DE102015211400B3

DE102015211400B3 - Verfahren zum Ansteuern einer eine kapazitive Last entladenden Stromsenke

Info

Publication number: DE102015211400B3
Application number: DE102015211400.7A
Authority: DE
Inventors: Vincent Dian; Martin Götzenberger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-06-23
Also published as: KR101807400B1; KR20160150578A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer eine kapazitive Last (CL) ab einem Aktivierungszeitpunkt (t0) entladenden, geregelten Stromsenke, deren Lastpfad mit einem Feldeffekttransistor (T1) gebildet ist, bei dem die Stromsenke eine vorgegebene Zeitdauer vor dem Aktivierungszeitpunkt (t0) mit einem Steuersignal (Isoll) angesteuert wird, dessen Amplitude ausreicht, durch eine Regelschaltung (OP, R1, C1, R2, R3) eine Gatespannung (UG) am Feldeffekttransistor (T1) anzulegen, die nur geringfügig über dessen Schwellwertspannung (Uth) liegt, wobei die vorgegebene Zeitdauer von dem Regelverhalten der Regelschaltung (OP, R1, Cl, R2, R3) und der Gate-Source-Kapazität des Feldeffekttransistors (T1) abhängt und so gewählt ist, dass zum Aktivierungszeitpunkt (t0) die Gatespannung (UG) zumindest den Wert der Schwellwertspannung (Uth) des Feldeffekttransistors (T1) hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer eine kapazitive Last ab einem Aktivierungszeitpunkt entladenden, geregelten Stromsenke, deren Lastpfad mit einem Feldeffekttransistor gebildet ist.
Eine solche Stromsenke ist aus der WO 2007/009862 A1 bekannt. Die dortige geregelte Stromsenke wird zum Restentladen von Piezoaktoren in Kraftstoffeinspritzventilen für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen verwendet.
Solche Piezoaktoren werden üblicherweise über Schaltregler zu genau vorgegebenen Zeitpunkten auf vorgegebene Spannungen aufgeladen, um ein Kraftstoffventil zu öffnen, wodurch möglichst präzise Kraftstoffmengen zu in Bezug auf einen bestimmten Kurbelwellenwinkel genau vorgegebenen Zeitpunkten in den Verbrennungsraum eines Kraftstoffverbrennungsmotors eingespritzt werden können. Um das Kraftstoffventil wieder zu schließen, müssen die Piezoaktoren wieder entladen werden, wobei es wichtig ist, dass die Entladung möglichst vollständig erfolgt, so dass danach wieder eine präzise Ladung erfolgen kann.
Die Entladung erfolgt zunächst ebenfalls über den Schaltregler, so dass die im Piezoaktor gespeicherte elektrische Energie zumindest teilweise wieder in einen Speicherkondensator zurückgeladen werden kann. Diese Schaltregler können aufbaubedingt jedoch eine Schwäche beim Entladen des Piezoaktors aufweisen, wodurch der Entladestrom gegen Ende des Entladevorganges auf einen zu kleinen Wert abfällt. Daher wird, wie in der WO 2007/009862 A1 dargelegt, der Entladevorgang gegen Ende der Entladung von dem Schaltregler an einen dissipativen Pfad übergeben.
Die DE 695 18 616 T2 beschreibt eine dynamisch gesteuerte Spannungsreferenzschaltung, bei der ein Endstufentransistor durch eine komplexe Schaltung angesteuert wird.
Die DE 695 02 665 T4 beschreibt ein Umrichter-Schaltnetzteil mit einem Schalttransistor, der in einem Oszillator betrieben wird.
Dieser Pfad ist im Wesentlichen eine geregelte Stromsenke mit einem Feldeffekttransistor, dessen Laststrom über einen zum Feldeffekttransistor in Serie geschalteten Shuntwiderstand gemessen wird und über eine Regelschaltung die Gatespannung des Feldeffekttransistors so eingestellt wird, dass der Entladestrom einem vorgegebenen Wert entspricht.
