简介:为了实现缸内直喷汽油机(GDI)喷油量、喷油正时和喷油速率的精确控制,对喷油器驱动电路提出更高的要求。设计了一种GDI发动机喷油器驱动电路,该电路由BOOST升压、高端自举驱动和电流分段控制电路等模块组成,采用双电源供电,以硬件控制方式实现三段驱动反馈电流控制,节省了软件资源。实验表明,该电路可以有效减小喷油器的开启时间和关闭时间,满足喷油器对驱动性能的要求。
关键词:喷油器驱动电路;BOOST升压;高端自举驱动;电流分段控制
缸内直喷汽油机(GDI)燃油喷射系统将燃油以喷雾形式直接送入气缸中,在缸内实现油气混合。通过改善喷雾特性,在缸内形成理想混合气是GDI能够实现其
在燃油经济性和排放特性方面优势的关健。喷雾特性除与喷油器本身的特性有关外,还需要一个高效的喷油器驱动电路,实现对喷油量、喷油正时和喷油速率的精确
控制。北京航空航天大学开发了基于GDI喷油器专用驱动芯片L9707的喷油器驱动电路,但目前该芯片在国内市场上无法买到。为此,笔者设计了一种缸内直
喷汽油机喷油器驱动电路,采用运用芯片以硬件方式实现喷油器驱动所需的三段驱动电流,减少对软件资源的占用,满足GDI发动机对复杂喷射的要求。
1 驱动电路总体设计方案
如图1所示,理想的喷油器驱动电流要求分为3个阶段:上升阶段(T0—T1)、拾波阶段(T1—12)和保持阶段(T2—T3)。在上升阶段,需要一个高电压直接作用在喷油器电磁阀线圈上,加快驱动电流上升速度,以缩短喷油器开启时间;在拾波阶段,仍需提供较大保持电流,以防止电流突变导致喷油器针阀意外落座;在保持阶段,驱动电流下降到一个较小的值,保证喷油器处于打开状态且功耗降低。
喷油器驱动电路结构如图2所示,由升压电路、高端自举驱动电路、电流分段控制电路等组成,工作原理如下:
发动机喷油时,ECU同时产生选缸信号和高压触发信号,其中,选缸信号通过低端驱动电路控制相应缸号的低端MOSFET导通,其脉宽决定了喷油时间;高压
触发信号通过高端自举驱动电路控制高端MOSFET管M1导通,其脉宽决定了高电压通电时长。此时,通过升压电路得到的高电压VH对喷油器供电,形成较大
的电流,使喷油器快速开启。
高压触发信号结束时,其下降沿触发单稳态触发器,产生一个低电平信
号,控制基准电压设定电路产生一个高基准电压。当采样电压低于基准电压时,比较器输出高电平,通过与门逻辑输出高电平信号,允许高端MOSFET管M2工
作,低电压VL开始供电,电流增加。当采样电压高于基准电压时,比较器输出低电平。此时,M2截止,低电压VL停止供电,电流减小。如此循环,使第一段保
持电流始终稳定在由高基准电压确定的范围内。
单稳态触发器产生的低电平信号结束后,基准电压设定电路产生低基准电压。类似地,使第二段保持电流始终稳定在由低基准电压确定的范围内,直到喷油结束。
2 DC/DC升压电路
DC/DC升压电路采用BOOST变换方式。如图3所示,升压电路由电流型PWM控制器UC3843、多量程电流传感器LA28_NP、MOSFET Q1、储能电感L1、二板管D1、储能电容C4和电压反馈电阻R5、RV等组成。
BOOST升压原理是:当MOSFET管Q1导通时,二极管D1反相截止,电感线圈L1与供电电源形成闭合回路,能量以磁能形式储存在L1中;当MOSFET管Q1截止时,由于流过L1的电流不能发生突变,所以L1两端会产生一个与供电电源同向的感应电动势。在它们的共同作用下,二极管D1导通,以高于电源的电压向储能电容V4充电。如果MOSFET反复导通和截止,就可以在储能电容C4两端得到高于电源电压的电压输出。
UC3843通过FWM的方式控制BOOST电路的工作,其工作原理为:当电压反馈引脚VFB输入电压高于2.5 V时,输出引脚OUT为低电平,BOOST电路停止工作;当电压反馈引脚VFB输入电压低于2.5 V时,引脚OUT输出PWM信号,BOOST电路开始工作。
