JP2017500480A - コロナ点火電源のための制御システム - Google Patents

Abstract

コロナ点火器、スイッチ、および共振周波数の変化を迅速に調整することが可能なプログラマブルコントローラを含むコロナ点火システムが提供される。駆動周波数および出力電流におけるエネルギがコロナ点火器に供給される。スイッチは駆動周波数においてコロナ点火器にエネルギを供給し、異なる時に起動される。コントローラは、コロナ点火器に供給される出力電流を典型的に２分の１サイクルに一度取得し、出力電流の第１のゼロ交差後の所定量の時間、第１のスイッチを起動する。第１のゼロ交差は、出力電流の最も最近のフルサイクルのゼロ交差である。第２のスイッチは、第１のゼロ交差後に生じる第２のゼロ交差後の所定量の時間起動される。システムの遅延は、他の構成要素ではなくコントローラが原因となる。

Description

関連出願の相互参照
本米国特許出願は、２０１３年１２月１２日に提出された米国仮特許出願番号第６１／９１５，０８８号（代理人番号７１０２４０−６７９３；ＩＡ−５０１２９）、２０１４年１月２４日に提出された米国仮特許出願番号第６１／９３１，１３１号（代理人番号７１０２４０−６８３０；ＩＡ−５０１３４）、２０１４年３月１１日に提出された米国仮特許出願番号第６１／９５０，９９１号（代理人番号７１２０４０−６９０１；ＩＡ−５０１４７）、２０１４年１０月３０日に提出された米国仮特許出願番号第６２／０７２，５３０号（代理人番号７１０２４０−７３４６；ＩＡ−５１０２９−１）、２０１４年１２月１０日に提出された米国仮特許出願番号第６２／０９０，０９６号（代理人番号７１０２４０−７３５６；ＩΑ−５０３５９）、２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，２１９号（代理人番号７１０２４０−７４０４；ＩＡ−５０１２９およびＩＡ−５０１２９−１）、２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，２６６号（代理人番号７１０２４０−７４０９；ＩＡ−５０１４７）、２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，３３０号（代理人番号７１０２４０−７４１０；１Ａ−５０３５９）、および２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，４３８号（代理人番号７１０２４０−７４１１；ＩＡ−５０１３４）の恩恵を主張し、各々の内容全体を引用によって本願明細書において援用する。

発明の背景
１．発明の分野
この発明は概して、コロナ放電点火システムに関し、より特定的には、システムに供給されるエネルギを制御するためのコロナ放電点火システムに関する。

２． 関連技術
コロナ放電点火システムは、交流電圧および電流を供給し、高電位電極と低電位電極とを高速で連続的に反転させ、コロナ放電の形成を強化し、アーク形成のための機会を最小化する。システムは、中央電極が高い無線周波数電圧電位に充電され、燃焼室において強い無線周波数電界を生成しているコロナ点火器を含む。電界は、燃焼室における燃料および空気の混合物の一部分をイオン化し絶縁破壊を開始させ、混合気の燃焼を容易にする。これは点火事象と称される。電界は、混合気が誘電特性を維持し、非熱的プラズマとも称されるコロナ放電が生じるように制御されることが好ましい。混合気のイオン化された部分は火炎前面を形成し、次いで自律的となり、混合気の残りの部分を燃焼する。電極と、点火器の接地筒壁、ピストン、金属シェル、または他の部分との間で熱プラズマおよび電気アークを生成することになるであろうすべての誘電特性を混合気が失わないように電界が制御されることが好ましい。コロナ放電点火システムの一例は、Ｆｒｅｅｎの米国特許番号第６，８８３，５０７号に開示されている。

その上、コロナ放電点火システムは、好ましくは、コロナ点火器の共振周波数に等しいかまたは近い駆動周波数でエネルギがコロナ点火器に供給されるように制御される。しかしながら、このレベルの制御の実現は、特に広範囲の周波数において困難である。たとえばアーキング事象による動作中の共振周波数の変化によっても、所望の共振周波数制御を実現することが困難となる。

発明の概要
発明の一態様は、コロナ点火器の共振周波数に等しいかまたは近い駆動周波数を維持するために、コロナ点火器、スイッチ、および広範囲の共振周波数で動作することができ、かつたとえば共振周波数変化に応答して駆動周波数に即座に調整を行うことができるコントローラを含むコロナ放電点火システムを提供する。コロナ点火器は、駆動周波数および出力電流におけるエネルギを受取る。第１のスイッチおよび第２のスイッチは、駆動周波数においてコロナ点火器にエネルギを供給する。コントローラは、出力電流の位相を取得して、出力電流のゼロ交差後の所定量の時間、第２のスイッチは起動されないが第１のスイッチを起動する。ゼロ交差は、出力電流の任意の以前のフルサイクルのゼロ交差である。

発明の別の態様は、コロナ点火器、スイッチおよびコントローラを含むコロナ放電点火システムを制御する方法を提供する。当該方法は、出力電流の位相を取得することと、出力電流のゼロ交差後の所定量の時間、第２のスイッチは起動されないが第１のスイッチを起動することとを含む。ゼロ交差は、出力電流の任意の以前のフルサイクルのゼロ交差である。

本発明の他の利点は、添付の図面に関連して考慮されると以下の詳細な説明を参照することでより良く理解されるようになるため、容易に認識されることになる。

発明の第１の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第２の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第３の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第４の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第５の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第６の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第７の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第８の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第９の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第１０の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。

