用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，该系统包括电弧高压发生装置，其用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电；驱动电路，其用于触发提供至所述电弧高压发生装置的能量的电压，以响应电弧的形成，以及延长提供至电弧高压发生装置的能量的电压的释放时间，以提高电弧周围的电晕强度；控制电路，其用于提供触发驱动电路所需的能量的电压；电源，其用于将具有一电压的能量提供至所述驱动电路。通过驱动电路断开，电弧高压发生装置得电产生电晕，和驱动电路导通，电弧高压发生装置断电电晕熄灭，提供至电弧高压发生装置的能量的电压的释放时间越长，电晕强度越好。
【专利说明】
用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种点火领域，特别涉及一种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统及方法。
【背景技术】
[0002 ]电晕放电点火系统提供直流电压和直流电流，电流经初级线圈和次级线圈后转换成高压，从点火系统的电弧输出端输出并产生电弧，电弧的强弱决定了点火的效率，但长久工作会引起元器件发热严重，会导致元器件的寿命缩短甚至元器件被烧毁，而降低工作时间则会引起电弧周围的电晕强度不够，影响点火的效率，不管是前者，还是后者，都会让使用者的使用满意度下降，甚至不如人意。
【发明内容】
[0003]为了克服如何在提高电晕强度的同时将元器件的温度控制在合适范围内的不足，本发明提供一种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统及方法。
[0004]本发明所采用的技术方案是:一种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，该系统包括一电弧高压发生装置，其用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电；一驱动电路，其用于触发提供至所述电弧高压发生装置的能量的电压，以响应电弧的形成，以及延长提供至电弧高压发生装置的能量的电压的释放时间，以提高电弧周围的电晕强度;一控制电路，其用于提供触发驱动电路所需的能量的电压;一电源，其用于将具有一电压的能量提供至所述驱动电路。
[0005]该系统包括一升压线圈Tl，用于提供所述电弧高压发生装置的能量的电压；一电容器，用于对升压线圈Tl的初级线圈进行去噪，并提高初级线圈的电压释放时间。
[0006]所述初级线圈的线圈匝数在13-16匝，线径在0.4-0.65毫米。
[0007]所述驱动电路包括一 NPN三极管、一 PNP三极管和一 N沟道功率场效应管，NPN三极管和PNP三极管的发射极相接，构成一图腾柱，用于通断N沟道功率场效应管。
[0008]该系统包括一充电电路，其用于将具有一电压的能量储存至电源。
[0009]—种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的方法，该方法包括以下步骤:在一段时间Tl内导通一驱动电路，向一升压线圈Tl的初级线圈提供具有一电压的能量;在一段时间T2内关断该驱动电路，使得升压线圈Tl的初级线圈释放电压，向一电弧高压发生装置提供具有一电压的能量，以响应电弧的形成；以及在一段时间T2内，延长升压线圈Tl的初级线圈释放电压的时间，以提升电弧周围的电晕强度，同时确保在此时间内，任一元器件的温度不超过60摄氏度。
[0010]所述一段时间Tl不大于纳秒级。
[0011]所述方法包括在所述一段时间Tl后，延长升压线圈Tl的初级线圈释放电压的时间。
[0012]在导通驱动电路之后，电源执行向升压线圈Tl的初级线圈提供能量，并将该能量储存在所述初级线圈中的步骤。
[0013]所述提高提供至电弧高压发生装置的能量的电压的步骤包括在所述一段时间T2内，消耗所述初级线圈中的能量。
[0014]本发明的有益效果是:本发明通过驱动电路断开，电弧高压发生装置得电产生电晕，和驱动电路导通，电弧高压发生装置断电电晕熄灭，提供至电弧高压发生装置的能量的电压的释放时间越长，电晕强度越好。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的部分电路图。
[0016]图2是本发明的部分电路图。
[0017]图3是本发明使用Q1、Q2之前的单周期波形。
[0018]图4是本发明使用Ql、Q2之前的导通波形。
[0019]图5是本发明使用Q1、Q2之前的截止波形。
[0020]图6是本发明使用Q1、Q2之后的单周期波形。