电容C4两端电压经电阻R5、RV分压后输入到VFB引脚。调整电阻R5、RV大小,使得输出电压为目标电压时,输入到VFB引脚的电压恰好为2.5V,从而实现对输出电压大小的控制。
PWM输出频率由Rt/Ct引脚外接的R3和C3确定,最大工作频率可达500 kHz,计算公式为:
高端自举驱动电路如图4所示,主要包括:栅极驱动芯片IR2110、MOSFET、自举电容C2、自举二极管D2。
栅极驱动芯片IR2110具有独立的高端和低端输入通道,高端工作电压可达500 V,输出的电源端电压范围为10~20 V,逻辑电源电压为5~15 V,可方便地与TTL、CMOS电平相匹配,具有工作频率高,导通、关断延迟小等特点。
高端自举驱动电路的工作原理如下:PWM信号H_IN输入到IR2110的高端信号输入引脚HIN,其反相信号L_IN输入到低端信号输入引脚LIN。当HIN引脚输入低电平、LIN引脚输入高电平时,HO输出为低电平,LO输出为高电平,此时,MOSFET管Q1导通,由+12V、D2、C2、Q1、GND构成的充电回路对自举电容C2充电;当HIN引脚输入高电平、LIN引脚输入低电平时,C2充电完毕,IR2110的引脚HO与引脚VB(C2正极)导通。此时,Q2栅源极电压高于其开启电压,高端MOSFET被打开,自举完成。此外,电阻R5和电容C5用于延时LO引脚信号输出,以防止高压端对地短路。
自举元件D2、C2的选取直接影响自举电路的驱动性能。在电路中,自举二极管起到隔离高端电源与低端电源的作用。当Q2导通时,其栅源极开启电压
VGS(th)完全由自举电容提供,选用超快速恢复二极管MUR160,能够承受电路中的全部电压,且可以减小自举电容反馈进电源的电荷量。此外,C2必
须具有足够的储能才能驱动Q2的栅极,应选用钽电容,并尽量靠近芯片。自举电容最小的电荷量可由式(3)计算:
如图5(A)所示,基准电压Vref大小由分压电阻R1、R2、R3和三极管S1共同决定:正常情况下,单稳态触发器输出保持高电平,三极管S1导通,Vref(5-0.6)x[R2/(R2+R3)];当高压触发信号结束时,其下降沿会触发单稳态触发器输出一个设定脉宽的低电平脉冲,三极管S1截止,Vref=5x(R1+R2)/(R1+R2+R3)]。
如图5(B)所示,电流反馈控制电路主要由电压比较器U1和与门U2构成,工作原理是:当Vref大于Vf时,U1输出高电平,与喷油脉宽信号和PWM信
号相与后,S_IN输出一个PWM信号,控制低压电源对喷油器供电,使电流不断上升,电流传感器反馈电压Vf也随着上升;当Vf大于Vref时,U1输出
低电平,与喷油脉宽信号和PWM信号相与后,S_IN输出低电平,低压电源停止对喷油器供电,使电流下降,直到Vf小于Vref。不断重复上述动作,实现
电流的反馈控制。
通过电流反馈和基准电压的共同作用实现了电流的分段控制。
5 实验验证和结论
对所设计的驱动电路进行试验,12 V电压经过升压后可以得到90 V高电压。设置喷油脉宽为5 ms,所测得的电流波形如图6所示。
喷油开始时,通过喷油器的电流在250μs内迅速上升到16 A使喷油器打开,随后在拾波阶段和保持阶段分别产生5 A和2.5 A的电流,以保持喷油器持续打开直至喷油结束。
所设计的驱动电路结构简单,实用性强。升压电路具有过流保护功能,有效地提高了驱动电路的安全系数。采用双电源供电方式,加快了喷油器的开启响速度;采用三段电流驱动方式,降低了系统功耗,有效地延长了喷油器的使用寿命。
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