具有橋臂電感器的同步陣列功率振蕩器的制造方法
【專利摘要】一種用于可變噴霧燃料噴射系統(tǒng)的電子高頻感應(yīng)加熱器驅(qū)動器，其使用利用具有在半導(dǎo)體開關(guān)之間的電感器的全橋和半橋拓撲的零-電壓開關(guān)振蕩器的可擴展陣列，其中每個橋內(nèi)半導(dǎo)體開關(guān)對于功能而言是同步的，并且每個橋沿著整個陣列針對功能被同步。在接收到開啟信號時，所述感應(yīng)加熱器驅(qū)動器通過自-振蕩串聯(lián)諧振來增加供應(yīng)電壓，其中每個儲能諧振器電路中的一個組件包括被磁耦合至適當(dāng)?shù)膿p耗組件的感應(yīng)加熱器線圈，以使得燃料組件內(nèi)部的燃料被加熱至期望溫度。
【專利說明】具有橋臂電感器的同步陣列功率振蕩器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請是在2011年4月22日提交的、序列號為61 / 478，383、標(biāo)題為“Synchronized Array Power Oscillator with Leg Inductors” 的美國臨時專利申請的非-臨時版本，并要求其優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文中。
[0003]并且本申請涉及下列與本申請同一天提交的美國非-臨時專利申請:
[0004]“Synchronous Full-Bridge Power Oscillator with Leg Inductors”，由 PerryCzi_ek發(fā)明，并由代理人案號2011P00689US01識別；
[0005]“Synchronous Full-Bridge Power Oscillator”，由Perry Czimmek發(fā)明，并由代理人案號2011P00690US01識別；
[0006]“Synchronized Array Bridge Power Oscillator”，由 Perry Czimmek 和 MikeHornby發(fā)明，并且由代理人案號2011P00691US01識別；
[0007]“Variable Spray Injector with Nucleate Boiling Heat Exchanger，，，由PerryCzi_ek和Hamid Sayar發(fā)明，并由代理人案號2011P00693US01識別；以及
[0008]“Adaptive Current Limit Oscillator Starter，，，由 Perry Czimmek 發(fā)明，并由代理人案號2011P00694US01識別。
【背景技術(shù)】
[0009]本發(fā)明的實施例大體上涉及加熱的尖端燃料噴射器，并且更特別地，涉及控制和驅(qū)動感應(yīng)-加熱的燃料噴射器。
[0010]存在對改善內(nèi)燃機的排放品質(zhì)的持續(xù)需要。同時，存在最小化發(fā)動機盤車時間(crank time)和從接通到開走的時間且同時保持最高燃料經(jīng)濟性的壓力。這些壓力施加于以諸如乙醇之類的可替代燃料作為燃料的發(fā)動機以及以汽油作為燃料的那些發(fā)動機。
[0011 ] 在低溫發(fā)動機啟動期間，常規(guī)的火花點火式內(nèi)燃機由高碳氫化合物排放以及欠佳的燃料點火和可燃性來表征。除非發(fā)動機在停止和熱浸之后已經(jīng)處于高溫，不然盤車時間可能過度，或者發(fā)動機可能根本不啟動。在更高的速度和負載處，操作溫度得到提高并且燃料霧化和混合得到改善。
[0012]在實際的發(fā)動機冷啟動期間，完成啟動所必需的濃縮留下了不按化學(xué)計量的供給燃料，其體現(xiàn)為高尾管碳氫化合物排放。最糟糕的排放是在發(fā)動機操作的最初幾分鐘期間，在這之后催化劑和發(fā)動機接近操作溫度。關(guān)于以乙醇為燃料的車輛，因為燃料的乙醇百分比部分增加到100%，所以冷啟動的能力變得越來越弱，導(dǎo)致一些制造商包括雙燃料系統(tǒng)，其中發(fā)動機啟動以常規(guī)的汽油作為燃料且發(fā)動機運行以乙醇等級(ethanol grade)作為燃料。此類系統(tǒng)是昂貴且冗余的。
[0013]低溫處的冷啟動排放和啟動困難的另一種解決方案是將燃料預(yù)-加熱到當(dāng)被釋放到歧管或大氣壓時燃料迅速汽化或立即汽化(“快速沸騰”)的溫度。就考慮燃料狀態(tài)而目，預(yù)-加熱燃料復(fù)制了熱發(fā)動機。