[0021]图7是本发明使用Ql、Q2之后的导通波形。
[0022]图8是本发明使用Ql、Q2之后的截止波形。
[0023]图9是本发明是在未加电容的情况下，初级线圈释放电压的波形图。
[0024]图1O是本发明是在加了电容C5后的情况下，初级线圈释放电压的波形图。
[0025]图11是本发明的表1-1初级线圈的匝数对打火参数的影响。
[0026]图12是本发明的表1-2初级线圈的线径对打火参数的影响。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明实施例作进一步说明:
如图1、图2所示，一种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，该系统包括一电弧高压发生装置，其用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电；一驱动电路，其用于触发提供至所述电弧高压发生装置的能量的电压，以响应电弧的形成，以及延长提供至电弧高压发生装置的能量的电压的释放时间，以提高电弧周围的电晕强度;一控制电路，其用于提供触发驱动电路所需的能量的电压;一电源，其用于将具有一电压的能量提供至所述驱动电路，通过驱动电路断开，电弧高压发生装置得电产生电晕，和驱动电路导通，电弧高压发生装置断电电晕熄灭，提供至电弧高压发生装置的能量的电压的释放时间越长，电晕强度越好。
[0028]该系统包括一升压线圈Tl，用于提供所述电弧高压发生装置的能量的电压；一电容器，用于对升压线圈Tl的初级线圈进行去噪，并提高初级线圈的电压释放时间，所述升压线圈Tl的初级线圈一端与电源连接，另一端与电容器串联，电容器对该支路进行去噪，使得初级线圈释放的电压更加平稳、持久。
[0029]所述初级线圈的线圈匝数在13-16匝，线径在0.4-0.65毫米，以提高电弧周围的电晕强度，打火距离选择经典间距4mm，打火电压选择3.2V和4.7V，初级线圈的线径优选
0.44_，对初级线圈的匝数进行试验得出，得出初级线圈的匝数为14匝和15匝时，电晕强度为最优(详见图11，表1-1 )，同理，打火距离选择经典间距4mm，打火电压选择3.2V和4.7V，初级线圈的匝数选择14匝，对初级线圈的线径进行试验得出，得出初级线圈的线径为0.44_和0.5mm时，电晕强度为最优(详见图12，表1-2)，在此线圈匝数和线径范围内，相比于其他线圈匝数和线径，电晕强度明显更好。
[0030]所述驱动电路包括一 N沟道功率场效应管Q3，其导通电阻<20毫欧，导通电阻小，导通后的损耗就小，因而此元器件的发热就小。
[0031]所述驱动电路包括一NPN三极管Ql和一 PNP三极管Q2，二者的发射极相接，构成一图腾柱，用于减少驱动N沟道功率场效应管导通所需的时间，导通所需的时间越短，导通就会越快，进一步减小损耗，提高能量转化的效率。
[0032]在场效应管内部实际是存在一个电容的，场效应管导通时间实际是电容充满电的时间，控制电路中的单片机引脚输出PWM波形，电流最大是20mA，故N沟道功率场效应管Q3若直接与单片机连接，则栅极的最大电压也会受最大电流影响，而受到限制；改用图腾柱后，在NPN三极管Ql导通后，从NPN三极管Ql集电极流向发射极的电压加在N沟道功率场效应管Q3的栅极，可以获得一个比直接与单片机连接而获得的电压更大的电压，而电压越大，电容充满电的时间就会越短，因而N沟道功率场效应管Q3的导通就会越快。
[0033]在利用NPN三极管Ql、PNP三极管Q2前M⑶管脚直接驱动N沟道功率场效应管Q3的栅极，用示波器测得MCU脚6与VDS的波形，如图3所示，其中蓝线为MCU脚6波形，黄线为MOS管Vds波形，将波形放大分别看导通波形与截止波形。如图4所示，MOS管导通波形，驱动电压(蓝线)从低到高电平，MOS管由截止变成导通，导通时间共Ius;如图5所示，MOS管截止波形，驱动电压(蓝线)从高到低电平，MOS管由导通变成截止，截止时间共600ns。
[0034]在利用NPN三极管Ql、PNP三极管Q2后MCU管脚直接驱动NPN三极管Ql、PNP三极管Q2的基极，用示波器测得MCU脚6与Vds的波形，可以看到MOS的导通速度明显变快，如图6所示，其中蓝线为M⑶脚6波形，黄线为MOS管Vds波形，将波形放大分别看开启与截止波形。如图7所示，MOS管导通波形，驱动电压(蓝线)从低到高电平，MOS管由截止变成导通，导通时间共100ns。如图8所示，MOS管截止波形，驱动电压(蓝线)从高到低电平，MOS管由导通变成截止，截止时间共200ns。