In der WO 2007/009862 A1 ist die Regelschaltung umschaltbar ausgebildet, so dass die Piezoaktoren zunächst mit einem relativ hohen Strom restentladen werden können und zu einem späteren Zeitpunkt die endgültige Entladung mit einem deutlich kleineren Strom erfolgt.
Das Problem einer solchen geregelten Stromsenke mit einem Feldeffekttransistor ist jedoch, dass jeder Transistor individuell aufgrund von Bauteiltoleranzen und je nach genauer Temperatur eine unterschiedliche Gatespannung/Gateladung benötigt. Daher, und wegen der Toleranzen der restlichen Bauteile des Reglers ist die Zeitdauer zwischen Aktivierung und Bereitwerden der Stromsenke von Gerät zu Gerät und je nach Temperatur unterschiedlich, selbst wenn die Ansteuerung auf immer die gleiche Art und Weise erfolgt.
Das Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Ansteuern einer eine kapazitive Last ab einem Aktivierungszeitpunkt entladenden, geregelten Stromsenke, deren Lastpfad mit einem Feldeffekttransistor gebildet ist, bei dem die Stromsenke eine vorgegebene Zeitdauer vor dem Aktivierungszeitpunkt mit einem Steuersignal angesteuert wird, dessen Amplitude ausreicht, durch eine Regelschaltung eine Gatespannung am Feldeffekttransistor anzulegen, die nur geringfügig über dessen Schwellwertspannung liegt, wobei die vorgegebene Zeitdauer von dem Regelverhalten der Regelschaltung und der Gatesourcekapazität des Feldeffekttransistors abhängt und so gewählt ist, dass zum Aktivierungszeitpunkt die Gatespannung zumindest den Wert der Schwellwertspannung des Feldeffekttransistors hat.
Die Stromsenke wird also in erfindungsgemäßer Weise zu einem so frühen Zeitpunkt vor dem eigentlichen Aktivierungszeitpunkt eingeschaltet, dass der Regler einschwingen kann. Der Sollwert ist dabei zunächst gerade so groß gewählt, dass über alle Toleranzen zu dem Aktivierungszeitpunkt der Regler auf seinen kleinen Zielwert eingeschwungen ist. Wenn dann der tatsächliche Entladestrom an die Stromsenke übergeben werden soll, befindet sich der Feldeffekttransistor bereits in seinem aktiven Bereich, d. h. die Schwellwertspannung des Feldeffekttransistors ist schon vollständig erreicht. Daher bedarf es nur noch der zusätzlichen Ladung, um den Entladestrom tragen zu können, nicht mehr der unbekannten Gateladung bis zum Erreichen der Schwellwertspannung des Feldeffekttransistors. Damit setzt der gewünschte Stromfluss nahezu unmittelbar ein.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, wenn die Regelschaltung ein integrierendes Regelverhalten aufweist, da auf diese Weise immer eine Zeitverzögerung zwischen dem Anlegen eines bestimmten Sollwertes und dem Einschwingen des Ausgangswertes vorhanden ist.
Die Stromsenke lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zwar zum Entladen beliebiger kapazitiver Lasten verwenden, besonders vorteilhaft ist es jedoch bei Anwendung zur Entladung eines Piezoaktors.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine geregelte Stromsenke gemäß dem Stand der Technik,
2 das Schaltverhalten dieser geregelten Stromsenke nach 1 und
3 eine erfindungsgemäße Ansteuerung einer solchen geregelten Stromsenke.
Gemäß 1 ist die geregelte Stromsenke in bekannter Weise mit einem Feldeffekttransistor T1 gebildet, der mit seinem Drainanschluss mit der zu entladenden kapazitiven Last CL und mit seinem Sourceanschluss über einen Shuntwiderstand R3 mit einem Bezugspotential verbunden ist. Der Gateanschluss des Feldeffekttransistors T1 wird vom Ausgang eines Operationsverstärkers OP angesteuert, wobei der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP mit einer einem Sollwert für den Entladestrom repräsentierenden Referenzspannung Uref beaufschlagt wird. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP ist über die Serienschaltung eines ersten Widerstandes R1 und eines Kondensators C1 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Sourceanschluss des Feldeffekttransistors T1 verbunden. Die Regelschaltung der Stromsenke ist damit als PI-Regler ausgebildet. Prinzipiell lässt sich jedoch auch eine Regelschaltung mit einem anderen Regelverhalten in erfindungsgemäßer Weise verwenden.