[0014]已提出多種預(yù)-加熱的方法，其中大部分涉及燃料噴射器中的預(yù)加熱。燃料噴射器被廣泛地用于對進入汽車發(fā)動機的進氣歧管或汽缸中的燃料進行計量。燃料噴射器通常包括包含一定體積的加壓燃料的外殼、燃料入口部分、包含針閥的噴嘴部分、以及堵如電磁螺線管、壓電致動器、或用于致動針閥的其他機制之類的機電致動器。當(dāng)針閥被致動時，加壓燃料通過閥座中的孔口噴出并且進入發(fā)動機中。
[0015]已被用于燃料預(yù)加熱中的一種技術(shù)是用時-變磁場來感應(yīng)地加熱包括燃料噴射器的金屬元件。在本文通過引用而將其全部內(nèi)容包含在內(nèi)的第7677468號美國專利、第20070235569、20070235086、20070221874、20070221761 和 20070221747 號美國專利申請中公開了具有感應(yīng)加熱的示例性燃料噴射器。在幾何和材料方面適于通過由時-變磁場所感應(yīng)的滯后和渦流損耗來加熱的組件內(nèi)部，能量被轉(zhuǎn)換至熱量。
[0016]感應(yīng)燃料加熱器不僅在解決與汽油系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的上述問題中是有用的，而且在不具有冗余汽油燃料系統(tǒng)的情況下對乙醇等級燃料進行預(yù)加熱以完成成功啟動中是有用的。
[0017]因為感應(yīng)加熱技術(shù)使用時-變磁場，所以該系統(tǒng)包括用于在燃料噴射器中向感應(yīng)線圈提供適當(dāng)?shù)母哳l交流的電子器件。
[0018]常規(guī)的感應(yīng)加熱是通過功率的硬開關(guān)(hard-switching)、或當(dāng)開關(guān)設(shè)備中的電壓和電流這二者是非-零時進行開關(guān)來完成。通常，以諧振器、或儲能電路的自然諧振頻率附近的頻率來完成開關(guān)。諧振器包括被選擇和優(yōu)化成以適于使耦合到加熱組件中的能量最大化的頻率來諧振的電感器和電容器。
[0019]儲能電路的自然諧振頻率是/r = l/(2^VZc),其中L是電路電感并且C是電路電
容。諧振處的峰值電壓由電感器和電容器的能量損耗、或者電路的減小的品質(zhì)因數(shù)Q來限制。硬-開關(guān)能夠通過分別包括一對或兩對半導(dǎo)體開關(guān)的被稱為半橋式或全橋式電路的電路來實現(xiàn)。功率的硬-開關(guān)導(dǎo)致了開關(guān)噪聲的消極后果以及來自電壓供應(yīng)的諧振頻率處的高幅度電流脈沖或其諧波。同樣地，當(dāng)開關(guān)設(shè)備既不是完全傳導(dǎo)也不是完全絕緣時，在線性開啟和關(guān)閉時段期間硬開關(guān)消 耗功率。硬-開關(guān)電路的頻率越高，開關(guān)損耗越大。
[0020]因此，優(yōu)選的加熱器電路提供一種驅(qū)動加熱的燃料噴射器的方法，其中開關(guān)以最不可能中斷的功率來實現(xiàn)。在第7628340號、題為“Constant Current Zero-VoltageSwitching Induction Heater Driver for Variable Spray Injection，，的美國專利中公開了該加熱器電路。理想地，當(dāng)開關(guān)設(shè)備中的電壓或者電流這二者之一為零時，應(yīng)該將能量補充到儲能電路。眾所周知，電磁噪聲在零-電壓或零-電流開關(guān)期間較低，并且在零-電壓開關(guān)期間最低，這是第7628340號美國專利的方法。在零開關(guān)下，開關(guān)設(shè)備消耗最少功率也是眾所周知的。該理想的開關(guān)點每周期發(fā)生兩次，所述兩次是當(dāng)正弦波穿過零并反轉(zhuǎn)極性時；即，當(dāng)正弦波在從正到負的第一方向上穿過零時，以及當(dāng)正弦波在從負到正的第二方向上穿過零時。
[0021]減小感應(yīng)組件的尺寸是優(yōu)選的，并且在一些情況中消除阻抗-匹配變壓器同時保持到噴射器上的感應(yīng)加熱器線圈的最低必需連接是優(yōu)選的。進一步優(yōu)選的是，通過將相鄰電路的兼容功能進行合并來減少重復(fù)功能電路中的組件的總量。本發(fā)明的實施例繼續(xù)提供消除硬-開關(guān)和其消極后果，用零-電壓開關(guān)來代替它，并且在全橋拓撲中進一步應(yīng)用該方法同時有利地消除阻抗匹配變壓器并克服可替代解決方案的困難。