詳細な説明
本発明は、内燃機関用途のためのコロナ放電点火システム２０の向上した動作をもたらす。システム２０の例示的な実施形態が図１〜図１０に示される。各実施形態において、システム２０は、共振周波数で動作するコロナ点火器２２を含む。駆動周波数および出力電流におけるエネルギがコロナ点火器２２に供給される。出力電流の位相は、変圧器３４の出力２４とも称されるコロナ点火器２２の入力において測定されることができる。コロナ点火器２２は好ましくは、コロナ放電２６と称される高い無線周波数電界を発火端において形成して、エンジンの燃焼室内の燃料および空気の混合物を点火する。システム２０は、コロナ点火器２２に供給される駆動周波数とシステム２０のキャパシタンス／インダクタンス回路とを制御するコントローラ２８ならびに少なくとも一対のスイッチ３０Ａ，３０Ｂならびに／または３０Ｃおよび３０Ｄも含み、したがって駆動周波数はコロナ点火器２２の共振周波数に維持される。駆動周波数が共振周波数に等しいかまたは近くなるようにシステム２０を動作させることにより、燃焼室における強固なコロナ放電２６につながる電圧増幅がもたらされる。

比較のためのシステムにおいて駆動周波数をコロナ点火器の共振周波数に維持するために現在用いられている他の方法は、異なる駆動周波数を適用しつつ点火器電流の低出力測定を行なうことと、コロナ点火器の電圧または電流（またはその代わりのもの）を測定し、周波数を変動させてこれを最大化することと、または、共振に必要とされる条件である共振器への入力において電圧および電流を同相に維持するために位相ロックループ（ＰＬＬ）を実施することとを含む。しかしながら、これらの方法はすべて動作中に電位の問題を有する。電気的パラメータを最大化するために周波数を調整する方法は、共振周波数で動作していることを確実にするために、「ハンティング」と称される周波数の一定の調整を必要とする。共振周波数が識別される前に、相当量の時間が必要とされる。また、アークの形成は、故意であるか偶然であるかに関わらず、これらの典型的なシステムにとって追従するのが非常に困難なエネルギの電流における位相変化を引起す。その上、コントローラが再び適切な周波数を取得する何十または何百ものサイクルの間に出力電圧が崩壊し得る。位相ロックループに依存するシステムは、「ハンティング」を受けないが、安定性を実現するために、応答の何らかの制動を本質的に必要とする。これにより、共振周波数の取得が比較的遅くなり、アークの形成によって、容易に追従することができない位相変化が起こり、コロナ点火器の入力におけるエネルギの一時的な崩壊につながる。

本発明のシステム２０はこれらの問題を回避し、コロナ点火器２２の共振周波数に等しいかまたは非常に近い駆動周波数で継続的に動作することができる。この継続的な動作は、コロナ点火器２２への出力電流の位相の測定値を測定することまたは他の方法で取得することと、出力電流に関する当該情報をコントローラ２８に供給することとによって実現される。好ましくは、出力電流の位相は２分の１サイクルごとに一度取得され、２分の１サイクルごとに一度コントローラ２８に供給される。出力電流測定値は入力２４において取得され、コロナ点火器２２の共振周波数は、２分の１サイクルごとに出力電流の位相から取得されることができる。コントローラ２８は、出力電流に関する情報を分析し、スイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方、たとえば第１のスイッチ３０Ａを、出力電流の第１のゼロ交差後の所定量の時間起動する。システムが４つのスイッチを含む場合、コントローラは、スイッチ３０Ａおよび３０Ｄを同時に起動するか、またはスイッチ３０Ｂおよび３０Ｃを同時に起動する。

好ましくは、第１のゼロ交差は、出力電流の最も最近のフルサイクルのゼロ交差のうちの１つである。しかしながら、第１のゼロ交差は、出力電流の以前のフルサイクルのうちのいずれかのゼロ交差のうちの１つであり得る。コントローラ２８に供給される出力電流の位相に依存して、最近のフルサイクルの第１のゼロ交差は、２つの正のゼロ交差および１つの負のゼロ交差、または２つの負のゼロ交差および１つの正のゼロ交差から選択されることができる。コントローラ２８は次いで、出力電流の第２のゼロ交差後の所定量の時間、他方のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂ、この場合は第２のスイッチ３０Ｂを起動する。第２のゼロ交差は第１のゼロ交差後に生じる。スイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方が起動されている時、エネルギは、電源（図示せず）から起動中のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂを介してコロナ点火器２２に流れることができる。スイッチ３０Ａ，３０Ｂが起動されていない時は、エネルギはコロナ点火器２２に流れることはできない。スイッチ３０Ａは第１のスイッチと称され、スイッチ３０Ｂは第２のスイッチと称されるが、スイッチ３０Ｂを代替的に第１のスイッチと称することができ、スイッチ３０Ａを第２のスイッチと称することができる。

コントローラ２８は、様々な異なる方法を用いて、選択されたゼロ交差とスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの起動との間の所定量の時間を決定することができる。一実施形態では、コントローラ２８による選択された第１のゼロ交差または第２のゼロ交差と一方のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの起動との間の所定量の時間は、固定され、コントローラ２８にプログラムされる。これは、システム２０の共振周波数が固定された周波数範囲内にある場合によくある。別の実施形態では、コントローラ２８は、同じくコントローラ２８にプログラムされたアルゴリズムを用いて、所定量の時間を決定する。さらに別の実施形態では、コントローラ２８は、出力電流の以前のサイクルを分析して、選択された第１のゼロ交差または第２のゼロ交差とスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの起動との間の所定量の時間を決定する。

いずれの場合にも、スイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方のみが起動しており、コロナ点火システム２０の動作中の任意の所与の時間にコロナ点火器２２にエネルギを供給している。したがって、コントローラ２８は、第２のスイッチ３０Ｂを起動する前に第１のスイッチ３０Ａを停止し、逆もまた同様であり、したがって２つのスイッチ３０Ａ，３０Ｂは同時には起動しない。たとえば、出力電流が正の時は常に、第１のスイッチ３０Ａが起動しており、ゆえにコロナ点火器２２にエネルギを供給する。出力電流が負の時は常に第２のスイッチ３０Ｂが起動しており、ゆえにコロナ点火器２２にエネルギを供給する。好ましくは、スイッチ３０Ａ，３０Ｂの起動は、コロナ点火器２２の共振周波数と同期され、したがって一方のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂは、コロナ点火器２２に供給される出力電流がゼロと交差するたびに、コントローラ２８によって起動される。この場合、コロナ点火器２２に供給される駆動周波数は、コロナ点火器２２の共振周波数と等しいかまたはほぼ等しい。

