УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02P3/04 F02P23/04 H01T13/44 

Настоящее изобретение относится к устройствам генерирования высокого напряжения и, в частности, касается снижения напряжения на выходе коммутационного транзистора, включенного в такие устройства.

Предпочтительно, но не ограничительно, изобретение применяется для генерирования плазмы в газе с использованием таких устройств генерирования высокого напряжения и, в частности, для генерирования плазмы с помощью электродов свечи зажигания, используемой для управляемого зажигания двигателя внутреннего сгорания.

Принцип резонирующей свечи лежит в основе использования резонансной системы катушка-конденсатор, которая содержит два электрода (один из которых содержит основание), разделенные диэлектрическим материалом, таким как керамика. Этот высокочастотный резонатор обычно называют «катушкой-свечой». Этот резонатор запитывается от генератора напряжения, выполненного с возможностью выдачи последовательности высокочастотных командных импульсов, поступающих на управляющий электрод коммутационного транзистора импульсного генератора напряжения.

В частности, кроме коммутационного транзистора, управляемого последовательностью высокочастотных командных импульсов, этот импульсный генератор содержит систему из катушки и конденсатора, соединенных параллельно и питаемых средним напряжением.

Комбинация этого импульсного генератора напряжения и последовательного индуктивно-емкостного резонатора («катушка-свеча») образует устройство генерирования высокого напряжения, которое специалисты обычно называют «усилителем псевдо класса Е».

Как было указано выше, управление коммутационным транзистором осуществляют при помощи высокочастотного напряжения (последовательности управляющих импульсов), подаваемого на затвор транзистора. Когда транзистор находится в состоянии пропускания, ток протекает в катушке, тогда как, если транзистор блокирован, ток, с одной стороны, заряжает конденсатор и, с другой стороны, питает катушку последовательного резонатора. Потенциал стока транзистора повышается. Это высокое напряжение периодически питает последовательный резонатор (катушка-свеча), который, благодаря высокой добротности, создает высокое напряжение, которое приводит к появлению искры. Такие генераторы описаны в патентных заявках FR 03-10766, FR 03-10767 и FR 03-10768.

Усилители псевдо класса Е можно также применять для ультразвуковых устройств впрыска. Ультразвуковое возбуждение пьезоэлектрических инжекторов требует генерирования высокого напряжения от 200 до 1800 В с полным размахом колебания, модулированного по частоте от 25 до 50 кГц.

Независимо от предусматриваемого применения, усилитель псевдо класса Е требует наличия управляющего транзистора, который может выдерживать требуемые уровни мощности и напряжения и который позволяет существенно сократить число разнообразных компонентов.

Настоящее изобретение предлагает решение, которое позволяет снизить напряжение, выдаваемое на выходе силового транзистора, при сохранении достаточного напряжения на контактах последовательного резонатора.

Объектом настоящего изобретения является устройство генерирования высокого напряжения, содержащее индуктивно-емкостной резонатор, выполненный с возможностью усиления высокого напряжения, средства генерирования последовательности высокочастотных управляющих импульсов, источник напряжения, конденсатор и генератор напряжения, содержащий коммутационный транзистор, управляющий электрод которого соединен с выходом средств генерирования последовательности высокочастотных управляющих импульсов, при этом исток коммутационного транзистора соединен с массой, а сток коммутационного транзистора выполнен с возможностью выдачи последовательности импульсов напряжения на индуктивно-емкостной резонатор в ответ на последовательность импульсов напряжения, поступающую на управляющий электрод коммутационного транзистора. Сток коммутационного транзистора соединен с индуктивно-емкостным резонатором через изолирующий трансформатор, при этом изолирующий трансформатор параллельно соединен с конденсатором и, кроме того, изолирующий трансформатор соединен с источником напряжения.

Первичная обмотка изолирующего трансформатора может быть соединена одним контактом со стоком управляющего транзистора, а другим контактом с источником напряжения, при этом первичная обмотка изолирующего трансформатора параллельно соединена с конденсатором.

