專利名稱：一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低阻快速響應(yīng)電磁閥驅(qū)動(dòng)用升壓變換器，屬于高速執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，具體來說，是一種可增大輸入輸出升壓倍數(shù)、提高升壓變換模塊功率密度、降低輸出電壓波動(dòng)、減小輸出電壓恢復(fù)時(shí)間的高速電磁閥驅(qū)動(dòng)用升壓變換器。
背景技術(shù)：
高速電磁閥在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，不論是一般工業(yè)還是特別領(lǐng)域。一般工業(yè)中，高速響應(yīng)電磁閥對于整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和速度都有很大影響，電磁閥響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)控制越靈活，整體性能也越好。特別領(lǐng)域中，如汽車工業(yè)，高速電磁閥應(yīng)用更為廣泛。電控高壓燃油噴射系統(tǒng)，防抱死ABS系統(tǒng)和電子氣門系統(tǒng)都對高速電磁閥驅(qū)動(dòng)有很大需求。在電控高壓燃油噴射系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)靈活精確的預(yù)噴射、主噴射、后噴射，甚至是多次噴射的要求，噴油器輸出驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間必須很小。在防抱死ABS系統(tǒng)，高速液壓電磁閥響應(yīng)時(shí)間越小，ABS系統(tǒng)響應(yīng)遲滯越小，性能也就越好。在電子氣門系統(tǒng)中，高速電磁閥響應(yīng)速度越快，進(jìn)氣氣流響應(yīng)也越快，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效果也越好。因此，高速電磁閥的快速響應(yīng)對電磁閥的驅(qū)動(dòng)方式和控制方式都帶來很大挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)電磁閥在很短的時(shí)間內(nèi)可靠開啟和關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流必須比較大，同時(shí)為了防止電磁閥過熱，電流不能上升的太大，故現(xiàn)有高速電磁閥驅(qū)動(dòng)一般采用雙電源的高低端驅(qū)動(dòng)方式(參見申請?zhí)枮?00410033776. X的一種發(fā)動(dòng)機(jī)用電磁閥驅(qū)動(dòng)電路與申請?zhí)枮?00510011109. 6的集成式雙電壓電磁閥驅(qū)動(dòng)電路)。其實(shí)現(xiàn)方式為由汽車蓄電池電壓或者其他直流電源經(jīng)直流升壓變換得到高壓電源部分，目標(biāo)值一般至少為80V，最大值可達(dá)到150V左右。低壓電源部分一般直接是汽車蓄電池電壓或者其他直流電源。其控制方式采用兩段電流方式電磁閥開啟時(shí)由高壓電源驅(qū)動(dòng)，電磁閥中電流迅速上升，達(dá)到峰值目標(biāo)電流(一般在20A左右)后由低壓電源對峰值電流進(jìn)行調(diào)制直到電磁閥完全開啟。 電磁閥完全開啟后，磁隙減小，所需維持開啟狀態(tài)的電磁力減小，采用低壓電源對維持電流進(jìn)行調(diào)制(一般在IOA左右)，直到全部工作過程結(jié)束。其工作電流波形如圖1所示，可以看出，在電磁閥開啟階段通過高壓驅(qū)動(dòng)、增加電流上升斜率減小了響應(yīng)時(shí)間；同時(shí)由于對電磁閥電流進(jìn)行調(diào)制控制，防止了電流持續(xù)增大，避免了電磁閥過熱。高速電磁閥采用雙電壓驅(qū)動(dòng)，其高壓電源一般不是單獨(dú)提供，而是由低壓電源經(jīng)過直流升壓變換得到。