[发明专利]一种用于高速电磁阀驱动的升压变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种低阻快速响应电磁阀驱动用升压变换器，属于高速执行器驱动领域，具体来说，是一种可增大输入输出升压倍数、提高升压变换模块功率密度、降低输出电压波动、减小输出电压恢复时间的高速电磁阀驱动用升压变换器。

背景技术

高速电磁阀在现代工业应用越来越广泛，不论是一般工业还是特别领域。一般工业中，高速响应电磁阀对于整个系统的控制精度和速度都有很大影响，电磁阀响应速度越快，系统控制越灵活，整体性能也越好。特别领域中，如汽车工业，高速电磁阀应用更为广泛。电控高压燃油喷射系统，防抱死ABS系统和电子气门系统都对高速电磁阀驱动有很大需求。在电控高压燃油喷射系统中，为了实现灵活精确的预喷射、主喷射、后喷射，甚至是多次喷射的要求，喷油器输出驱动响应时间必须很小。在防抱死ABS系统，高速液压电磁阀响应时间越小，ABS系统响应迟滞越小，性能也就越好。在电子气门系统中，高速电磁阀响应速度越快，进气气流响应也越快，发动机进气效果也越好。因此，高速电磁阀的快速响应对电磁阀的驱动方式和控制方式都带来很大挑战。

为了实现电磁阀在很短的时间内可靠开启和关闭，驱动电压和驱动电流必须比较大，同时为了防止电磁阀过热，电流不能上升的太大，故现有高速电磁阀驱动一般采用双电源的高低端驱动方式(参见申请号为200410033776.X的一种发动机用电磁阀驱动电路与申请号为200510011109.6的集成式双电压电磁阀驱动电路)。其实现方式为：由汽车蓄电池电压或者其他直流电源经直流升压变换得到高压电源部分，目标值一般至少为80V，最大值可达到150V左右。低压电源部分一般直接是汽车蓄电池电压或者其他直流电源。其控制方式采用两段电流方式：电磁阀开启时由高压电源驱动，电磁阀中电流迅速上升，达到峰值目标电流(一般在20A左右)后由低压电源对峰值电流进行调制直到电磁阀完全开启。电磁阀完全开启后，磁隙减小，所需维持开启状态的电磁力减小，采用低压电源对维持电流进行调制(一般在10A左右)，直到全部工作过程结束。其工作电流波形如图1所示，可以看出，在电磁阀开启阶段通过高压驱动、增加电流上升斜率减小了响应时间；同时由于对电磁阀电流进行调制控制，防止了电流持续增大，避免了电磁阀过热。

高速电磁阀采用双电压驱动，其高压电源一般不是单独提供，而是由低压电源经过直流升压变换得到。现阶段广泛采用的升压变换拓扑结构有单电感和反激变压器两种形式。其中，单电感直流升压电路实现，如图2所示，包括输入电源Vi，输入滤波电容Ci，升压电感L，升压控制器IC1，功率开关管M，电流采样电阻Rs，输出二极管D，输出电容Co，输出分压电阻R1和R2。在电流连续情况下，其输入电压Vi与输出电压Vo之间的关系为：Vo＝Vi/(1-D)，其中D为功率开关管控制信号占空比。理论情况下，随着占空比D的值不断接近1，输出电压Vo可以达到任意大的值。但考虑到实际情况，在采用PWM脉宽调制时，信号周期是一定的，占空比越大，开关管打开时间越长，而关断时间则越短。开关管打开时间长，意味着升压电感充电时间过长，磁路容易饱和，线圈会发热，效率会降低；开关管关断时间短，意味着升压电感放电时间短，电流不能下降到初始值，磁路不能复位，电流仍然持续增加最终导致磁路饱和，因此为了保证控制回路的稳定性，单电感的升压变换电路中，占空比一般控制在0.5左右，除非有特殊的补偿电路才允许占空比超过0.5，也即输出输入电压比值一般在2左右。除此之外，由于功率开关管M的漏极直接通过输出二极管D正向端和输出电容Co相连，开关管漏极电压很高，至少为输出二极管D正向压降和输出电压之和，也即功率开关管的漏极反向击穿电压必须至少大于输出电压才能保证对输出电容的充电，因此该升压变换形式对功率开关管漏极反向击穿电压要求很高，至少以输出电压Vo和输出二极管D正向电压压降之和为参考，同时还要保留一定的裕量，这样的高压功率管选择范围很窄，价格也比较高。