Вторичная обмотка изолирующего трансформатора может быть соединена одним контактом с индуктивно-емкостным резонатором, а другим контактом с массой, при этом указанная масса тоже соединена с индуктивно-емкостным резонатором.

Устройство генерирования высокого напряжения может содержать гальваническую развязку, изолирующую первичную обмотку и вторичную обмотку, при этом компоненты и масса, соединенные с одной обмоткой, изолированы указанной гальванической развязкой от компонентов и массы, соединенных с другой обмоткой.

Масса, содержащаяся в цепи, соединенной с вторичной обмоткой, может быть отдельной и изолированной от массы, содержащейся в цепи, соединенной с первичной обмоткой.

Средства генерирования последовательности управляющих импульсов могут содержать генератор фиксированной частоты.

Другие преимущества и признаки настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания не ограничительных вариантов выполнения со ссылками на единственную прилагаемую фигуру, иллюстрирующую пример электронного выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на единственной прилагаемой фигуре, импульсный генератор напряжения GENI содержит блок соединенных параллельно трансформатора TRANS и конденсатора С1, а также коммутационный транзистор M1, в данном случае представляющий собой силовой полевой МОП-транзистор с N-каналом, управляемый на затворе G последовательностью управляющих импульсов, генерируемой в данном случае генератором фиксированной частоты OSC. Этой частотой является высокая частота, как правило, порядка нескольких МГц и превышающая 1 МГц. Трансформатор TRANS содержит первичную обмотку с N1 витками и вторичную обмотку с N2 витками. Один контакт вторичной обмотки соединен с первым контактом индуктивно-емкостного резонатора RS2, образованного резистором R2, катушкой индуктивности L2 и конденсатором С2. Другой контакт последовательного резонатора RS2 соединен с массой и с резистором R3, соединенным с другим контактом вторичной обмотки. Резистор R3 может быть либо в виде проводного соединения, соединяющего второй контакт вторичной обмотки с массой и проявляющего омический характер, либо в виде физического компонента, предназначенного для измерения тока, протекающего в последовательном резонаторе RS2. В этом последнем случае значение сопротивления этого компонента выбирают очень низким по сравнению со значением сопротивления R2 в резонаторе RS2, чтобы не ухудшать характеристики (добротность) резонатора RS2 и не вызывать чрезмерного нагрева компонента. Гальваническая развязка IG разделяет две обмотки трансформатора TRANS. Гальваническая развязка IG разделяет также компоненты, соединенные с первичной обмоткой, от компонентов, соединенных с вторичной обмоткой. Последовательный резонатор RS2, называемый также индуктивно-емкостным резонатором, может быть включен в свечу генерирования плазмы или в пьезоэлектрический или ультразвуковой инжектор.

Собственная частота последовательного резонатора, образованного катушкой индуктивности L2 и конденсатором С2, тоже представляет собой высокую частоту, например, превышающую 1 МГц, с показателем добротности, например, составляющим от 40 до 200.

Импульсный генератор GENI запитывается от источника постоянного напряжения VMT, выдающего среднее напряжение, как правило, ниже 1000 В.

Кроме того, предпочтительно этот источник напряжения VMT имеет ограниченную мощность, чтобы энергия, подаваемая между электродами свечи, тоже была ограничена, например значением 300 мДж, для осуществления зажигания, а также из соображений безопасности. Для генерирования постоянного напряжения со значением выше 12 В, применяемого для автомобиля, можно использовать преобразователь напряжения 12 В в напряжение Y вольт, при этом Y является напряжением, выдаваемым источником питания VMT. Можно также генерировать постоянное напряжение необходимого уровня при помощи батареи.

Поскольку стабильность генерируемого постоянного напряжения не является определяющим критерием, можно, например, для питания генератора GENI использовать источник питания с квантованием с учетом его характеристик надежности и простоты.