本発明のシステム２０および方法によって多くの利点がもたらされる。第１に、システム２０は、コロナ点火器２２の共振周波数に等しいかまたは非常に近い駆動周波数を維持するために、たとえば共振周波数変化に応答して、駆動周波数に即座に調整を行うことができる。システム２０は、アーキング事象中に、コロナ点火器２２における電流の位相変化を効率的に追跡し、応答することも可能である。共振周波数のほぼ即座の取得および駆動周波数の迅速なリアルタイム調整は、可能な最良の性能を維持することが可能である。換言すると、システム２０は非常に迅速なロックを維持する。これは、システム２０に供給された電圧がコロナ点火器２２の電流の周波数における正弦波状変化に追従することを意味する。さらに、システム２０は、他のシステムと比較してはるかに広範囲の周波数で動作することが可能である。

コロナ点火器２２に供給された電圧および電流が同じ周波数を有し、同相である時、システム２０は「共振周波数」で動作すると理解されるべきである。「サイクル」という用語は、コロナ点火器２２からの電圧または電流の正弦波出力の一回の期間を意味し、一回の発振期間とも称される。「２分の１サイクル」という用語は、当該期間の半分、または発振期間の半分を意味する。本明細書に記載されるシステムを採用することができる共振周波数制御の方法は、各々が本願と同じ発明者を挙げ、同じ日に提出された関連する米国特許出願番号第１４／５６８２６６号、第１４／５６８３３０号および第１４／５６８４３８号に開示されていることも注記する。

図１は、第１の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システム２０のブロック図であり、コロナ放電点火システム２０は、コロナ点火器２２の共振周波数と等しいかまたはほぼ等しい駆動周波数を維持するために、共振周波数変化およびアーク形成に対して迅速な応答を提供することが可能である。コントローラ２８、スイッチ３０Ａ，３０Ｂおよびコロナ点火器２２に加えて、システム２０は、第１のドライバ３２Ａおよび第２のドライバ３２Ｂと称される一対のドライバ３２Ａ，３２Ｂも含む。図１のシステム２０はさらに、変圧器３４、第１の電流センサ３６、第１のローパスフィルタ３８、および第１の信号調整装置４０を含む。コロナ点火器２２に供給され、かつ受取られる電流は、入力２４における電流と等しく、当該電流の位相は、入力２４において第１の電流センサ３６によって測定される。

システム２０はコントローラ２８によって制御される。コントローラ２８は、好ましくはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、複合プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどの、プログラマブルデジタルコントローラまたはプログラマブル混合信号コントローラである。コントローラ２８は、燃焼室においてコロナ放電２６の発生を開始させるようコントローラ２８に命じるトリガ入力信号４２を受信する。コントローラ２８は、アークが検出されたことを任意の外部制御システム（図示せず）に通知するためのアーク検出出力信号４４、ならびに任意の外部制御システムに回路の健康状態および動作に関する追加的なデータを供給するためのフィードバック出力信号４６も供給する。コントローラ２８との間で伝達されるトリガ入力信号４２、アーク検出出力信号４４およびフィードバック出力信号４６は、ＥＭＣフィルタ４８と称される電磁両立性フィルタおよび他の保護部材４９によってフィルタリングされる。トリガ入力信号４２に応答して、コントローラ２８は、スイッチ３０Ａ，３０Ｂを制御するドライバ３２Ａ，３２Ｂに駆動信号５０を供給する。スイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方が起動中である時、直流電圧Ｖ３が変圧器３４の一次巻線５２に印加される。変圧器３４はその場合、入力２４を介して、エネルギをコロナ点火器２２に駆動周波数で供給する。例示的な実施形態では、変圧器３４は「プッシュプル」構造として当該分野で知られている構造を有する。

図１のシステム２０では、コロナ点火器２２に供給される電流（出力電流）は、分路抵抗器、ホール効果センサ、または変流器などの任意の好適な技術を用いて、第１の電流センサ３６において測定される。コロナ点火器２２に供給される電流の位相の測定値を含む電流出力信号５４は、第１の電流センサ３６からコントローラ２８に向かって伝達される。好ましくは、この電流出力信号５４は、コントローラ２８に伝達される前に第１のローパスフィルタ３８によって軽くフィルタリングされる。第１のローパスフィルタ３８は、電流出力信号５４において、電流の発振期間より小さい位相シフトを生じさせる。一実施形態では、位相シフトは１８０度であるが、好ましくは位相シフトは１８０度未満であり、より好ましくは、位相シフトは２分の１サイクル未満である９０度未満である。第１のローパスフィルタ３８は、大電流および電圧を切替えることによって生成される不要な高周波ノイズも除去する。フィルタリングされた電流出力信号５４は、次いで、第１の信号調整装置４０に転送される。第１の信号調整装置４０は、コントローラ２８に転送するために電流出力信号５４を安全にする。したがって、電流出力信号５４は、コントローラ２８によって安全に処理することができるレベルにある。典型的に、電流出力信号５４に含まれる唯一の情報は、入力２４においてコロナ点火器２２に供給される電流の位相である。

