缸內直噴汽油機高壓噴油器驅動(dòng)電路的設計

柵極驅動(dòng)芯片IR2110具有獨立的高端和低端輸入通道，高端工作電壓可達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，導通、關(guān)斷延遲小等特點(diǎn)。
高端自舉驅動(dòng)電路的工作原理如下：PWM信號H_IN輸入到IR2110的高端信號輸入引腳HIN，其反相信號L_IN輸入到低端信號輸入引腳LIN。當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導通，由+12V、D2、C2、Q1、GND構成的充電回路對自舉電容C2充電；當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引腳信號輸出，以防止高壓端對地短路。
自舉元件D2、C2的選取直接影響自舉電路的驅動(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Q2導通時(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必須具有足夠的儲能才能驅動(dòng)Q2的柵極，應選用鉭電容，并盡量靠近芯片。自舉電容最小的電荷量可由式(3)計算：

式中：Q1為MOSFET柵極電荷；f為工作頻率；Iqbs(max)為高端驅動(dòng)最大靜態(tài)電流；ICbs(leak)為自舉電容漏電流；Qls為每個(gè)工作周期內電平轉換電路中的電荷。
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)計算得自舉電容應當大于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電壓設定電路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與噴油器驅動(dòng)電流大小成正比，拾波和保持階段驅動(dòng)電流的大小則通過(guò)輸出信號S_IN控制噴油器低壓電源的通斷來(lái)實(shí)現。

如圖5(A)所示，基準電壓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，單穩態(tài)觸發(fā)器輸出保持高電平，三極管S1導通，Vref(5-0．6)x[R2／(R2+R3)]；當高壓觸發(fā)信號結束時(shí)，其下降沿會(huì )觸發(fā)單穩態(tài)觸發(fā)器輸出一個(gè)設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(mén)U2構成，工作原理是：當Vref大于Vf時(shí)，U1輸出高電平，與噴油脈寬信號和PWM信號相與后，S_IN輸出一個(gè)PWM信號，控制低壓電源對噴油器供電，使電流不斷上升，電流傳感器反饋電壓Vf也隨著(zhù)上升；當Vf大于Vref時(shí)，U1輸出低電平，與噴油脈寬信號和PWM信號相與后，S_IN輸出低電平，低壓電源停止對噴油器供電，使電流下降，直到Vf小于Vref。不斷重復上述動(dòng)作，實(shí)現電流的反饋控制。
通過(guò)電流反饋和基準電壓的共同作用實(shí)現了電流的分段控制。

5 實(shí)驗驗證和結論
對所設計的驅動(dòng)電路進(jìn)行試驗，12 V電壓經(jīng)過(guò)升壓后可以得到90 V高電壓。設置噴油脈寬為5 ms，所測得的電流波形如圖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，以保持噴油器持續打開(kāi)直至噴油結束。
所設計的驅動(dòng)電路結構簡(jiǎn)單，實(shí)用性強。升壓電路具有過(guò)流保護功能，有效地提高了驅動(dòng)電路的安全系數。采用雙電源供電方式，加快了噴油器的開(kāi)啟響速度；采用三段電流驅動(dòng)方式，降低了系統功耗，有效地延長(cháng)了噴油器的使用壽命。