現(xiàn)階段廣泛采用的升壓變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單電感和反激變壓器兩種形式。其中，單電感直流升壓電路實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，包括輸入電源Vi，輸入濾波電容Ci，升壓電感L，升壓控制器IC1，功率開關(guān)管M,電流采樣電阻Rs，輸出二極管D，輸出電容Co，輸出分壓電阻Rl和R2。在電流連續(xù)情況下，其輸入電壓Vi與輸出電壓Vo之間的關(guān)系為Vo = Vi/(I-D)，其中D為功率開關(guān)管控制信號占空比。理論情況下，隨著占空比D的值不斷接近 1，輸出電壓Vo可以達(dá)到任意大的值。但考慮到實(shí)際情況，在采用PWM脈寬調(diào)制時(shí)，信號周期是一定的，占空比越大，開關(guān)管打開時(shí)間越長，而關(guān)斷時(shí)間則越短。開關(guān)管打開時(shí)間長，意味著升壓電感充電時(shí)間過長，磁路容易飽和，線圈會(huì)發(fā)熱，效率會(huì)降低；開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間短，意味著升壓電感放電時(shí)間短，電流不能下降到初始值，磁路不能復(fù)位，電流仍然持續(xù)增加最終導(dǎo)致磁路飽和，因此為了保證控制回路的穩(wěn)定性，單電感的升壓變換電路中，占空比一般控制在0. 5左右，除非有特殊的補(bǔ)償電路才允許占空比超過0. 5，也即輸出輸入電壓比值一般在2左右。除此之外，由于功率開關(guān)管M的漏極直接通過輸出二極管D正向端和輸出電容Co相連，開關(guān)管漏極電壓很高，至少為輸出二極管D正向壓降和輸出電壓之和，也即功率開關(guān)管的漏極反向擊穿電壓必須至少大于輸出電壓才能保證對輸出電容的充電，因此該升壓變換形式對功率開關(guān)管漏極反向擊穿電壓要求很高，至少以輸出電壓Vo和輸出二極管D 正向電壓壓降之和為參考，同時(shí)還要保留一定的裕量，這樣的高壓功率管選擇范圍很窄，價(jià)格也比較高。采用反激變壓器實(shí)現(xiàn)直流升壓變換的電路，如圖3所示，包括輸入電源Vi，輸入濾波電容Ci，反激變壓器Tl，升壓控制器IC1，功率開關(guān)管M，電流采樣電阻Rs，輸出二極管D， 輸出電容Co，輸出分壓電阻Rl和R2。在功率開關(guān)管導(dǎo)通情況下，其初級線圈相當(dāng)于電感， 電流隨導(dǎo)通時(shí)間增加而增加，能量存儲(chǔ)在電感線圈中，此時(shí)次級線圈感應(yīng)電壓使得輸出二極管D反向截止；在功率開關(guān)管關(guān)斷情況下，反激變壓器Tl中的初級線圈和次級線圈以變壓器方式工作，能量從初級線圈傳到次級線圈，輸出二極管D正向?qū)▽敵鲭娙莩潆?。該方式的?yōu)點(diǎn)是由于變壓器的作用，輸出輸入電壓放大倍數(shù)范圍增大，可輕易超過2，同時(shí)控制信號的占空比調(diào)節(jié)范圍也可以擴(kuò)大，穩(wěn)定性有一定的提高。但是，該方式的缺點(diǎn)也是非常明顯的，在功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間，磁路能量需要從初級傳遞到次級，變壓器的實(shí)際磁路有漏磁，漏磁沒有泄放通路則會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，該電壓可能反向擊穿功率開關(guān)管導(dǎo)致整個(gè)電路失效。除此之外，由于存在漏磁現(xiàn)象，該升壓電路容易對其他電路造成干擾，電磁兼容性差。因此，反激變壓器升壓方式對于變壓器的繞制工藝和封裝有很高的要求，對于功率開關(guān)管的反向擊穿電壓也有較高的要求，至少為額定反向擊穿電壓的1.5倍以上，故該升壓方式也不能很好的滿足高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服單電感升壓電路以及反激變壓器中存在的缺點(diǎn)，結(jié)合了單電感升壓方式和反激變壓器升壓方式的優(yōu)點(diǎn)，采用中間抽頭的變壓器作為升壓電感，提出一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，包括輸入電源(Vi)、濾波電容(Ci)、功率開關(guān)管(M)、輸出二極管(D)、輸出電容(Co)、電流采樣電阻(Rs)、升壓控制器(ICl)、分壓電阻(Rl)和分壓電阻(R2)、中間抽頭變壓器(T2)；其中，輸入電源(Vi)與濾波電容(Ci)相連，濾波電容(Ci)接地；輸入電源(Vi) 