[0022]已經(jīng)單獨地公開了消除阻抗匹配變壓器和消除感應(yīng)加熱線圈的中心-抽頭，以使得僅兩個導(dǎo)體被用于功率傳輸。另外地，已經(jīng)單獨地公開了強制通過感應(yīng)加熱線圈的電流共享，同時允許感應(yīng)加熱器線圈的靈活性以及合適的電感和安阻(Ampere-Turns)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]通過用同步的半橋和對應(yīng)的減少數(shù)目的半導(dǎo)體開關(guān)來代替附加的全橋，本發(fā)明的實施例減少了全橋半導(dǎo)體開關(guān)的數(shù)目。本發(fā)明的實施例使用采用全橋、或H-橋配置的兩對功率開關(guān)晶體管的互補對，后面的互補對形成共享相鄰半橋的半橋以創(chuàng)建與原始全橋功率振蕩器同步的虛擬全橋的序列。
[0024]與全橋驅(qū)動器的偏離是通過在橋內(nèi)以橋臂(leg)電感器的形式來分布電感而形成多個恒定-電流電感器，該橋有利地進一步防止直通(shoot-through)電流,并且用諧振儲能電路來代替常規(guī)全橋的負載段。用對角對的交替序列來驅(qū)動晶體管互補對的柵極的振蕩器-同步固有零-開關(guān)拓撲也與常規(guī)的全橋驅(qū)動器相偏離。
[0025]另外地，儲能-補充電流通過感應(yīng)加熱器線圈和每個橋內(nèi)的至少一個橋臂電感器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的由上部處的全H-橋以及然后是具有被布置在每個橋中的橋臂電感器并且不具有變壓器并且不具有中心-抽頭感應(yīng)加熱器線圈的級聯(lián)半橋所組成的同步陣列的簡化電氣示意圖。
[0027]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有相鄰于高-側(cè)開關(guān)的橋臂電感器并且不具有變壓器并且不具有中心-抽頭的同步橋振蕩器的簡化電氣示意圖。
[0028]圖3a示出在沒有高-側(cè)開關(guān)的情況下的電流直通，并且圖3b示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有防止直通電流的橋臂中的電感器的全H-橋。
【具體實施方式】
[0029]理想地，當(dāng)開關(guān)設(shè)備中的電壓或電流這二者之一為零時，應(yīng)該給儲能電路補充能量。電磁噪聲在零-電壓或零-電流開關(guān)期間較低并且在零-電壓開關(guān)期間最低。開關(guān)設(shè)備在零開關(guān)下消耗最少功率。該理想開關(guān)點每周期發(fā)生兩次，所述兩次是當(dāng)正弦波穿過零并反轉(zhuǎn)極性時；即，當(dāng)正弦波在從正到負的第一方向上穿過零時，以及當(dāng)正弦波在從負到正的第二方向上穿過零時。
[0030]本發(fā)明的實施例消除硬-開關(guān)和其消極后果，并在全橋配置中用零-電壓開關(guān)代替它。本發(fā)明的同步全橋功率振蕩器加熱器驅(qū)動器的集成功能將參考圖2來解釋，圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的其中為了清楚起見而未示出許多基本組件的電路簡化表示。組件的特定或一般的值、評級、添加、包括、或排除不意在影響本發(fā)明的范圍。
[0031]LI可以位于燃料噴射器的內(nèi)部。LI是提供用于對合適的燃料-噴射器組件進行感應(yīng)加熱的安匝的感應(yīng)加熱器線圈。