コントローラ２８は、第１の電流センサ３６によって取得された電流測定値を有する電流出力信号５４を受信し、当該電流測定値を用いて、コロナ点火器２２の共振周波数と、スイッチ３０Ａ，３０Ｂを起動して共振動作を与えるための最適なタイミングとを識別する。出力電流の位相は、好ましくは２分の１サイクルごとに一度コントローラ２８に供給される。例示的な実施形態では、起動されるべき第１のスイッチ３０Ａまたは第２のスイッチ３０Ｂのタイミングをコントローラ２８が決定すると、コントローラ２８は、第１のスイッチ３０Ａを起動するように第１のドライバ３２Ａに指示するか、または第２のスイッチ３０Ｂを起動するように第２のドライバ３２Ｂに指示する。ドライバ３２Ａ，３２Ｂは、所定の時間にスイッチ３０Ａ，３０Ｂを起動するように指示され、したがってスイッチ３０Ａ，３０Ｂによって変圧器３４に、かつ最終的にはコロナ点火器２２に伝達されるエネルギの駆動周波数は、コロナ点火器２２の共振周波数と等しいかまたはほぼ等しい。

上述したように、この共振周波数動作は好ましくは、コロナ点火器２２への出力電流がゼロと交差するたびにスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方を起動することによって取得される。スイッチ３０Ａ，３０Ｂがそのような時に起動されると、駆動周波数はコロナ点火器２２の共振周波数と等しいかまたはほぼ等しい。コントローラ２８はまず、電流出力信号５４において供給される出力電流の位相を分析することにより、第１のスイッチ３０Ａが起動されるべき時を決定する。コントローラ２８は、出力電流の第１のゼロ交差を識別し、この第１のゼロ交差後の所定量の時間、第１のスイッチ３０Ａを起動する。第１のゼロ交差は、出力電流の最も最近のフルサイクルのゼロ交差のうちの１つ、または以前のフルサイクルのうちのいずれかから得られたゼロ交差のうちの１つである。出力信号５４においてコントローラ２８に供給される出力電流の位相に依存して、最も最近のフルサイクル（または任意の以前のサイクル）の第１のゼロ交差は、２つの正のゼロ交差および１つの負のゼロ交差から、または２つの負のゼロ交差および１つの正のゼロ交差から選択されることができる。

コントローラ２８は、電流出力信号５４において供給される出力電流の位相も分析して、共振周波数動作を実現するための正確な時間に第２のスイッチ３０Ｂを起動する。第２のスイッチ３０Ｂは、好ましくは出力電流の第２のゼロ交差後の所定量の時間、起動される。第２のゼロ交差は、第１のゼロ交差後の任意の時間に生じる。

また、上述したように、コントローラ２８は、様々な異なる方法を用いて、選択されたゼロ交差と一方のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの起動との間の所定量の時間を決定することができる。換言すると、コントローラ２８は、様々な異なる方法を用いて、選択されたゼロ交差と一方のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの起動との間の遅延を決定し設定することができる。一実施形態では、選択された第１のゼロ交差または選択された第２のゼロ交差と、第１のスイッチ３０Ａまたは第２のスイッチ３０Ｂの起動との間の所定量の時間は、固定され、コントローラ２８にプログラムされる。これは、駆動周波数が、固定され限定された周波数範囲内にある場合によくある。別の実施形態では、コントローラ２８は、出力電流の以前のサイクルを分析して、選択された第１のゼロ交差または第２のゼロ交差と一方のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの起動との間の所定量の時間を決定する。

さらに別の実施形態では、コントローラ２８は、コントローラ２８にプログラムされたアルゴリズムを用いて、選択されたゼロ交差とスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの起動との間の所定量の時間を決定する。アルゴリズムは、出力電流の予期されるゼロ交差と、以前のサイクル中に第１の電流センサ３６によって入力２４において測定された出力電流の実際のゼロ交差との相違を判定する。予期されるゼロ交差は、コントローラ２８が出力電流がゼロと交差すると予期する時間であり、典型的にスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方が起動された後の所定の持続時間である。予期されるゼロ交差と実際のゼロ交差との間のこの時間の相違は、システム２０の構成要素における遅延によって生じる。コントローラ２８は次いで、遅延に関する情報を用いて、スイッチ３０Ａまたは３０Ｂが起動されるべき時を決定し、したがってスイッチ３０Ａまたは３０Ｂは、出力電流がゼロと交差するのと同時に起動される。

システム２０の動作中の任意の所与の時間にスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方のみが起動していることが重要である。たとえば、コントローラ２８は、出力電流がゼロと交差する時に、第１のドライバ３２Ａを起動することができ、その結果第１のスイッチ３０Ａが起動される。次に、コントローラ２８は、第１のドライバ３２Ａおよび第１のスイッチ３０Ａをオフにし、次いで、出力電流が次にゼロと交差する時に、第２のドライバ３２Ｂを起動し、その結果第２のスイッチ３０Ｂが起動される。コントローラ２８は、第１の信号調整装置４０から受信した各電流出力信号５４を分析することができ、必要であればスイッチ３０Ａ，３０Ｂのタイミングを調整することができる。

図１のコロナ点火システム２０の別の利点は、第１のローパスフィルタ３８が広範囲の周波数で動作することができ、任意の長さの遅延をもたらすことができる点である。換言すると、選択されたゼロ交差とスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方が起動される時との間の所定量の時間は任意の長さであり得る。第１のローパスフィルタ３８は、比較のためのコロナ放電点火システムのフィルタのように、予め規定された遅延をもたらすための要件によって損なわれない。第１のローパスフィルタ３８は、位相シフトおよび周波数応答のための最適設計であり得、予め規定された遅延をもたらすことができる能力ではなく、その寸法、費用、またはノイズ低減力に基づいて選択されることができる。