Когда транзистор M1 пропускает, ток протекает в катушке L1. Когда транзистор M1 блокирован, ток заряжает конденсатор С1 и одновременно питает катушку L2.

Потенциал стока D транзистора M1 повышается.

Это повышенное напряжение, как правило, порядка нескольких сот вольт периодически питает последовательный резонатор RS2, который, благодаря высокой добротности, создает высокое напряжение НТ, которое может генерировать искру.

Благодаря трансформатору, напряжение на контактах первичной обмотки и, следовательно, на выходе силового транзистора, может быть снижено. Действительно, коэффициент трансформации М равен соотношению числа витков N₁ и N₂ первичной и вторичной обмоток, которое, в свою очередь, равно соотношению значений напряжения U₁ и U₂ первичной и вторичной обмоток:

$$M=\frac{N_2}{N_1}=\frac{U_2}{U_1}$$

Таким образом, если необходимо получить напряжение U₁ на контактах последовательного резонатора RS2, то есть на контактах вторичной обмотки N₂, достаточно получить напряжение U₂ на контактах первичной обмотки N₁, равное:

$$U_2=\frac{U_1}{M}$$

Конструкция и технологии, применяемые для изготовления трансформатора, тоже являются двумя основными факторами для обеспечения нормальной работы усилителя псевдо класса Е.

Использование воздушного трансформатора является более предпочтительным, учитывая применяемые частоты. Можно также применять альтернативные решения, но в этом случае КПД преобразования будет более низким.

Обмотку выполняют, например, при помощи коаксиального провода, экранированного оплеткой, соединенной с массой, чтобы ограничить высокочастотные возмущения.

В случае использования усилителя псевдо класса Е для ультразвукового впрыска производственные требования можно снизить, чтобы учитывать более низкие используемые частоты.

Кроме того, необходимо отметить, что использование трансформатора имеет несколько существенных преимуществ перед катушкой индуктивности.

По сравнению с приложениями для радиочастотного зажигания, описанными во французских патентах FR 03-10766, FR 03-10767 и FR 03-10768, использование трансформатора позволяет отказаться от последовательного конденсатора, устанавливаемого между выходом усилителя псевдо класса Е и нагрузкой многоискровой свечи (ВМЕ), а также от фильтра общего режима типа Балуна. Кроме того, можно включить измерение тока ионизации, например, на резисторе R3.

С другой стороны, использование изолирующего трансформатора позволяет исключить постоянную составляющую сигнала на входе последовательного резонатора RS2, снижая, таким образом, максимальное напряжение, подаваемое на провод, но сохраняя при этом амплитуду сигнала. Отсюда следует, что требования, предъявляемые к изоляции провода, являются менее строгими, чем в случае усилителя псевдо класса Е без трансформатора. В этом случае ассортимент применяемых проводов является более широким.

Если говорить о безопасности работы, то усилитель псевдо класса Е с трансформатором позволяет изолировать конденсатор С1 и источник питания от проводов соединения с последовательным резонатором RS2. Таким образом, короткое замыкание на этих проводах или между одним из этих проводов и массой не может привести к электрическому удару.

Наконец, использование трансформатора позволяет уменьшить электромагнитные возмущения, создаваемые током общего режима. Действительно, поскольку масса последовательного резонатора RS2 изолирована от массы транзистора M1, электромагнитные возмущения, создаваемые во время генерирования искры зажигания или во время ультразвукового генерирования, не могут передаваться к транзистору M1 и к электронным схемам управления через общую массу. Тем более что соединительные провода содержат оплетку, соединенную с массой, и экран, включенный в оболочку. Для еще лучшей изоляции с массой можно соединить один конец или оба конца оплетки, при этом возврат тока через R3 обеспечивается другим проводником.