[0032]根據(jù)本發(fā)明實施例的同步全橋功率振蕩器可以包括Rl、R2、D1、D2、Ql、Q2、Q3、Q4、L2、L3、Cl和LI。Ql和Q2是增強型N-MOSFET (N-溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體場-效應(yīng)晶體管)開關(guān)，其可替代地將儲能諧振器、Cl和L1、電路連接到地，以及當(dāng)每個被開啟而處于相應(yīng)的狀態(tài)時，使得電流能夠流過感應(yīng)加熱器線圈和地。Q3和Q4是增強型P-MOSFET (P-溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體場-效應(yīng)晶體管)開關(guān)，其可替代地將儲能諧振器、Cl和L1、電路連接到電壓供應(yīng)。用于儲能的補充電流通過L2或者通過L3這二者之一，以及其中Ql和Q2處于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，使得電流能夠流過感應(yīng)加熱器線圈。
[0033]Cl和LI分別是諧振儲能電路的儲能諧振器電容器和儲能諧振器電感器。儲能電路的諧振頻率是fr = /{2π4?δ)，其中L是加熱器線圈電感LI，并且C是儲能電容器Cl的電容。儲能電路中的峰值電壓通過Vtjut = *Vin來設(shè)置，其中Vin為供應(yīng)電壓。儲能電路中的電流級別根據(jù)p/2 的能量平衡來確定。
[0034]零開關(guān)功率振蕩器電路在振蕩方面是自-啟動的，但通過在完全-反轉(zhuǎn)H-橋策略中選擇性地對Q1-Q4的開關(guān)進行排序，可以使其強制進入振蕩。同時使電流在MOSFET的“漏極”和“源極”之間流動的互補對、或者本文中晶體管對是Q3和Q2、或者Q4和Q1。當(dāng)Q3流動電流時不希望使Ql流動電流，并且同樣地，當(dāng)Q4流動電流時不希望使Q2流動電流。L2和L3在H-橋晶體管的狀態(tài)改變期間，提供該瞬時分離。另外地，L2和L3將諧振儲能與電壓源隔離。當(dāng)Q3流動電流時，電流通過感應(yīng)加熱器線圈并且然后通過Q2至地。當(dāng)Q4流動電流時，電流在與當(dāng)Q3流動電流時的反向上通過感應(yīng)加熱器線圈，并且然后通過Ql至地，這是電流的“完全-反轉(zhuǎn)”。
[0035]MOSFET是具有關(guān)于到柵極中的庫侖電荷數(shù)量的閾值的設(shè)備，其是漏_源電流_依賴的。滿足電荷閾值將設(shè)備增強到“開”狀態(tài)中。第一及第二柵極電阻器R1、R2向H-橋的第一和第二橋臂供應(yīng)柵極充電電流。分別地，Rl供應(yīng)電流給Ql和Q3的柵極，R2供應(yīng)電流給Q2和Q4的柵極，并且Rl、R2分別限制流入第一和第二柵極二極管Dl、D2的電流。當(dāng)源極比柵極更正(positive)時，Q3和Q4、P-MOSFET在漏極和源極之間傳導(dǎo)。當(dāng)源極比柵極更負(negative)時，Ql和Q2、N-M0SFET在漏極和源極之間傳導(dǎo)。
[0036]由加熱組件的電阻及滯后損耗導(dǎo)致的加載反回體現(xiàn)為諧振儲能電路中的損耗。該損耗通過從L2或L3這二者之一的電流源電感器、從由相應(yīng)頂部橋晶體管Q3和Q4所施加的電壓供應(yīng)流出的電流來補充`。取決于電流在其中流動的H-橋的反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，電流將流過Q3或Q4這二者之一，并且然后通過感應(yīng)加熱器線圈LI。L2或L3將從存儲在其各自的磁場中的能量中供應(yīng)電流給儲能電路。在同步全橋功率振蕩器的操作期間，該能量分別從供應(yīng)電壓中作為恒定流入L2或L3的電流、從電壓源中通過Q3或Q4被補充。
[0037]如果電流流過Q3，如由該時間處的正弦波半-周期的極性所確定的，則從Q2漏-源至地的傳導(dǎo)通過正向偏壓的Dl將電荷拉(pull)出Q3和Ql的柵極。Ql目前還未傳導(dǎo)且未通過D2將柵極電荷拉出Q4和Q2至地。同時，Rl從供應(yīng)電壓中拖(draw)電流。但跨Rl的IR壓降(drop)不能夠?qū)3和Ql的柵極進行充電，其中柵極通過經(jīng)由Q2的傳導(dǎo)而分流至地。
[0038]當(dāng)正弦波穿過零時，則Q3變?yōu)榉聪蚱珘?，并通過內(nèi)部本征二極管傳導(dǎo)至反向-偏壓Dl。Dl停止將電流傳導(dǎo)離開Q3和Ql柵極，并且Rl能夠?qū)3和Ql的柵極進行充電，其停止Q3中的傳導(dǎo)并開始Ql中的傳導(dǎo)，以開始為繼續(xù)的正弦半-周期傳導(dǎo)電流。Ql也通過D2將柵極電荷拉出Q2和Q4至地，并將Q2保持在非-傳導(dǎo)狀態(tài)中，這繼續(xù)允許Rl增強Ql。并且Q4傳導(dǎo)。