発明のシステム２０では、第１のローパスフィルタ３８によって引起される遅延は既知であり、コントローラ２８は、適切な共振をもたらすように正確な瞬間においてドライバ３２に駆動信号５０を伝達するために、回路の他の構成要素の遅延と共に第１のローパスフィルタ３８の遅延の原因となるようにプログラムされることができる。第１のローパスフィルタ３８の遅延は、典型的に１サイクル未満であり、好ましくは２分の１サイクル未満である。比較のためのシステムとは異なり、他の構成要素ではなくコントローラ２８が、コロナ点火器２２の入力２４においてゼロと交差する電流と起動されているスイッチ３０Ａ，３０Ｂとの間のループ遅延の大部分をもたらす。コントローラ２８はループ遅延を調整することができ、ループ遅延は、ほとんどいずれの所望の周波数範囲にわたっても調整することができる。このシステム２０では、第１のローパスフィルタ３８から遅延が取り除かれ、コントローラ２８の制御ソフトウェアに入れられる。したがって、遅延は、比較のためのシステムでのように、２分の１サイクル当たり５００ナノ秒などの予め規定された遅延に限定されない。コントローラ２８は、絶えずループ遅延を調整することもでき、したがってループ遅延は、システム２０の共振周波数に依存しない。スイッチ３０Ａ，３０Ｂのタイミングは、入力２４において第１の電流センサ３６によって測定される電流がゼロと交差するとスイッチ３０Ａ，３０Ｂが起動され、変圧器３４にエネルギを供給するように、既知のループ遅延を考慮して調整されることができる。

多くの利点は、スイッチ３０Ａ，３０Ｂの起動のための最適なタイミングを決定するプログラマブルコントローラ２８と、共振周波数の期間未満の位相シフトをもたらす第１のローパスフィルタ３８との組合せによって実現される。まず、システム２０は、非常に広い周波数範囲にわたって動作することができる。動作周波数には事実上下限はない。最も高い動作周波数は、第１のローパスフィルタ３８、第１の信号調整装置４０、ドライバ３２Ａ，３２Ｂ、スイッチ３０Ａ，３０Ｂ、および変圧器３４によってもたらされる遅延の和によってのみ限定され、したがって上限は典型的に数メガヘルツである。その上、システム２０のデッドタイム（ゼロ交差直前および直後の時間）を減少させて、デューティサイクルの効果的な増大によりコロナ点火器２２の出力電圧を増大させ得る。また、変圧器３４に蓄積されたエネルギと、コロナ点火器２２の電流の実際のゼロ交差付近での切替えとがスイッチ３０Ａ，３０Ｂにおけるエネルギ損失を減少させる。他の利点は、動作条件に基づいてデッドタイムを変動させることができること、またはテストおよび診断の目的で駆動周波数を測定し、予め規定された基準と比較することができることを含む。さらに別の利点は、入力２４と負荷との間で異なるケーブル長（ケーブルは図示せず）をシステム２０が容易に補償することができる点であり、これは、入力２４と変圧器３４との間に配置される任意のケーブルが、補償されなければならない追加的な遅延を導入する可能性があるため、重要であり得る。コントローラ２８によるソフトウェア変更でこの追加的な遅延を補償することができることにより、システム２０は使用の際により柔軟となる。さらに、上述したように、出力電流の最も最近のフルサイクルまたは以前のフルサイクルのゼロ交差事象に基づいてスイッチ３０Ａ，３０Ｂのタイミングを制御することにより、コントローラ２８が共振周波数変化およびアーク形成に対して迅速な応答を提供することが可能となる。コロナ点火器２２に供給される出力電流の測定された位相からスイッチ３０Ａ，３０Ｂが直接制御されるように、プログラマブルコントローラ２８および第１のローパスフィルタ３８によって実現される明確な短い時間遅延をコントローラ２８において訂正することができる。これにより、多重振動に対して測定を行なう必要がなくなる。最後に、上述したように、システム２０は、システム２０がコロナ点火器２２の共振周波数で継続的に動作するように、電流の駆動周波数および位相において非常に迅速な変更を行うことができる。

図２は、発明の第２の例示的な実施形態に係るコロナ放電２６点火システム２０のブロック図であり、図１のシステム２０のように動作するが、いくつかの追加的な特徴を含む。追加的な１つの特徴は、システム２０の様々な機能セクションが、互いに離間された制御系統接地５６、電源系統接地５８および負荷接地６０を含む点である。この技術は、ＥＭＩおよび／または電磁両立性（ＥＭＣ）を向上させるために用いられる。制御系統接地５６は、ガルバニック絶縁６２によって電源系統接地５８から絶縁される。変圧器３４が電源系統接地５８を負荷接地６０から絶縁し、この絶縁は第１の電流センサ３６とコントローラ２８との間で維持されなければならない。電源系統接地と負荷接地６０との間の絶縁は、第１のローパスフィルタ３８または第１の信号調整装置４０においてガルバニック絶縁６２を追加することによって実現され得る。あるいは、電源系統接地５８と負荷接地６０との間の絶縁は、無視できる電流のみが装置を流れることができる差動モードで第１のローパスフィルタ３８または第１の信号調整装置４０を動作させることによって実現されることができる。図２のシステム２０では、第１の信号調整装置４０のみが差動モードで動作して、負荷接地６０から電源系統接地５８を絶縁する。これらの方法のうち１つ以上が採用され得る。

図２のシステム２０の別の追加的な特徴は、変圧器３４の一次側の第２のスイッチ３０Ｂの電流の振幅を測定するための第２の電流センサ６４である。第２の電流センサ６４は、具体的には第２のスイッチ３０Ｂの出力における電流を測定する。あるいは、スイッチ３０Ａ，３０Ｂの各々に第２の電流センサ６４があり得る。第２の電流センサ６４は、追加的なフィードバック信号５５をコントローラ２８に供給し、第１の電流センサ３６のみの位相測定では可能でない有益な診断情報を与える。たとえば、スイッチ３０Ａ，３０Ｂの出力における電流を測定することによって、負荷回路内の開路または短絡を検出することが可能である。その上、図２のシステム２０は、コントローラ２８にフィードバック信号５５を供給する前に電流出力信号５４を軽くフィルタリングするために電流センサとコントローラ２８との間に配置される第２のローパスフィルタ６６を含む。

図３は、発明の第３の例示的な実施形態に係るコロナ放電２６点火システム２０のブロック図である。図３のシステム２０もガルバニック絶縁６２を含むが、この実施形態では、ガルバニック絶縁６２は、コントローラ２８のエネルギ入力側およびエネルギ出力側の両方に位置し、３つの接地５６，５８，６０を完全に離間する。回路がより少数の接地を用いて動作するように設計される場合、ガルバニック絶縁６２によってもたらされる障壁の一方または両方を省略することができる。