Wenn eine solche Regelschaltung gemäß 1 zu einem Zeitpunkt t0 sprungartig mit einem Sollwert für den Entladestrom Isoll beaufschlagt wird, wie in 2 dargestellt ist, so steigt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP und damit die Gatespannung am Feldeffekttransistors T1 aufgrund des integrierenden Verhaltens der Regelschaltung in etwa linear an, bis zu einem Zeitpunkt t1 die Schwellwertspannung Uth des Feldeffekttransistors T1 erreicht ist und als Folge davon der Laststrom durch den Feldeffekttransistors T1 und damit der Entladestrom für die kapazitive Last CL auf den Sollwert ansteigt.
Durch Toleranzen der Bauteile der Regelschaltung und durch Schwankungen der Restladungen auf dem Kondensator C1 sowie der Gatesourcekapazität des Feldeffekttransistors T1 ist die Zeitdauer vom Anlegen des Sollwertes an die geregelte Stromsenke bis zum tatsächlichen Erreichen des gewünschten Entladestroms jedoch nicht genau genug vorhersehbar.
In erfindungsgemäßer Weise wird daher gemäß 3 zu einem Zeitpunkt t2, der ausreichend lange vor dem eigentlichen Ansteuerzeitpunkt t0 liegt, die geregelte Stromsenke mit einer Spannung Uref beaufschlagt, die einem kleinen vorgegebenen Sollstrom Isoll entspricht, worauf die Gatespannung des Feldeffekttransistors T1 langsam auf die Schwellwertspannung Uth ansteigt, woraufhin dann der vorgegebene kleine Entladestrom Isoll zu fließen beginnt.
Dieser Strom ist so klein, dass er den Entladevorgang einer kapazitiven Last in Form eines Piezoaktors nicht nennenswert beeinflusst, jedoch den Feldeffekttransistor T1 in einen definierten Zustand bringt. Wenn dann zum eigentlichen Aktivierungszeitpunkt t0 der gewünschte hohe Entladestrom als neuer Sollwert Isoll eingestellt wird, kann sich der gewünschte Entladestrom mit einem bekannten und definierten Verlauf sehr schnell einstellen.
Die Zeitspanne zwischen dem Anlegen des kleinen Sollstromes zum Zeitpunkt t2 bis zum eigentlichen Aktivierungszeitpunkt t0 ist im Wesentlichen abhängig vom Ladezustand der Gatesourcekapazität des Feldeffekttransistors T1, vom Ladezustand des Kondensators C1 der Regelschaltung sowie von Toleranzen der verwendeten Bauteile. Diese können experimentell ermittelt werden und eine Zeitspanne gewählt werden, die für die Worst-Case-Situation ausreichend groß ist.

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer eine kapazitive Last (CL) ab einem Aktivierungszeitpunkt (t0) entladenden, geregelten Stromsenke, deren Lastpfad mit einem Feldeffekttransistor (T1) gebildet ist, bei dem die Stromsenke eine vorgegebene Zeitdauer vor dem Aktivierungszeitpunkt (t0) mit einem Steuersignal (Isoll) angesteuert wird, dessen Amplitude ausreicht, durch eine Regelschaltung (OP, R1, C1, R2, R3) eine Gatespannung (UG) am Feldeffekttransistor (T1) anzulegen, die nur geringfügig über dessen Schwellwertspannung (Uth) liegt, wobei die vorgegebene Zeitdauer von dem Regelverhalten der Regelschaltung (OP, R1, C1, R2, R3) und der Gate-Source-Kapazität des Feldeffekttransistors (T1) abhängt und so gewählt ist, dass zum Aktivierungszeitpunkt (t0) die Gatespannung (UG) zumindest den Wert der Schwellwertspannung (Uth) des Feldeffekttransistors (T1) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Regelverhalten der geregelten Stromsenke einen integrierenden Anteil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als kapazitive Last (CL) ein Piezoaktor angesteuert wird.