缸內(nèi)直噴汽油機(jī)高壓噴油器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)噴油量、噴油正時(shí)和噴油速率的精確控制，對(duì)噴油器驅(qū)動(dòng)電路提出更高的要求。設(shè)計(jì)了一種GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)電路，該電路由BOOST升壓、高端自舉驅(qū)動(dòng)和電流分段控制電路等模塊組成，采用雙電源供電，以硬件控制方式實(shí)現(xiàn)三段驅(qū)動(dòng)反饋電流控制，節(jié)省了軟件資源。實(shí)驗(yàn)表明，該電路可以有效減小噴油器的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間，滿足噴油器對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求。
關(guān)鍵詞：噴油器驅(qū)動(dòng)電路；BOOST升壓；高端自舉驅(qū)動(dòng)；電流分段控制

    缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)燃油噴射系統(tǒng)將燃油以噴霧形式直接送入氣缸中，在缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)油氣混合。通過(guò)改善噴霧特性，在缸內(nèi)形成理想混合氣是GDI能夠?qū)崿F(xiàn)其在燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性方面優(yōu)勢(shì)的關(guān)健。噴霧特性除與噴油器本身的特性有關(guān)外，還需要一個(gè)高效的噴油器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量、噴油正時(shí)和噴油速率的精確控制。北京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于GDI噴油器專用驅(qū)動(dòng)芯片L9707的噴油器驅(qū)動(dòng)電路，但目前該芯片在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上無(wú)法買到。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)電路，采用運(yùn)用芯片以硬件方式實(shí)現(xiàn)噴油器驅(qū)動(dòng)所需的三段驅(qū)動(dòng)電流，減少對(duì)軟件資源的占用，滿足GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)復(fù)雜噴射的要求。

1 驅(qū)動(dòng)電路總體設(shè)計(jì)方案
    如圖1所示，理想的噴油器驅(qū)動(dòng)電流要求分為3個(gè)階段：上升階段(T0—T1)、拾波階段(T1—12)和保持階段(T2—T3)。在上升階段，需要一個(gè)高電壓直接作用在噴油器電磁閥線圈上，加快驅(qū)動(dòng)電流上升速度，以縮短噴油器開(kāi)啟時(shí)間；在拾波階段，仍需提供較大保持電流，以防止電流突變導(dǎo)致噴油器針閥意外落座；在保持階段，驅(qū)動(dòng)電流下降到一個(gè)較小的值，保證噴油器處于打開(kāi)狀態(tài)且功耗降低。

    噴油器驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由升壓電路、高端自舉驅(qū)動(dòng)電路、電流分段控制電路等組成，工作原理如下：

    發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)，ECU同時(shí)產(chǎn)生選缸信號(hào)和高壓觸發(fā)信號(hào)，其中，選缸信號(hào)通過(guò)低端驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)缸號(hào)的低端MOSFET導(dǎo)通，其脈寬決定了噴油時(shí)間；高壓觸發(fā)信號(hào)通過(guò)高端自舉驅(qū)動(dòng)電路控制高端MOSFET管M1導(dǎo)通，其脈寬決定了高電壓通電時(shí)長(zhǎng)。此時(shí)，通過(guò)升壓電路得到的高電壓VH對(duì)噴油器供電，形成較大的電流，使噴油器快速開(kāi)啟。
    高壓觸發(fā)信號(hào)結(jié)束時(shí)，其下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，控制基準(zhǔn)電壓設(shè)定電路產(chǎn)生一個(gè)高基準(zhǔn)電壓。當(dāng)采樣電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出高電平，通過(guò)與門邏輯輸出高電平信號(hào)，允許高端MOSFET管M2工作，低電壓VL開(kāi)始供電，電流增加。當(dāng)采樣電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出低電平。此時(shí)，M2截止，低電壓VL停止供電，電流減小。如此循環(huán)，使第一段保持電流始終穩(wěn)定在由高基準(zhǔn)電壓確定的范圍內(nèi)。
    單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的低電平信號(hào)結(jié)束后，基準(zhǔn)電壓設(shè)定電路產(chǎn)生低基準(zhǔn)電壓。類似地，使第二段保持電流始終穩(wěn)定在由低基準(zhǔn)電壓確定的范圍內(nèi)，直到噴油結(jié)束。
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2 DC／DC升壓電路
    DC／DC升壓電路采用BOOST變換方式。如圖3所示，升壓電路由電流型PWM控制器UC3843、多量程電流傳感器LA28_NP、MOSFET Q1、儲(chǔ)能電感L1、二板管D1、儲(chǔ)能電容C4和電壓反饋電阻R5、RV等組成。