図３のシステム２０は、電圧フィードバック巻線６８と称される別の巻線をさらに含む。電圧フィードバック巻線６８によって供給される電流は、コロナ点火器２２の入力２４における電圧を反映する。電圧に比例する位相だけではなく、入力２４における実電圧が測定される。電圧フィードバック巻線６８からの電圧データを含む電圧信号７０は、診断および制御目的でコントローラ２８に転送される。電圧信号７０は、電圧信号７０の大きさを限定し、必要であればガルバニック絶縁６２をもたらすために、好適な中間回路を用いてサンプリングされ得る。共振周波数の２倍より速い速度で電圧信号７０をサンプリングすることにより、実際の共振周波数が、たとえば公知の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）方法を用いてコントローラ２８によってより正確に検出されることが可能となる。図３のシステム２０は、コントローラ２８に電圧信号７０を供給する前に電圧信号７０を軽くフィルタリングするために変圧器３４とコントローラ２８との間に配置される第２のローパスフィルタ６６も含む。電圧信号７０は、変圧器３４によって引起される位相シフトを識別し訂正するために、またはドライバ３２Ａ，３２Ｂおよびスイッチ３０Ａ，３０Ｂ、ならびに変圧器３４によって導入された遅延の直接測定値を供給するために用いることもできる。要約すると、電圧信号７０はコントローラ２８の精度を向上させるために用いられ得る。また、図１および図２のシステム２０とは異なり、制御信号７２が図３のコントローラ２８に供給される。制御信号７２は、アーキングが発生したかどうかまたは所望の電圧などの、コロナ点火器２２の動作に関連する任意の情報を含むことができる。

図４は、発明の第４の例示的な実施形態に係るコロナ放電２６点火システム２０のブロック図である。システム２０は、コントローラ２８、ドライバ３２Ａ，３２Ｂ、スイッチ３０Ａ，３０Ｂ、電圧フィードバック巻線６８を有する変圧器３４、コロナ点火器２２への入力２４、第２のローパスフィルタ６６、第１の信号調整装置４０、ガルバニック絶縁６２、および第１の電流センサ３６を含む。しかしながら、この実施形態では、第１の電流センサ３６は絶縁された４線式装置であり、コロナ点火器２２の入力２４に接続された負荷を流れる負荷電流７４は、負荷回路から、ゆえに負荷接地６０から直流電気的に絶縁される対応する電圧７６を生じさせる。絶縁された電圧７６は、負荷回路への直接接続なしに、コロナ点火器２２への入力２４における負荷電流７４の位相を識別するために用いられ得る。電圧７６は、第１の電流センサ３６の設計に依存して、電圧または電流源から取得され得る。第１の電流センサ３６に用いられることができる好適な装置は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）電流センサ、光アイソレーションセンサ、特殊なハイサイドシャント測定集積回路（別個の分路抵抗器の有無に関わらない）、および変流器を含む。その上、図３の実施形態とは異なり、電圧フィードバック巻線６８の電圧が電流の代わりに測定される。電圧センサ７８が、この電圧を測定するために電圧フィードバック巻線６８の出力に配置されることが好ましい。電圧出力信号８０は次いで、第２のローパスフィルタ６６を介してコントローラ２８に転送される。

図５は、第５の例示的な実施形態に係るコロナ放電２６点火システム２０のブロック図である。この実施形態は、第１の電流センサ３６が入力２４間に位置し、第１の信号調整装置４０がここでは変圧器であり、したがって変流器と称される以外は、図４の実施形態と同様である。変流器３６は、負荷電流７４を測定し、負荷接地と電源系統接地５８との間にガルバニック絶縁６２をもたらす。変流器３６の出力は、変流器３６の入力インピーダンスの両端に電圧７６も生成する。また、信号調整装置４０によって供給される電流測定値を対応する電圧に変換するために、別個の負荷抵抗器（図示せず）を任意に用いてもよい。図示されないが、このシステムのコロナ点火器２２、および図に示される残りのシステムは、図２〜図４と同じ構造を有する。

第６の典型的な実施形態が図６に示される。入出力信号およびコントローラ２８への接続は明瞭さのために省略されるが、省略された信号および接続のいくつかまたはすべてが依然として必要とされる。この実施形態のコロナ点火システム２０では、変圧器３４の「プッシュプル」構造は、「フルブリッジ」構造として当該分野で知られている別の構造と置換される。システム２０は、各々が追加的なスイッチ３０Ｃ，３０Ｄに接続された２つの追加的なドライバ３２Ｃ，３２Ｄも含む。ドライバ３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄのすべてが絶縁される。この実施形態では、変圧器３４の一次巻線５２は単一巻線のみを必要とする。スイッチ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄはプッシュプル構造のままであり、それらの関連付けられたドライバ３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄを介して、逆位相の変圧器３４の一次の交互端部に電圧を印加する。コントローラ２８は、変圧器３４の一次における電流の流れを反対方向に制御して、変圧器３４の二次巻線８２における適切な電流流れを生成し、したがって適切な電流が入力２４において流れる。また、図６の実施形態では、コントローラ２８は、絶縁されたドライバ３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄによってもたらされるガルバニック絶縁６２によって制御系統接地５６に接続される。この構造は、所望であれば先の実施形態のいずれかに適用されてもよく、先の実施形態のトリガ入力信号４２、出力信号４４および４６、ならびに／または制御信号７２のガルバニック絶縁６２の必要性をなくしてもよい。

