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的電子高頻感應加熱器驅動器，其使用利用具有在半導體開關之間的電感器的全橋和半橋拓撲的零-電壓開關振蕩器的可擴展陣列，其中每個橋內半導體開關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，所述感應加熱器驅動器通過自-振蕩串聯諧振來增加供應電壓，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的損耗組件的感應加熱器線圈，以使得燃料組件內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，并要求其優先權，其全部內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發明，并由代理人案號2011P00689US01識別；
[0005]“Synchronous Full-Bridge Power Oscillator”，由Perry Czimmek發明，并由代理人案號2011P00690US01識別；
[0006]“Synchronized Array Bridge Power Oscillator”，由 Perry Czimmek 和 MikeHornby發明，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發明，并由代理人案號2011P00693US01識別；以及
[0008]“Adaptive Current Limit Oscillator Starter，，，由 Perry Czimmek 發明，并由代理人案號2011P00694US01識別。
【背景技術】
[0009]本發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，涉及控制和驅動感應-加熱的燃料噴射器。
[0010]存在對改善內燃機的排放品質的持續需要。同時，存在最小化發動機盤車時間(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動機以及以汽油作為燃料的那些發動機。
[0011 ] 在低溫發動機啟動期間，常規的火花點火式內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。除非發動機在停止和熱浸之后已經處于高溫，不然盤車時間可能過度，或者發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]在實際的發動機冷啟動期間，完成啟動所必需的濃縮留下了不按化學計量的供給燃料，其體現為高尾管碳氫化合物排放。最糟糕的排放是在發動機操作的最初幾分鐘期間，在這之后催化劑和發動機接近操作溫度。關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，導致一些制造商包括雙燃料系統，其中發動機啟動以常規的汽油作為燃料且發動機運行以乙醇等級(ethanol grade)作為燃料。此類系統是昂貴且冗余的。
[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-加熱到當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。就考慮燃料狀態而目，預-加熱燃料復制了熱發動機。
[0014]已提出多種預-加熱的方法，其中大部分涉及燃料噴射器中的預加熱。燃料噴射器被廣泛地用于對進入汽車發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動機中。
[0015]已被用于燃料預加熱中的一種技術是用時-變磁場來感應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容包含在內的第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-變磁場所感應的滯后和渦流損耗來加熱的組件內部，能量被轉換至熱量。
[0016]感應燃料加熱器不僅在解決與汽油系統關聯的上述問題中是有用的，而且在不具有冗余汽油燃料系統的情況下對乙醇等級燃料進行預加熱以完成成功啟動中是有用的。
[0017]因為感應加熱技術使用時-變磁場，所以該系統包括用于在燃料噴射器中向感應線圈提供適當的高頻交流的電子器件。
[0018]常規的感應加熱是通過功率的硬開關(hard-switching)、或當開關設備中的電壓和電流這二者是非-零時進行開關來完成。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。諧振器包括被選擇和優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因數Q來限制。硬-開關能夠通過分別包括一對或兩對半導體開關的被稱為半橋式或全橋式電路的電路來實現。功率的硬-開關導致了開關噪聲的消極后果以及來自電壓供應的諧振頻率處的高幅度電流脈沖或其諧波。同樣地，當開關設備既不是完全傳導也不是完全絕緣時，在線性開啟和關閉時段期間硬開關消 耗功率。硬-開關電路的頻率越高，開關損耗越大。
[0020]因此，優選的加熱器電路提供一種驅動加熱的燃料噴射器的方法，其中開關以最不可能中斷的功率來實現。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，當開關設備中的電壓或者電流這二者之一為零時，應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-電流開關期間較低，并且在零-電壓開關期間最低，這是第7628340號美國專利的方法。在零開關下，開關設備消耗最少功率也是眾所周知的。該理想的開關點每周期發生兩次，所述兩次是當正弦波穿過零并反轉極性時；即，當正弦波在從正到負的第一方向上穿過零時，以及當正弦波在從負到正的第二方向上穿過零時。
[0021]減小感應組件的尺寸是優選的，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加熱器線圈的最低必需連接是優選的。進一步優選的是，通過將相鄰電路的兼容功能進行合并來減少重復功能電路中的組件的總量。本發明的實施例繼續提供消除硬-開關和其消極后果，用零-電壓開關來代替它，并且在全橋拓撲中進一步應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]已經單獨地公開了消除阻抗匹配變壓器和消除感應加熱線圈的中心-抽頭，以使得僅兩個導體被用于功率傳輸。另外地，已經單獨地公開了強制通過感應加熱線圈的電流共享，同時允許感應加熱器線圈的靈活性以及合適的電感和安阻(Ampere-Turns)。
【發明內容】
[0023]通過用同步的半橋和對應的減少數目的半導體開關來代替附加的全橋，本發明的實施例減少了全橋半導體開關的數目。本發明的實施例使用采用全橋、或H-橋配置的兩對功率開關晶體管的互補對，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]與全橋驅動器的偏離是通過在橋內以橋臂(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全橋的負載段。用對角對的交替序列來驅動晶體管互補對的柵極的振蕩器-同步固有零-開關拓撲也與常規的全橋驅動器相偏離。
[0025]另外地，儲能-補充電流通過感應加熱器線圈和每個橋內的至少一個橋臂電感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是示出根據本發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-抽頭感應加熱器線圈的級聯半橋所組成的同步陣列的簡化電氣示意圖。
