翟文鵬,劉 巖,張寶昆,張 旭,鄧軍榮

(1.天津航空機(jī)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(diǎn)火系統(tǒng)主要包括點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火電纜和點(diǎn)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(yán)重，電嘴中心電極磨損嚴(yán)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(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)。

1 點(diǎn)火裝置工作原理及計(jì)算

1.1 點(diǎn)火裝置工作原理分析

晶體管式點(diǎn)火裝置的原理圖如圖1所示。當(dāng)電源接通后，晶體管開始導(dǎo)通，集電極電流增加，當(dāng)達(dá)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(jí)電感的感應(yīng)電壓也隨之下降，使晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)；變壓器T1初級(jí)線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生反向，變壓器通過硅堆V1向儲(chǔ)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(chǔ)能電容充電，直到電容電壓達(dá)到放電管V2的放電電壓后，儲(chǔ)能電容向電嘴放電，裝置完成點(diǎn)火過程[2-3]。

圖1 晶體管式點(diǎn)火裝置原理圖

圖1中，方框內(nèi)為點(diǎn)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(hù)電阻，C1為儲(chǔ)能電容，C2為升壓觸發(fā)電容。

1.2 儲(chǔ)能電容充電過程分析

儲(chǔ)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(chǔ)能電容可等效為如圖2所示電路。其中，RL2為變壓器次級(jí)的內(nèi)阻，L1為變壓器初級(jí)電感，L2為變壓器次級(jí)電感。

圖2 儲(chǔ)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(shí)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(jí)電感的電流。

整理可得：

(3)

計(jì)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(jì)算

針對(duì)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(shí)現(xiàn)，若考慮利用變壓器的升壓特性將儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)升壓電路中的觸發(fā)電容C2也在不斷充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容電壓達(dá)到放電管的放電電壓時(shí)，儲(chǔ)能電容、電嘴、升壓變壓器T2次級(jí)形成放電回路，通過電嘴開始放電。同時(shí)，升壓電容和升壓變壓器初級(jí)會(huì)形成二階振蕩電路，升壓電容量和升壓變壓器初級(jí)電感量都比較小，二階振蕩電路的充放電時(shí)間短、頻率快，通過升壓變壓器可以在次級(jí)耦合出一個(gè)高電壓，使得最終的輸出電壓升高，直至儲(chǔ)能電容C1的電量完全釋放出去。

經(jīng)過升壓變壓器T2的進(jìn)一步升壓后，此時(shí)半導(dǎo)體電嘴發(fā)火端輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)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?yàn)殡姼g而引起發(fā)火電壓升高導(dǎo)致不發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 升壓電路計(jì)算過程

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

(7)

當(dāng)儲(chǔ)能電容C1電壓升至放電管放電電壓，此時(shí)電容C2的電壓值為：

(8)

根據(jù)點(diǎn)火裝置放電回路的原理，觸發(fā)電容C2與升壓變壓器初級(jí)線圈L2形成二階振蕩回路。升壓變壓器T2初級(jí)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(diǎn)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(shí)，輸出電壓為放電管的擊穿電壓，如圖3所示。當(dāng)觸發(fā)電容為0.016 μF時(shí)，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(shí)際測(cè)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(shí)輸出電壓波形

圖4 帶升壓變壓器時(shí)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(jí)上耦合出高電壓，因此電容值對(duì)點(diǎn)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(shí)點(diǎn)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(jì)算值均高于實(shí)際測(cè)量值，計(jì)算值與測(cè)量值誤差在9.72%～10.87%之間，這是由于在計(jì)算輸出電壓時(shí)按照理想條件下計(jì)算，實(shí)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(duì)輸出電壓的影響。但升壓電路的計(jì)算過程可為設(shè)計(jì)點(diǎn)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?yàn)椋弘S著電容值的增加，升壓變壓器的磁芯飽和，初級(jí)線圈的每伏匝數(shù)比(初級(jí)電壓)再高，它的次級(jí)電壓也不會(huì)按初次級(jí)比例升高，也就是次級(jí)電壓達(dá)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(diǎn)火裝置充電過程的基礎(chǔ)上，對(duì)二次升壓電路進(jìn)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?yàn)殡姼g而引起發(fā)火電壓升高導(dǎo)致不發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也為點(diǎn)火裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。