电容储能式高速电磁阀驱动电路的研制

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引言

高压共轨燃油喷射系统是柴油发动机的发展方向之一。该系统通过控制燃油的共轨压力和喷油器的快速启闭来保证发动机对喷油正时、精确喷油量及理想喷油率等方面的要求。其中关键执行器件是高速电磁阀，其电流响应特性决定其驱动电路应满足下列基本要求。

１．　电磁控制阀开启前的能量强激功率驱动模块应以尽可能高的速率为电磁阀注入能量，　确保电磁控制阀在开启过程中产生足够大的电磁作用力，　缩短开启响应时间。

２．　电磁控制阀开启后，　因工作气隙较小，　磁路磁阻很低，　电磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力以保证电磁控制阀的可靠开启。小的保持电流可以降低能量消耗，　减小线圈发热，　同时有利于电磁控制阀的快速闭合。　

综上所述，电磁阀驱动电路的设计要求在电磁阀的不同工作阶段应维持相应的理想驱动电流。

目前常见的电磁阀驱动电路大

致分为可调电阻式、双电压式、脉宽调制式和双电压脉宽调制式４种。

其中可调电阻式驱动电路结构简单但功耗较大，双电压式功耗有所减小但仍不理想。脉宽调制式与双电压脉宽调制式均采用ＰＷＭ来控制电磁阀保持电流，大大减小了功耗。与脉宽调制式相比，双电压脉宽调制式的好处在于电磁阀保持电流由蓄电池提供，减轻了ＤＣ／ＤＣ升压电路的负载。

然而上述的几种驱动电路存在的共同问题是难以确保在喷油脉宽时序重叠的情况下电磁阀的正常打开。这是因为当两路喷油信号在相位上重叠时，其中一路电磁阀的导通将导致ＤＣ／ＤＣ升压电路的电压瞬时下降，这时的电压将无法保证另一路电磁阀的正常打开。

本文的课题背景中，柴油高压共轨转子机前后双缸分别配备双喷油器，即引燃喷油器和主喷油器分别独立控制，且两路喷油器在部分工作中喷油时序重叠。因此需设计开发一种新型的驱动电路，以保证

在这部分情况下喷油器能正常工作，即保证喷油正时和精确喷油量。

电容储能式

高速电磁阀驱动电路

主体电路

电容储能式高速电磁阀驱动电路原理如图１所示。转子机前缸的引燃喷油脉宽信号ＩＮＪ１与后缸的引燃喷油脉宽信号ＩＮＪ３通过或非门后，输入到高端驱动芯片驱动高端功率ＭＯＳ管Ｑ１，ＤＣ／ＤＣ升压后的１００Ｖ电源通过Ｑ１打开后向电容Ｃ１充电，在喷油脉宽周期内Ｑ１关断。ＰＷＭ发生器通过功率ＭＯＳ管Ｑ２控制１２Ｖ电源输入的占空比。Ｑ１与Ｑ２的源极分别通过二极管Ｄ１１和Ｄ１２连接电磁阀Ｌ１与Ｌ３的上端，Ｄ１１和Ｄ１２的作用是将１００Ｖ和１２Ｖ两个不同电压的电源隔离开。ＩＮＪ１和ＩＮＪ３分别通过低端功率ＭＯＳ管Ｑ４和Ｑ５实现选缸。Ｄ１３、Ｄ１４为续流二极管。电流检测放大器与ＰＷＭ发生器相连实现反馈控制。

