/关断，当放电电流流经放电缓和元件时切换开关元件的导通/关断，向电源侧间歇性反馈放电电流。
文档编号F02D41/20GK202250430SQ20112032337
公开日2012年5月30日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者山田茂树, 江藤大介, 渡部光彦, 那须文明, 黛拓也 申请人:日立汽车系统株式会社, 日立汽车部件(苏州)有限公司