還與中間軸頭變壓器0 的一端相連，中間軸頭變壓器的另一端與輸出二極管(D)的正端相連，輸出二極管(D)的負(fù)端與輸出電容(Co)相連；第一分壓電阻(Rl)和第二分壓電阻 (R2)串聯(lián)后與輸出電容(Co)并聯(lián)，由輸出二極管(D)輸出的電壓(Vo)經(jīng)過分壓電阻(Rl) 和(似)的分壓后，得到的反饋電壓與升壓控制器(ICl)或單片機(jī)(IU)的第一電壓反饋端 (a)相連；中間抽頭變壓器(T2)的抽頭端與功率開關(guān)管(M)的漏端相連，功率開關(guān)管(M)的源端與電流采樣電阻(Rs)相連，電流采樣電阻(Rs)接地，電流采樣電阻(Rs)得到的采樣電流轉(zhuǎn)換為電壓后與升壓控制器(ICl)或單片機(jī)(IC2)的第二電壓反饋端(b)相連；功率開關(guān)管(M)的門端與升壓控制器(ICl)或單片機(jī)(IC2)輸出端(c)相連。其中，升壓控制器ICl為集成電路芯片，具有脈寬調(diào)制(PWM)控制、低端電流反饋和輸出電壓反饋功能。本發(fā)明采用中間抽頭變壓器的升壓變換器，其升壓比、工作頻率、電感體積和工作效率都可以得到改善，系統(tǒng)成本可以降低，集成度可以提高，中間抽頭變壓器升壓方式結(jié)合了變壓器升壓和電感升壓的優(yōu)點(diǎn)，特別適合高速電磁閥驅(qū)動(dòng)用的高壓產(chǎn)生，其輸出電壓范圍可達(dá)到80 150V。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明采用中間抽頭變壓器的變比使得電壓升壓比較大；2、本發(fā)明采用中間抽頭變壓器，使升壓變換器體積小，功率密度大；3、本發(fā)明采用中間抽頭變壓器使升壓變換器電感值小，響應(yīng)速度快；4、本發(fā)明采用中間抽頭變壓器使升壓變換器漏磁小，電磁兼容性好；5、本發(fā)明中開關(guān)管反向擊穿電壓要求低。


圖1為高低端雙電源電磁閥驅(qū)動(dòng)電路控制電流波形圖；圖2為電磁閥驅(qū)動(dòng)用單電感直流升壓電路原理圖；圖3為電磁閥驅(qū)動(dòng)用反激變壓器升壓電路原理圖；圖4為本發(fā)明升壓變換器電路原理圖；圖5為本發(fā)明第二種實(shí)施方式電路原理圖；圖6為本發(fā)明升壓變換器與單電感升壓電路以及反激變壓器升壓電路中初級電感峰值電流的對比波形圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，如圖4所示，包括輸入電源Vi、濾波電容Ci、中間抽頭變壓器T2、功率開關(guān)管M、輸出二極管D、輸出電容Co、電流采樣電阻 Rs、升壓控制器IC1、第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2。其中，升壓控制器ICl為集成電路芯片，具有脈寬調(diào)制(PWM)控制、低端電流反饋和輸出電壓反饋功能。其中，輸入電源Vi與濾波電容Ci相連，濾波電容Ci接地。輸入電源Vi還與中間軸頭變壓器T2的一端相連，所述輸入電源Vi也可通過繼電器、保險(xiǎn)絲或保護(hù)開關(guān)管與中間抽頭變壓器T2的輸入端連接，由此保證了使用者的用電安全。中間軸頭變壓器T2的另一端與輸出二極管D的正端相連，輸出二極管D的負(fù)端與輸出電容Co相連，電容Co接地。第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2串聯(lián)后與輸出電容Co并聯(lián)，由輸出二極管D輸出的電壓 Vo經(jīng)過第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2的分壓后，得到的反饋電壓與升壓控制器ICl 的第一電壓反饋端a相連。中間抽頭變壓器T2的抽頭端與功率開關(guān)管M的漏端相連，功率開關(guān)管M的源端與電流采樣電阻Rs相連，電流采樣電阻Rs接地，電流采樣電阻Rs得到的采樣電流轉(zhuǎn)換為電壓后與升壓控制器ICl的第二電壓反饋端b相連；功率開關(guān)管M的門端與控制器輸出端c相連。