Изобретение относится к устройствам генерирования высокого напряжения и может быть использовано для генерирования плазмы с помощью свечи зажигания, используемой для управляемого зажигания двигателя внутреннего сгорания. Техническим результатом является снижение напряжения, выдаваемого на выходе силового транзистора, при сохранении достаточного напряжения на контактах последовательного резонатора. Устройство генерирования высокого напряжения содержит индуктивно-емкостной резонатор (RS2) для усиления высокого напряжения, средство генерирования последовательности высокочастотных управляющих импульсов, источник напряжения (VMT), конденсатор (С1) и генератор напряжения (GENI) с коммутационным транзистором (M1), управляющий электрод (G) которого соединен с выходом средств генерирования последовательности высокочастотных управляющих импульсов. Исток (S) коммутационного транзистора (M1) соединен с массой, его сток (D) обеспечивает подачу последовательности управляющих импульсов на индуктивно-емкостной резонатор (RS2) в ответ на последовательность импульсов напряжения, поступающую на управляющий электрод (G) коммутационного транзистора (M1). Сток (D) коммутационного транзистора (M1) соединен с индуктивно-емкостным резонатором (RS2) через изолирующий трансформатор (TRANS), при этом изолирующий трансформатор (TRANS) параллельно соединен с конденсатором (С1) и с источником напряжения (VMT). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство генерирования высокого напряжения, содержащее индуктивно-емкостной резонатор (RS2), выполненный с возможностью усиления высокого напряжения, средства генерирования последовательности высокочастотных управляющих импульсов, источник напряжения (VMT), конденсатор (С1) и генератор напряжения (GENI), содержащий коммутационный транзистор (M1), управляющий электрод (G) которого соединен с выходом средств генерирования последовательности высокочастотных управляющих импульсов, при этом исток (S) коммутационного транзистора (M1) соединен с массой, а сток (D) коммутационного транзистора (M1) выполнен с возможностью выдачи последовательности импульсов напряжения на индуктивно-емкостной резонатор (RS2) в ответ на последовательность управляющих импульсов, поступающую на управляющий электрод (G) коммутационного транзистора (M1), причем сток (D) коммутационного транзистора (M1) соединен с индуктивно-емкостным резонатором (RS2) через изолирующий трансформатор (TRANS), при этом изолирующий трансформатор (TRANS) параллельно соединен с конденсатором (С1) и также соединен с источником напряжения (VMT).

2. Устройство генерирования высокого напряжения по п.1, в котором первичная обмотка (N1) изолирующего трансформатора (TRANS) соединена одним контактом со стоком (D) управляющего транзистора (M1), а другим контактом с источником напряжения (VMT), при этом первичная обмотка (N1) изолирующего трансформатора (TRANS) параллельно соединена с конденсатором (С1).

3. Устройство генерирования высокого напряжения по п.1, в котором вторичная обмотка (N2) изолирующего трансформатора (TRANS) соединена одним контактом с индуктивно-емкостным резонатором (RS2), а другим контактом с массой, при этом указанная масса также соединена с индуктивно-емкостным резонатором (RS2).

4. Устройство генерирования высокого напряжения по п.1, дополнительно содержащее гальваническую развязку (IG), изолирующую первичную обмотку (N1) и вторичную обмотку (N2), при этом компоненты и масса, соединенные с одной обмоткой, изолированы указанной гальванической развязкой (IG) от компонентов и массы, соединенных с другой обмоткой.

5. Устройство генерирования высокого напряжения по п.4, в котором масса, присутствующая в цепи, соединенной с вторичной обмоткой (N2), является отдельной и изолированной от массы, присутствующей в цепи, соединенной с первичной обмоткой (N1).

6. Устройство генерирования высокого напряжения по п.1, в котором средства генерирования последовательности управляющих импульсов содержат генератор фиксированной частоты (OSC).

7. Применение устройства генерирования высокого напряжения по любому из пп.1-6 для управляемого зажигания в двигателе внутреннего сгорания.