別の例示的な実施形態に係るコロナ点火システム２０が図７に示される。この実施形態のシステム２０は、この場合は変圧器３４がキャパシタ８４およびバラン８６で置換される以外は、図１のシステム２０と同様である。バラン８６は、必ずではないが典型的に、１：１に近い巻数比を有し、（ドライバおよびスイッチを含む）駆動回路のインピーダンスを負荷入力２４のインピーダンスに一致させて、向上した全効率をもたらすために主として用いられる。変圧器３４をバラン８６で置換することにより、いくつかの他の変更が典型的に必要となる。たとえば、バラン８６の入力側は、平均直流電圧がＶ３の１／２となる駆動回路からの直流電流流れを限定しない。したがって、この電流を阻止するためにキャパシタ８４が追加される。第２に、変圧器３４は１：３、１：５、１：８、または１：２０などの巻数比を有し得る一方、バラン８６の巻数比は典型的に低く、１：１であることが多いため、バラン８６はより高い電圧を典型的に必要とする。図７のシステム２０では、負荷電圧は、バラン８６の巻数比によってＶ３の＋および−１／２に関連することになる。バラン８６は、駆動回路から負荷入力２４を直流電気的に絶縁することもできる。

図８は、変更された接続を有するが図７と同様である第８の例示的な実施形態を示す。この例では、バラン８６は絶縁をもたらさない。代わりにバラン８６は電圧ダブリングをもたらし、負荷に印加される電圧は＋および−Ｖ３に関連する。

図９は第９の例示的な実施形態に係るコロナ点火システム２０を示す。この実施形態では、４つのスイッチ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄは「フルブリッジ」として構成され、バラン８６は、直流電流を阻止するために２つのキャパシタ８４を必要とする。その上、絶縁する第１の電流センサ３６は、「ハイサイド」位置とも称される高圧側で電流を測定する。この回路トポロジーは、第１の電流センサ３６の同相除去比（ＣＭＲＲ）が、十分に高い場合、かつ第１の電流センサ３６がこの回路位置で高圧に安全に耐えることが可能な時に実施され得る。その上、この実施形態のスイッチ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄは、２つの別個のモードで回路が動作することを可能にする。第１のモードは、（ドライバおよびスイッチを含む）回路が図６の回路と同様に動作する「フルブリッジ」モードである。負荷に印加される電圧が＋および−Ｖ３に関連するように、スイッチの対３０Ａ／３０Ｂおよび３０Ｃ／３０Ｄは各々が「プッシュプル」構造であり、逆位相で駆動される。第２のモードは、たとえばスイッチ６Ｄの起動によってバラン８６の一方側を永久的に接地に保つ。次いでスイッチ３０Ａおよび３０Ｂが逆位相で駆動され、負荷に印加される電圧が、Ｖ３の＋および−１／２、つまり「フルブリッジ」モードの電圧の２分の１に関連するシングルエンドの運転モードを与える。図９の構造は、他のトポロジーでは容易に利用可能ではない電圧制御の方法を提供する。

図１０は、第１０の例示的な実施形態に係るコロナ点火システム２０のブロック図である。この実施形態では、入力２４は、スイッチ３０Ａ，３０Ｂによって直接的に駆動される。先の実施形態のように、スイッチ３０Ａ，３０Ｂは電圧＋Ｖ３と接地との間を切換える。しかしながら、図１０のシステム２０は、スイッチ３０Ａ，３０Ｂと入力２４との間に変圧器３４またはバラン８６を含まない。したがって、入力２４に供給される電圧＋Ｖ３の大きさは変圧器３４またはバラン８６によって典型的にもたらされる電圧変更を補うように増大される。図１０のキャパシタ８４は、ＡＣ電流が流れることを可能にするが、他の場合には入力２４からスイッチ３０Ａ，３０Ｂに向かって流れることができる直流電流を阻止する。

図１０のシステム２０は、スイッチ３０Ａ，３０Ｂとキャパシタ８４との間に配置される周波数フィルタ８８も任意に含む。あるいは、周波数フィルタ８８はキャパシタ８４と入力２４との間に配置され得るか、またはキャパシタ８４は周波数フィルタ８８に組込まれ得る。周波数フィルタ８８は、基本のまたは所望の周波数を超えた周波数を減衰させるように設計され、それにより、出力ケーブル（図示せず）における高周波成分を減少させ、周囲環境における電気ノイズを減少させる。周波数フィルタ８８は、向上したインピーダンス、たとえば入力２４に接続された負荷のインピーダンスに一致するインピーダンスを供給するように設計されることもできる。任意の第２の信号調整装置９０を用いて、周波数フィルタ８８によって入力２４において負荷に供給される電圧の位相をサンプリングすることもできる。第２の信号調整装置９０は典型的に、図４および図５の電圧センサ７８と同様に機能する。たとえば、第２の信号調整装置９０は、電流のゼロ交差を取得することができる。第２の信号調整装置９０によって蓄積された電圧に関する情報はコントローラ２８に供給され、コントローラ２８は、当該情報を用いて、ドライバ３２Ａ，３２Ｂおよびスイッチ３０Ａ，３０Ｂにおいて生じる遅延を補正することができる。図１０はスイッチ３０Ａ，３０Ｂの出力に接続された任意の第２の信号調整装置９０を示すが、第２の信号調整装置９０は、代替的にドライバ３２Ａ，３２Ｂの出力に、または周波数フィルタ８８とキャパシタ８４との間、またはキャパシタ８４と入力２４との間に配置され得る。

図１〜図１０に示される例示的なシステム２０の特徴を、本願明細書において具体的に記載されたもの以外に様々な組合せで用いてもよい。本発明のシステム２０は、たとえば、異なる周波数において多くの試行を行ない、フィードバックパラメータ（たとえば電流フロー、出力電圧、エネルギ消費量）を用いることによって共振周波数を近似して、共振に最も近い試行を識別するか、相当数の共振サイクルにわたって電圧と電流との間の位相差を減少させるように共振周波数を調整するか、または、限定された周波数範囲にわたる共振を可能にするためにフィルタ設計に組み入れられた固定遅延を用いることのいずれかを試みる、比較のためのシステムでは可能ではない診断および制御能力をもたらす。