电容储能式高速电磁阀驱动电路的研制

■ 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室

刘剑飞 申琳 张云龙

摘 要：本文介绍了一种电容储能式高速电磁阀驱动电路。通过采用高端电流检测反馈控制ＰＷＭ输出实现了

对电磁阀电流的精确控制。与传统的电磁阀驱动电路相比，其控制逻辑简单，更符合电磁阀的电流响应特点，且有利于降低功耗和防止电磁阀过载。

关键词：高速电磁阀；驱动电路；电容储能；高端电流检测

2005.7 电子设计应用 .cn

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电路工作过程如下。当ＥＣＵ输出喷油脉宽ＩＮＪ１时，Ｑ４选缸导通，电容Ｃ１在ＩＮＪ１开始时刻向电磁阀Ｌ１放电。这时Ｑ５无选缸信号，电磁阀Ｌ３截止，Ｑ１关断，禁止１００Ｖ向电容Ｃ１充电，１２Ｖ自行反向截止。直到Ｃ１放电至低于１２Ｖ后，１２Ｖ通过Ｑ２以ＰＷＭ方式向电磁阀Ｌ１提供能量。ＰＷＭ占空比通过电流检测放大器实现反馈控制。ＩＮＪ１结束后，Ｑ４关断，Ｌ１截止，Ｑ１导通，１００Ｖ开始向Ｃ１充电。当发动机经过一个工作循环，ＥＣＵ输出后缸引燃喷油脉宽ＩＮＪ３时，电容Ｃ１已充满电，这时高端部分重复上述工作过程，Ｑ５选缸导通，电磁阀Ｌ３工作，电磁阀Ｌ４截止。

图２为电磁阀的电流波形图，从中可以看到电磁阀的整个工作过程。Ａ点时刻Ｃ１开始放电，电磁阀电流迅速上升；在Ｂ点时刻电磁阀电流到达峰值电流约３０Ａ；至Ｃ点时刻Ｃ１电压从１００Ｖ降到１２Ｖ，１２Ｖ电源开始提供电流，电路中设置了保持电流１０Ａ，Ｄ点时刻喷油脉宽结束，电磁阀关断，电容Ｃ１开始充电；Ｅ点时刻电容Ｃ１充满，电压上升到１００Ｖ。

与上述类似，转子机前缸的主喷油脉宽信号ＩＮＪ２与后缸的主喷油脉宽信号ＩＮＪ４通过另一放电电容Ｃ２以相同方式工作。

通过设置Ｃ１和Ｃ２两个放电电容，在ＩＮＪ１与ＩＮＪ２、ＩＮＪ３与ＩＮＪ４时序重合的工作状态下保证了开启电压各自稳定在１００Ｖ，从而保证了电磁阀的可靠打开。

图２中容易看到Ａ点到Ｃ点时刻电容在放电的过程中电压同时在下降。这完全符合前述的电磁阀工

作特性。与双电压脉宽调制式驱动电路相比，电容储能式的驱动电路功耗更小。且由于电容每次储能是有限的，所以可防止在某些意外状况下电磁阀发生过载烧毁。

同时，电容储能式驱动电路无需象其他几种驱动电路那样必须通过喷油脉宽同步产生一个开启脉宽做为高压的控制信号，从而简化了电路逻辑。

ＰＷＭ及高端驱动电路本设计中ＰＷＭ发生芯片选用了ＴＬ４９４　ＰＷＭ芯片，其中两路误差放大器分别用于前后两缸引燃与主喷的电流检测负反馈接口，无需另外增加运放。

高端驱动器选择了ＩＲ公司的专用浮地驱动芯片ＩＲ２１０３。需要注意的是ＩＲ２１０３外围自举电容和反向二极管的选择。在ＩＲ２１０３高端部分工作时，既需要保证在开关管关断

过程中自举电容充电时间足够短，又应保证在开关管导通过程中电容

电压下降不大，这就要求自举电容具有合适的电容量且漏电流要小。反向二极管的选择则要求在高端打开时，其反向漏电流必须足够小，以维持自举电容两端的压差。

电容器的选择

为保证高压开启部分能提供足够的能量，需对放电电容的容量进行计算。

由图３的电磁阀电流波形，对曲线进行近似积分，估算电磁阀开启所需电量Ｃ约为２４µＦ，考虑一定的余量后，选择容量为３３µＦ的电容。需要注意这里的放电电容应满足高压、高频、大电流工作条件下的反复充放。经过比较后本设计选用了金属化聚丙烯薄膜电容器。

高端电流检测电路

本驱动电路的另一特点是采用

了高端电流检测反馈控制Ｐ

Ｗ

Ｍ

输

出。与恒定

ＰＷＭ占空比控制方式相

比，电流闭环反馈

ＰＷＭ控制可在电池电压变化的情况下保证电磁阀保