權(quán)利要求
1.一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，包括輸入電源(Vi)、濾波電容(Ci)、功率開關(guān)管(M)、輸出二極管(D)、輸出電容(Co)、電流采樣電阻(Rs)、升壓控制器(ICl)、第一分壓電阻(Rl)和第二分壓電阻(R2)；其特征在于還包括中間抽頭變壓器(T2)；其中，輸入電源(Vi)與濾波電容(Ci)相連，濾波電容(Ci)接地；輸入電源(Vi)還與中間軸頭變壓器0 的一端相連，中間軸頭變壓器的另一端與輸出二極管(D)的正端相連， 輸出二極管(D)的負(fù)端與輸出電容(Co)相連；第一分壓電阻(Rl)和第二分壓電阻(R2)串聯(lián)后與輸出電容(Co)并聯(lián)，由輸出二極管⑶輸出的電壓(Vo)經(jīng)過第一分壓電阻(Rl)和第二分壓電阻(似)的分壓后，得到的反饋電壓與升壓控制器(ICl)或單片機(jī)(IU)的第一電壓反饋端(a)相連；中間抽頭變壓器(T2)的抽頭端與功率開關(guān)管(M)的漏端相連，功率開關(guān)管(M)的源端與電流采樣電阻(Rs)相連，電流采樣電阻(Rs)接地，電流采樣電阻(Rs)得到的采樣電流轉(zhuǎn)換為電壓后與升壓控制器(ICl)或單片機(jī)(IC2)的第二電壓反饋端(b)相連；功率開關(guān)管(M)的門端與升壓控制器(ICl)或單片機(jī)(IC2)輸出端(c)相連。
2.如權(quán)利要求1所述一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，其特征在于所述輸入電源(Vi)通過繼電器、保險(xiǎn)絲或保護(hù)開關(guān)管與中間抽頭變壓器(T2)的輸入端連接。
3.如權(quán)利要求1所述一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，其特征在于所述升壓控制器為集成電路芯片。
4.如權(quán)利要求1所述一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，其特征在于所述單片機(jī)具有脈寬調(diào)制模塊。
5.如權(quán)利要求1所述一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，其特征在于所述功率開關(guān)管漏極反向擊穿電壓Vd小于輸出電壓V。。
6.如權(quán)利要求1所述一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，其特征在于所述輸出電壓的范圍在80 150V。
7.如權(quán)利要求1所述一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，其特征在于所述中間軸頭變壓器(T2)中初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比k < 9。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于高速電磁閥驅(qū)動(dòng)的升壓變換器，屬于高速執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，本發(fā)明為了克服單電感升壓電路以及反激變壓器中存在的缺點(diǎn)，結(jié)合了單電感升壓方式和反激變壓器升壓方式的優(yōu)點(diǎn)，采用中間抽頭變壓器作為升壓電感，其升壓比、工作頻率、電感體積和工作效率都可以得到改善，系統(tǒng)成本可以降低，集成度可以提高，中間抽頭變壓器升壓方式結(jié)合了變壓器升壓和電感升壓的優(yōu)點(diǎn)，特別適合高速電磁閥驅(qū)動(dòng)用的高壓產(chǎn)生，其輸出電壓范圍可達(dá)到80～150V。
文檔編號H02M3/335GK102170233SQ20111008577
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者張奇, 杜發(fā)榮, 韓樹軍 申請人:北京航空航天大學(xué)