    BOOST升壓原理是：當(dāng)MOSFET管Q1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1反相截止，電感線圈L1與供電電源形成閉合回路，能量以磁能形式儲(chǔ)存在L1中；當(dāng)MOSFET管Q1截止時(shí)，由于流過(guò)L1的電流不能發(fā)生突變，所以L1兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與供電電源同向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在它們的共同作用下，二極管D1導(dǎo)通，以高于電源的電壓向儲(chǔ)能電容V4充電。如果MOSFET反復(fù)導(dǎo)通和截止，就可以在儲(chǔ)能電容C4兩端得到高于電源電壓的電壓輸出。
    UC3843通過(guò)FWM的方式控制BOOST電路的工作，其工作原理為：當(dāng)電壓反饋引腳VFB輸入電壓高于2．5 V時(shí)，輸出引腳OUT為低電平，BOOST電路停止工作；當(dāng)電壓反饋引腳VFB輸入電壓低于2．5 V時(shí)，引腳OUT輸出PWM信號(hào)，BOOST電路開(kāi)始工作。
    電容C4兩端電壓經(jīng)電阻R5、RV分壓后輸入到VFB引腳。調(diào)整電阻R5、RV大小，使得輸出電壓為目標(biāo)電壓時(shí)，輸入到VFB引腳的電壓恰好為2．5V，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓大小的控制。
    PWM輸出頻率由Rt／Ct引腳外接的R3和C3確定，最大工作頻率可達(dá)500 kHz，計(jì)算公式為：
   
    電流傳感器LA28_NP對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，與UC3843配合工作，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能。當(dāng)LA28_NP檢測(cè)到流過(guò)蓄能電感L1的電流為I1時(shí)，其信號(hào)輸出引腳M產(chǎn)生與I1成正比的電流I1／k(k=1 000)，經(jīng)過(guò)采樣電阻RS轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)后，送入U(xiǎn)C3843的電流取樣引腳sense。當(dāng)Isense引腳輸入電壓高于1．0 V時(shí)，UC3843啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)功能，OUT引腳停止輸出PWM波，升壓電路停止工作。
    因此，通過(guò)調(diào)整電阻RS的阻值，即可確定允許流過(guò)蓄能電感L1的最大電流IPk，IPK與采樣電阻RS的關(guān)系為：
   

3 高端自舉驅(qū)動(dòng)電路
    為保證MOSFET飽和導(dǎo)通，柵極與源極之間的壓差應(yīng)大于其開(kāi)啟電壓VGS(th)，且柵極電壓一般以地為參考點(diǎn)。在噴油器驅(qū)動(dòng)電路中，高端MOSFET的柵極接電源，源板接噴油器。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高端自舉驅(qū)動(dòng)電路，以提高柵極的驅(qū)動(dòng)電壓，保證高端MOSFET的正常工作。[!--empirenews.page--]
    高端自舉驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，主要包括：柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2110、MOSFET、自舉電容C2、自舉二極管D2。

    柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2110具有獨(dú)立的高端和低端輸入通道，高端工作電壓可達(dá)500 V，輸出的電源端電壓范圍為10～20 V，邏輯電源電壓為5～15 V，可方便地與TTL、CMOS電平相匹配，具有工作頻率高，導(dǎo)通、關(guān)斷延遲小等特點(diǎn)。
    高端自舉驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如下：PWM信號(hào)H_IN輸入到IR2110的高端信號(hào)輸入引腳HIN，其反相信號(hào)L_IN輸入到低端信號(hào)輸入引腳LIN。當(dāng)HIN引腳輸入低電平、LIN引腳輸入高電平時(shí)，HO輸出為低電平，LO輸出為高電平，此時(shí)，MOSFET管Q1導(dǎo)通，由+12V、D2、C2、Q1、GND構(gòu)成的充電回路對(duì)自舉電容C2充電；當(dāng)HIN引腳輸入高電平、LIN引腳輸入低電平時(shí)，C2充電完畢，IR2110的引腳HO與引腳VB(C2正極)導(dǎo)通。此時(shí)，Q2柵源極電壓高于其開(kāi)啟電壓，高端MOSFET被打開(kāi)，自舉完成。此外，電阻R5和電容C5用于延時(shí)LO引腳信號(hào)輸出，以防止高壓端對(duì)地短路。
    自舉元件D2、C2的選取直接影響自舉電路的驅(qū)動(dòng)性能。在電路中，自舉二極管起到隔離高端電源與低端電源的作用。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，其柵源極開(kāi)啟電壓VGS(th)完全由自舉電容提供，選用超快速恢復(fù)二極管MUR160，能夠承受電路中的全部電壓，且可以減小自舉電容反饋進(jìn)電源的電荷量。此外，C2必須具有足夠的儲(chǔ)能才能驅(qū)動(dòng)Q2的柵極，應(yīng)選用鉭電容，并盡量靠近芯片。自舉電容最小的電荷量可由式(3)計(jì)算：
   