[0035]不管是N沟道功率场效应管还是P沟道功率场效应管，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗，因此选择导通电阻小的功率场效应管会减小导通损耗。现在的小功率场效应管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有，此外场效应管在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的，热量决定温升，而产热量与电流、电阻、时间相关，在电流、电阻不变的情况下，缩短导通越短，温升就越小，同理，在电流、导通时间不变的情况下，减小电阻，温升就越小。
[0036]场效应管两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，场效应管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，导通截止的次数就越多，开关损失消耗在导通和截止的这段时间内，工作同样的时间，其时间花费时间就长，故温升就大。
[0037]导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。因此缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失;降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数，这两种办法都可以减小开关损失，降低元器件的温升。
[0038]—充电电路，其用于将具有一电压的能量储存至电源，用充电的方式，在电源的能量耗尽时，可以直接充电，无需更换电源，能够给用户带来更好的使用效果。
[0039]—种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的方法，该方法包括以下步骤:在一段时间Tl内导通一驱动电路，向一升压线圈Tl的初级线圈提供具有一电压的能量;在一段时间T2内关断该驱动电路，使得升压线圈Tl的初级线圈释放电压，向一电弧高压发生装置提供具有一电压的能量，以响应电弧的形成；以及在一段时间T2内，延长升压线圈Tl的初级线圈释放电压的时间，以提升电弧周围的电晕强度，同时确保在此时间内，任一元器件的温度不超过60摄氏度。
[0040]所述一段时间Tl不大于纳秒级，导通时间越短，则其驱动电弧高压发生装置工作的损害就越小，故而能减少兀器件的发热，提尚效率。
[0041]所述方法包括在所述一段时间Tl后，延长升压线圈Tl的初级线圈释放电压的时间，即能延长电弧高压发生装置产生电压的时间，从而延长电弧的持续时间，电弧周围的电晕强度也会随时间的延长而得到提升。
[0042]在导通驱动电路之后，电源执行向升压线圈Tl的初级线圈提供能量，并将该能量储存在所述初级线圈中的步骤，所述提高提供至电弧高压发生装置的能量的电压的步骤包括在所述一段时间T2内，消耗所述初级线圈中的能量，初级线圈先储能，再释放能量以供电弧高压发生装置产生电弧，并以此循环，使得电弧打火机工作，由于循环时间足够的短，因而用户在使用时，会看到连续工作的电弧以及电晕。
[0043]在一个实施例中，所述电源采用电池BAT。
[0044]在一个实施例中，所述驱动电路包括NPN三极管Ql、PNP三极管Q2、N沟道功率场效应管Q3和电阻R8/R9/R10，所述NPN三极管Ql的集电极与电池BAT的正极连接，基极经电阻R8与控制电路连接，发射极与PNP三极管Q2的发射极连接;所述PNP三极管Q2的基极与NPN三极管Ql的基极连接，集电极与地GND连接;所述N沟道功率场效应管Q3的漏极与初级线圈的一端连接，栅极与NPN三极管Ql的发射极连接，源极与地GND连接，电阻R9—端接电阻R8与NPN三极管Ql的基极之间的节点，另一端接地；电阻RlO—端接N沟道功率场效应管Q3的栅极与NPN三极管Ql的发射极之间的节点，另一端接地;初级线圈的另一端接电池BAT。
[0045]在一个实施例中，所述驱动电路还包括电容C5，其一端与所述N沟道功率场效应管Q3的漏极连接，另一端与地GND连接，升压线圈Tl的初级线圈接电容05与咐勾道功率场效应管Q3的漏极之间的节点，在驱动电路导通后，N沟道功率场效应管Q3相当于通路，此时电池BAT对升压线圈Tl的初级线圈进行储能，当驱动电路关断后，N沟道功率场效应管Q3相当于断路，此时升压线圈Tl的初级线圈释放电压，然后在电容C5的作用下，初级线圈释放的电压被调整的更为光滑、平稳，且电容C5本身作为一个可以储能的元器件，当N沟道功率场效应管Q3两端电压差过高时，电容C5还可以吸收电压，对N沟道功率场效应管Q3进行保护。
[0046]采用相同的电压，相同的时间单位，进行比如实验，得到如下结果:
