晶體管式點火系統(tǒng)升壓電路的研究

翟文鵬,劉 巖,張寶昆,張 旭,鄧軍榮

(1.天津航空機電有限公司，天津 300000;2.空軍裝備部駐天津地區(qū)第二軍事代表室，天津 300000)

0 引言

航空點火系統(tǒng)主要包括點火裝置、點火電纜和點火電嘴。其中常見的半導(dǎo)體電嘴的最小發(fā)火電壓一般小于1 500 V，但隨著放電次數(shù)的增多，半導(dǎo)體電嘴電腐蝕越來越嚴重，電嘴中心電極磨損嚴重，使得最小發(fā)火電壓也逐步升高，直至在電嘴壽命期的后期，點火裝置提供的電壓不能滿足半導(dǎo)體電嘴的最小發(fā)火電壓，導(dǎo)致在半導(dǎo)體電嘴的發(fā)火端面不能形成電火花。因此如何解決電嘴腐蝕問題成了優(yōu)化點火系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)。

1 點火裝置工作原理及計算

1.1 點火裝置工作原理分析

晶體管式點火裝置的原理圖如圖1所示。當電源接通后，晶體管開始導(dǎo)通，集電極電流增加，當達到晶體管集電極最大允許電流Icm后，電流變化率迅猛下降，變壓器T1初級電感的感應(yīng)電壓也隨之下降，使晶體管進入截止狀態(tài)；變壓器T1初級線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生反向，變壓器通過硅堆V1向儲能電容C1充電[1]；充電結(jié)束后，晶體管又一次導(dǎo)通，重復(fù)這一過程，晶體管就通過變壓器T1不斷地向儲能電容充電，直到電容電壓達到放電管V2的放電電壓后，儲能電容向電嘴放電，裝置完成點火過程[2-3]。

圖1 晶體管式點火裝置原理圖

圖1中，方框內(nèi)為點火裝置的二次升壓電路，T2為升壓變壓器，V2為放電管，R1、R2為保護電阻，C1為儲能電容，C2為升壓觸發(fā)電容。

1.2 儲能電容充電過程分析

儲能電容在變壓器高頻反復(fù)的充電中電壓升高，在考慮變壓器線圈電阻情況下，變壓器與儲能電容可等效為如圖2所示電路。其中，RL2為變壓器次級的內(nèi)阻，L1為變壓器初級電感，L2為變壓器次級電感。

圖2 儲能電容充電過程等效電路

為方便分析電路，不考慮變壓器漏感和線路分布參數(shù)的影響，假設(shè)變壓器T1匝數(shù)比為n1，在電容器充電瞬間，晶體管集電極最大允許電流為Icm，這時圖2電路可表示為：

(1)

(2)

其中:uC1t1為C1第一次充電后的電壓；iL2為流過次級電感的電流。

整理可得：

(3)

計算二階常系數(shù)齊次微分方程，并類推電容第n次充電，得：

(4)

(5)

(6)

2 升壓電路工作原理及計算

針對電嘴壽命后期電腐蝕的問題，若選用耐腐蝕性能更好的中心電極和半導(dǎo)體材料短期內(nèi)難以實現(xiàn)，若考慮利用變壓器的升壓特性將儲能電容器的電壓二次升高，則可以有效地解決電嘴發(fā)火電壓升高的問題。

2.1 升壓電路原理分析

圖1的升壓電路中，儲能電容C1在直流變換電路和變壓器的作用下不斷充電，同時升壓電路中的觸發(fā)電容C2也在不斷充電，當儲能電容電壓達到放電管的放電電壓時，儲能電容、電嘴、升壓變壓器T2次級形成放電回路，通過電嘴開始放電。同時，升壓電容和升壓變壓器初級會形成二階振蕩電路，升壓電容量和升壓變壓器初級電感量都比較小，二階振蕩電路的充放電時間短、頻率快，通過升壓變壓器可以在次級耦合出一個高電壓，使得最終的輸出電壓升高，直至儲能電容C1的電量完全釋放出去。

經(jīng)過升壓變壓器T2的進一步升壓后，此時半導(dǎo)體電嘴發(fā)火端輸入電壓遠遠大于其發(fā)火電壓，電嘴能夠可靠發(fā)火，降低了半導(dǎo)體電嘴因為電腐蝕而引起發(fā)火電壓升高導(dǎo)致不發(fā)火的風險。

2.2 升壓電路計算過程

前文中變壓器T1在給儲能電容C1充電的同時，C2通過C2-R2-L2回路充電，其第一次充電電壓為：

(7)

當儲能電容C1電壓升至放電管放電電壓，此時電容C2的電壓值為：

(8)

根據(jù)點火裝置放電回路的原理，觸發(fā)電容C2與升壓變壓器初級線圈L2形成二階振蕩回路。升壓變壓器T2初級兩端電壓近似為觸發(fā)電容C2的電壓，故電嘴放電前所承受的輸出電壓U0為：

(9)

其中:n2為升壓變壓器的匝數(shù)比。

某點火裝置參數(shù)：Icm=2.2 A，L2=900 mH，RL2=180 Ω，C1=1μF，變壓器T1匝數(shù)比n1=25，升壓變壓器T2匝數(shù)比n2=3，放電管的擊穿電壓為3 200 V。在沒有升壓變壓器時，輸出電壓為放電管的擊穿電壓，如圖3所示。當觸發(fā)電容為0.016 μF時，根據(jù)公式(9)可以求得經(jīng)過升壓后的輸出電壓U0為12.24 kV。實際測得的輸出電壓如圖4所示，輸出電壓U0最大峰值為11.04 kV。

從圖3和圖4可以看出：加上升壓變壓器之后，輸出電壓U0從3 220 V升至11.04 kV。

圖3 不帶升壓變壓器時輸出電壓波形

圖4 帶升壓變壓器時輸出電壓波形

3 升壓電路的影響因素

從公式(9)可以看出：觸發(fā)電容上的電壓經(jīng)過變壓器在次級上耦合出高電壓，因此電容值對點火裝置的輸出電壓有影響。圖5是更換不同觸發(fā)電容值時點火裝置的輸出電壓。

圖5 不同觸發(fā)電容值下的輸出電壓U0

由圖5可以看出：隨著觸發(fā)電容值的增加，輸出電壓也隨之變高；另外，輸出電壓的計算值均高于實際測量值，計算值與測量值誤差在9.72%～10.87%之間，這是由于在計算輸出電壓時按照理想條件下計算，實際上還應(yīng)考慮變壓器損耗以及線路分布電容及線路損耗等因素對輸出電壓的影響。但升壓電路的計算過程可為設(shè)計點火裝置提供依據(jù)。

繼續(xù)增大觸發(fā)電容值，得到輸出電壓，如表1所示。表1中數(shù)據(jù)顯示，繼續(xù)增加電容值，輸出電壓變化基本不再繼續(xù)增加，分析其原因為：隨著電容值的增加，升壓變壓器的磁芯飽和，初級線圈的每伏匝數(shù)比(初級電壓)再高，它的次級電壓也不會按初次級比例升高，也就是次級電壓達到恒定。

表1 不同觸發(fā)電容值下的輸出電壓

4 結(jié)束語

本文在研究點火裝置充電過程的基礎(chǔ)上，對二次升壓電路進行了介紹并研究了其升壓效果的影響因素，利用該裝置可降低半導(dǎo)體電嘴因為電腐蝕而引起發(fā)火電壓升高導(dǎo)致不發(fā)火的風險，同時也為點火裝置的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。