    式中：Q1為MOSFET柵極電荷；f為工作頻率；Iqbs(max)為高端驅(qū)動(dòng)最大靜態(tài)電流；ICbs(leak)為自舉電容漏電流；Qls為每個(gè)工作周期內(nèi)電平轉(zhuǎn)換電路中的電荷。
    自舉電容必須能夠提供不低于上述要求的電荷，為保證一定的裕量，自舉電容上的電荷必須是最小電荷量的兩倍。利用式(4)可以計(jì)算自舉電容的電容量：
   
    式中：Vf為自舉二極管的正向壓降；VLS為低端MOSFET的壓降；VMfin為Vb與Vc之間的最小壓差。由式(3)(4)計(jì)算得自舉電容應(yīng)當(dāng)大于0．26μF，實(shí)際選取0．47μF，耐壓為35V的鉭電容。

4 電流分段控制電路
    電流分段控制電路由基準(zhǔn)電壓設(shè)定電路A和電流反饋控制電路B組成，如圖5所示。其中，電流傳感器反饋電壓Vf與噴油器驅(qū)動(dòng)電流大小成正比，拾波和保持階段驅(qū)動(dòng)電流的大小則通過(guò)輸出信號(hào)S_IN控制噴油器低壓電源的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    如圖5(A)所示，基準(zhǔn)電壓Vref大小由分壓電阻R1、R2、R3和三極管S1共同決定：正常情況下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出保持高電平，三極管S1導(dǎo)通，Vref(5-0．6)x[R2／(R2+R3)]；當(dāng)高壓觸發(fā)信號(hào)結(jié)束時(shí)，其下降沿會(huì)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出一個(gè)設(shè)定脈寬的低電平脈沖，三極管S1截止，Vref=5x(R1+R2)／(R1+R2+R3)]。
    如圖5(B)所示，電流反饋控制電路主要由電壓比較器U1和與門U2構(gòu)成，工作原理是：當(dāng)Vref大于Vf時(shí)，U1輸出高電平，與噴油脈寬信號(hào)和PWM信號(hào)相與后，S_IN輸出一個(gè)PWM信號(hào)，控制低壓電源對(duì)噴油器供電，使電流不斷上升，電流傳感器反饋電壓Vf也隨著上升；當(dāng)Vf大于Vref時(shí)，U1輸出低電平，與噴油脈寬信號(hào)和PWM信號(hào)相與后，S_IN輸出低電平，低壓電源停止對(duì)噴油器供電，使電流下降，直到Vf小于Vref。不斷重復(fù)上述動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電流的反饋控制。
    通過(guò)電流反饋和基準(zhǔn)電壓的共同作用實(shí)現(xiàn)了電流的分段控制。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)論
    對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行試驗(yàn)，12 V電壓經(jīng)過(guò)升壓后可以得到90 V高電壓。設(shè)置噴油脈寬為5 ms，所測(cè)得的電流波形如圖6所示。

    噴油開(kāi)始時(shí)，通過(guò)噴油器的電流在250μs內(nèi)迅速上升到16 A使噴油器打開(kāi)，隨后在拾波階段和保持階段分別產(chǎn)生5 A和2．5 A的電流，以保持噴油器持續(xù)打開(kāi)直至噴油結(jié)束。
    所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。升壓電路具有過(guò)流保護(hù)功能，有效地提高了驅(qū)動(dòng)電路的安全系數(shù)。采用雙電源供電方式，加快了噴油器的開(kāi)啟響速度；采用三段電流驅(qū)動(dòng)方式，降低了系統(tǒng)功耗，有效地延長(zhǎng)了噴油器的使用壽命。