[0039]隨著正弦波在從負到正的第一方向上并且然后在從正到負的第二方向上穿過零而交替極性，該過程重復(fù)。這產(chǎn)生感應(yīng)加熱器線圈LI中電流的完全-反轉(zhuǎn)。在儲能電路中從L2或L3繼續(xù)補充電流。如果N-MOSFET的本征二極管是通過添加跨IGBT (絕緣柵雙極晶體管)的漏極和源極的外部二極管來表示，那么在該實施例中IGBT設(shè)備能夠代替N-MOSFET。
[0040]圖1示出級聯(lián)半橋的擴展電路，其根據(jù)如上面所描述的全橋的操作原理并且參考圖2來操作。相對于圖2，圖1示出兩個附加的感應(yīng)加熱器線圈和兩個對應(yīng)的附加半橋。在圖2中所示出的實施例中，感應(yīng)加熱器線圈和半橋被布置成使得IHC1-1HC3的每個感應(yīng)加熱器線圈由對應(yīng)的半橋?qū)眚?qū)動=HBl和HB2驅(qū)動IHCl ；HB2和HB3驅(qū)動IHC2 ；以及HB3和HB4 驅(qū)動 IHC3。
[0041]圖3a示出了在沒有高-側(cè)開關(guān)的情況下的電流直通，并且圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的在橋臂中具有電感器的全H-橋，其例如通過強制電流通過燃料噴射器的感應(yīng)加熱器線圈來防止直通電流。
[0042]應(yīng)將前面的詳細描述理解為在每個方面中都是說明性和示例性的，而非限制性的，并且本文所公開的本發(fā)明的范圍不根據(jù)本發(fā)明的說明書來確定，而是根據(jù)如根據(jù)由專利法所允許的全部寬度所解釋的權(quán)利要求來確定。例如，雖然本發(fā)明的同步陣列功率振蕩器在本文中被描述成對用于內(nèi)燃機燃料噴射器中的加熱器的感應(yīng)加熱器線圈進行驅(qū)動，但是該驅(qū)動器可以被用來對其他應(yīng)用中的其他感應(yīng)加熱器進行驅(qū)動。應(yīng)理解的是，本文所示出和描述的實施例僅說明本發(fā)明的原理，并且可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員來實現(xiàn)各種修改而不背離本發(fā)明的范圍和精神。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電子感應(yīng)加熱器驅(qū)動器的同步陣列功率振蕩器，所述同步陣列功率振蕩器包括: 包括高-側(cè)和低-側(cè)半導(dǎo)體開關(guān)的橋電路拓撲的可擴展陣列； 在所述橋的橋臂之間在常規(guī)H-橋負載的拓撲位置中電氣地連接的諧振儲能電路，其中所述諧振儲能電路包括至少一個感應(yīng)加熱器線圈； 至少兩個橋臂電感器，每個均與所述橋內(nèi)的相鄰高-側(cè)開關(guān)和低-側(cè)開關(guān)電氣串聯(lián)； 其中橋開關(guān)定時由諧振儲能電路的同步頻率來確定。
2.權(quán)利要求1的同步陣列功率振蕩器，其中所述橋臂電感器在所述諧振儲能電路與所述高-側(cè)開關(guān)之間，以從電壓源將電流拉取至所述諧振儲能電路。
3.權(quán)利要求1的同步陣列功率振蕩器，其中所述橋臂電感器在所述諧振儲能電路和所述低-側(cè)開關(guān)之間，以從所述諧振儲能電路將電流灌至具有比所述電壓源更低的電壓的絕對電壓灌。
4.權(quán)利要求1的同步陣列功率振蕩器，其中通過整流二極管將電荷從橋的一個橋臂灌至所述橋的相對橋臂來實現(xiàn)橋同步。
5.權(quán)利要求1的同步陣列功率振蕩器，其中橋同步通過電阻器從所述電壓供應(yīng)拉取電荷來實現(xiàn)。
6.權(quán)利要求1的同步陣列功率振蕩器，其中所述至少兩個橋臂電感器中的每一個的電感大于所述感應(yīng)加熱器線圈的電感。
7.權(quán)利要求1的同步陣列功率振蕩器，其中所述至少兩個橋臂電感器中的每一個的電感大于所述感應(yīng)加熱器線圈的電感的兩倍。
【文檔編號】H03B5/12GK103733511SQ201280019643
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月22日
【發(fā)明者】P·齊梅克, M·霍恩比 申請人:大陸汽車系統(tǒng)美國有限公司