上述したように、本発明のシステム２０は、負荷における電流の位相に対する回路の電圧のほぼ瞬間的な同期を可能にし、したがって駆動周波数をコロナ点火器２２の共振周波数に等しいかまたはほぼ等しくさせる。システム２０は、広い周波数範囲にわたって動作することができるという利点ももたらす。ループ遅延の大部分は、比較のためのシステムでのようにローパスフィルタなどにおけるハードウェアに組み込まれた遅延によってではなく、コントローラ２８の制御ソフトウェアに実装された可変遅延によってもたらされる。典型的に、本発明のシステム２０において生じる短い遅延は、発振期間のおよそ２分の１、または発振期間の２分の１未満であり、したがってより広い周波数範囲が可能となる。好ましくは、電流出力信号５４の位相シフトは１８０度未満であり、より好ましくは、位相シフトは、２分の１サイクル未満である９０度未満である。短い遅延により、共振周波数の変化とほぼ直ちに一致するように駆動周波数が調整されることも可能となる。したがってコントローラ２８は、出力電流の最も最近のフルサイクルまたは以前のフルサイクルのうちの１つのゼロ交差事象に基づいてスイッチ３０Ａ，３０Ｂを起動することができ、駆動周波数の制御におけるさらなる向上が可能となる。

明らかに、本発明の多くの変更および変形が上記の教示に照らして可能であり、具体的に記載された以外のやり方で、請求項の範囲内において実施され得る。

Claims (20)

1. コロナ放電点火システムであって、
   駆動周波数および出力電流におけるエネルギを受取るコロナ点火器と、
   各々が前記駆動周波数において前記コロナ点火器にエネルギを供給する第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
   前記コロナ点火器によって受取られた前記出力電流の位相を取得するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記出力電流の第１のゼロ交差後の所定量の時間、前記第１のスイッチを起動し、前記第２のスイッチは起動されず、前記第１のゼロ交差は、前記出力電流の以前のフルサイクルのゼロ交差である、コロナ放電点火システム。
2. 前記コントローラは、前記第１のゼロ交差後に生じる前記出力電流の第２のゼロ交差後の所定量の時間、前記第２のスイッチを起動し、前記第２のスイッチが起動されている間、前記第１のスイッチは起動されない、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コントローラは、前記第２のスイッチを起動する前に前記第１のスイッチを停止する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記出力電流が正の時は常に、前記第１のスイッチは起動され、前記第２のスイッチは停止され、前記出力電流が負の時は常に、前記第１のスイッチは停止され、前記第２のスイッチは起動される、請求項２に記載のシステム。
5. 前記スイッチの一方は、前記コロナ点火器によって受取られた前記出力電流がゼロと交差するたびに前記コントローラによって起動される、請求項２に記載のシステム。
6. 前記コントローラからの駆動信号に応答して、前記第１のスイッチを起動する第１のドライバと前記第２のスイッチを起動する第２のドライバとを含む、請求項２に記載のシステム。
7. 前記出力電流の前記第１のゼロ交差と前記第１のスイッチの起動との間の所定量の時間は、固定され、前記コントローラにプログラムされるか、または前記コントローラにプログラムされたアルゴリズムによって供給される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記コントローラは、前記出力電流の以前のサイクルを分析することによって、前記出力電流の前記第１のゼロ交差と前記第１のスイッチの起動との間の前記所定量の時間を決定する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記コロナ点火器は共振周波数を有し、前記コロナ点火器に供給される前記駆動周波数は、前記コロナ点火器の前記共振周波数と等しい、請求項１に記載のシステム。
10. 前記コロナ点火器によって受取られた前記出力電流の位相を測定し、前記電流出力信号における前記出力電流の位相を前記コントローラに向けて送信する電流センサと、前記電流センサから前記出力電流信号を受信し、前記出力電流を前記コントローラに向けて送信する前に前記電流出力信号において１８０度以下の位相シフトを生じさせるフィルタとを含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記スイッチと前記コロナ点火器との間に変圧器を含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記変圧器と前記コントローラとの間に電圧センサを含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記スイッチと前記コロナ点火器との間にキャパシタおよびバランを含む、請求項１に記載のシステム。
14. コロナ放電点火システムを制御する方法であって、前記システムは、駆動周波数および出力電流におけるエネルギを受取るコロナ点火器と、前記駆動周波数において前記コロナ点火器にエネルギを供給するための第１のスイッチおよび第２のスイッチとを含み、
    前記コロナ点火器によって受取られた前記出力電流の位相を取得するステップと、
    前記出力電流の第１のゼロ交差後の所定量の時間、前記第１のスイッチを起動するステップとを含み、前記第２のスイッチは起動されず、前記第１のゼロ交差は、前記出力電流の以前のフルサイクルのゼロ交差である、方法。
15. 前記第１のゼロ交差後に生じる前記出力電流の第２のゼロ交差後の所定量の時間、前記第２のスイッチを起動することを含み、前記第２のスイッチが起動されている間、前記第１のスイッチは起動されない、請求項１４に記載の方法。
16. 前記コロナ点火器によって受取られた前記出力電流がゼロと交差するたびに前記スイッチの一方を起動することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記出力電流が正の時は常に、前記第１のスイッチは起動され、前記第２のスイッチは停止され、前記出力電流が負の時は常に、前記第１のスイッチは停止され、前記第２のスイッチは起動される、請求項１５に記載の方法。
18. 第２のスイッチを起動する前に第１のスイッチを停止することを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記第１のゼロ交差と前記第１のスイッチの起動との間の前記所定量の時間を、前記コントローラにプログラムされた固定値、前記コントローラにプログラムされたアルゴリズムから、または前記出力電流の以前のサイクルを分析することによって、取得することを含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記コロナ点火器は共振周波数を有し、前記駆動周波数は前記コロナ点火器の前記共振周波数と等しい、請求項１４に記載の方法。

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