如图9所示，是在未加电容C5的情况下，初级线圈释放电压的波形图，从波形中明显可以看出电压存在噪声，真正的释放时间只有约200ns，释放完后波形有小幅度的振荡。
[0047 ]如图1O所示，是在加了电容C5后的情况下，初级线圈释放电压的波形图，从波形中明显可以看出此波形光滑、没有噪声，真正的释放时间有约400ns，释放完后，波形也是比较平稳的，此外，时间越长，电晕强度也越强，因此加了电容C5后，电晕强度得到明显的加强。
[0048]在一个实施例中，还设有一个稳压电路，其包括二极管D1、稳压管D2、电容C3，所述二极管正极与充电电路连接，负极与VCC连接，所述稳压管D2—端与VCC连接，另一端与地GND连接，所述电容C3—端与VCC连接，另一端与地GND连接。由于在大电流(> 3.5A )时，电池电流波纹较大，容易对控制电路造成干扰，故用二极管Dl、稳压管D2、电容C3组成一个低纹波供电电路，相当于一个独立小电池，其中二极管Dl采用锗二极管，具有单向导通性能，电容C3起储存二极管Dl前级纹波电能的作用，D2为稳压管，起稳定电流作用。
[0049]以上结合附图所描述的实施例仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的保护范围的限定，任何基于本发明精神所做的改进都理应在本发明保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，其特征在于:该系统包括 一电弧高压发生装置，其用于接收具有一电压的能量并提供电晕放电； 一驱动电路，其用于触发提供至所述电弧高压发生装置的能量的电压，以响应电弧的形成，以及延长提供至电弧高压发生装置的能量的电压的释放时间，以提高电弧周围的电晕强度； 一控制电路，其用于提供触发驱动电路所需的能量的电压； 一电源，其用于将具有一电压的能量提供至所述驱动电路。2.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，其特征在于:该系统包括 一升压线圈Tl，用于提供所述电弧高压发生装置的能量的电压； 一电容器，用于对升压线圈Tl的初级线圈进行去噪，并提高初级线圈的电压释放时间。3.根据权利要求2所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，其特征在于:所述初级线圈的线圈匝数在13-16匝，线径在0.4-0.65毫米。4.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，其特征在于:所述驱动电路包括一 NPN三极管、一 PNP三极管和一 N沟道功率场效应管，NPN三极管和PNP三极管的发射极相接，构成一图腾柱，用于通断N沟道功率场效应管。5.根据权利要求1所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的系统，其特征在于:该系统包括一充电电路，其用于将具有一电压的能量储存至电源。6.—种用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: 在一段时间TI内导通一驱动电路，向一升压线圈TI的初级线圈提供具有一电压的能量； 在一段时间T2内关断该驱动电路，使得升压线圈Tl的初级线圈释放电压，向一电弧高压发生装置提供具有一电压的能量，以响应电弧的形成； 以及在一段时间T2内，延长升压线圈Tl的初级线圈释放电压的时间，以提升电弧周围的电晕强度，同时确保在此时间内，任一元器件的温度不超过60摄氏度。7.根据权利要求6所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的方法，其特征在于:所述一段时间Tl不大于纳秒级。8.根据权利要求6所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的方法，其特征在于:所述方法包括在所述一段时间Tl后，延长升压线圈Tl的初级线圈释放电压的时间。9.根据权利要求6所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的方法，其特征在于:在导通驱动电路之后，电源执行向升压线圈Tl的初级线圈提供能量，并将该能量储存在所述初级线圈中的步骤。10.根据权利要求9所述的用于在电晕放电点火系统中控制电晕强度的方法，其特征在于:所述提高提供至电弧高压发生装置的能量的电压的步骤包括在所述一段时间T2内，消耗所述初级线圈中的能量。
【文档编号】H02M9/02GK106059375SQ201610336493
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】周东旭
【申请人】周东旭