[0027]圖2是示出根據本發明實施例的具有相鄰于高-側開關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-側開關的情況下的電流直通，并且圖3b示出根據本發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，當開關設備中的電壓或電流這二者之一為零時，應該給儲能電路補充能量。電磁噪聲在零-電壓或零-電流開關期間較低并且在零-電壓開關期間最低。開關設備在零開關下消耗最少功率。該理想開關點每周期發生兩次，所述兩次是當正弦波穿過零并反轉極性時；即，當正弦波在從正到負的第一方向上穿過零時，以及當正弦波在從負到正的第二方向上穿過零時。
[0030]本發明的實施例消除硬-開關和其消極后果，并在全橋配置中用零-電壓開關代替它。本發明的同步全橋功率振蕩器加熱器驅動器的集成功能將參考圖2來解釋，圖2是根據本發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明的范圍。
[0031]LI可以位于燃料噴射器的內部。LI是提供用于對合適的燃料-噴射器組件進行感應加熱的安匝的感應加熱器線圈。
[0032]根據本發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-半導體場-效應晶體管)開關，其可替代地將儲能諧振器、Cl和L1、電路連接到地，以及當每個被開啟而處于相應的狀態時，使得電流能夠流過感應加熱器線圈和地。Q3和Q4是增強型P-MOSFET (P-溝道金屬-氧化物-半導體場-效應晶體管)開關，其可替代地將儲能諧振器、Cl和L1、電路連接到電壓供應。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處于適當的狀態，使得電流能夠流過感應加熱器線圈。
[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來設置，其中Vin為供應電壓。儲能電路中的電流級別根據p/2 的能量平衡來確定。
[0034]零開關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H-橋策略中選擇性地對Q1-Q4的開關進行排序，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Q3流動電流時不希望使Ql流動電流，并且同樣地，當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Q3流動電流時，電流通過感應加熱器線圈并且然后通過Q2至地。當Q4流動電流時，電流在與當Q3流動電流時的反向上通過感應加熱器線圈，并且然后通過Ql至地，這是電流的“完全-反轉”。
[0035]MOSFET是具有關于到柵極中的庫侖電荷數量的閾值的設備，其是漏_源電流_依賴的。滿足電荷閾值將設備增強到“開”狀態中。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柵極充電電流。分別地，Rl供應電流給Ql和Q3的柵極，R2供應電流給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。當源極比柵極更正(positive)時，Q3和Q4、P-MOSFET在漏極和源極之間傳導。當源極比柵極更負(negative)時，Ql和Q2、N-M0SFET在漏極和源極之間傳導。
[0036]由加熱組件的電阻及滯后損耗導致的加載反回體現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、從由相應頂部橋晶體管Q3和Q4所施加的電壓供應流出的電流來補充`。取決于電流在其中流動的H-橋的反轉的狀態，電流將流過Q3或Q4這二者之一，并且然后通過感應加熱器線圈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目前還未傳導且未通過D2將柵極電荷拉出Q4和Q2至地。同時，Rl從供應電壓中拖(draw)電流。但跨Rl的IR壓降(drop)不能夠對Q3和Ql的柵極進行充電，其中柵極通過經由Q2的傳導而分流至地。
[0038]當正弦波穿過零時，則Q3變為反向偏壓，并通過內部本征二極管傳導至反向-偏壓Dl。Dl停止將電流傳導離開Q3和Ql柵極，并且Rl能夠對Q3和Ql的柵極進行充電，其停止Q3中的傳導并開始Ql中的傳導，以開始為繼續的正弦半-周期傳導電流。Ql也通過D2將柵極電荷拉出Q2和Q4至地，并將Q2保持在非-傳導狀態中，這繼續允許Rl增強Ql。并且Q4傳導。
[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。這產生感應加熱器線圈LI中電流的完全-反轉。在儲能電路中從L2或L3繼續補充電流。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設備能夠代替N-MOSFET。
[0040]圖1示出級聯半橋的擴展電路，其根據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加熱器線圈和兩個對應的附加半橋。在圖2中所示出的實施例中，感應加熱器線圈和半橋被布置成使得IHC1-1HC3的每個感應加熱器線圈由對應的半橋對來驅動=HBl和HB2驅動IHCl ；HB2和HB3驅動IHC2 ；以及HB3和HB4 驅動 IHC3。
[0041]圖3a示出了在沒有高-側開關的情況下的電流直通，并且圖3b示出了根據本發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加熱器線圈來防止直通電流。
[0042]應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明的范圍不根據本發明的說明書來確定，而是根據如根據由專利法所允許的全部寬度所解釋的權利要求來確定。例如，雖然本發明的同步陣列功率振蕩器在本文中被描述成對用于內燃機燃料噴射器中的加熱器的感應加熱器線圈進行驅動，但是該驅動器可以被用來對其他應用中的其他感應加熱器進行驅動。應理解的是，本文所示出和描述的實施例僅說明本發明的原理，并且可以由本領域的技術人員來實現各種修改而不背離本發明的范圍和精神。
【權利要求】
1.一種用于電子感應加熱器驅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-側和低-側半導體開關的橋電路拓撲的可擴展陣列； 在所述橋的橋臂之間在常規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加熱器線圈； 至少兩個橋臂電感器，每個均與所述橋內的相鄰高-側開關和低-側開關電氣串聯； 其中橋開關定時由諧振儲能電路的同步頻率來確定。
2.權利要求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-側開關之間，以從電壓源將電流拉取至所述諧振儲能電路。
3.權利要求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-側開關之間，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橋同步。
5.權利要求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拉取電荷來實現。
6.權利要求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加熱器線圈的電感。
7.權利要求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 優先權日:2011年4月22日
【發明者】P·齊梅克, M·霍恩比 申請人:大陸汽車系統美國有限公司