鄧軍榮，張 濤，張 旭，張寶昆，翟文鵬

(天津航空機(jī)電有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越普遍。反激變壓器以其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小、所需元器件少等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于小功率電源場(chǎng)合[1]。反激變壓器作為點(diǎn)火裝置中的核心器件，不僅要求其具有變壓和隔離的功能，適應(yīng)寬輸入電壓及多路隔離輸出的應(yīng)用需求，而且要求其在應(yīng)用中工作穩(wěn)定性較高。

本文介紹了反激變壓器在點(diǎn)火裝置中的具體應(yīng)用，詳細(xì)論述了氣隙[2]與漏感[3]對(duì)變壓器性能的影響，并通過(guò)Saber軟件[4]與實(shí)例分析，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，從而為后續(xù)反激變壓器在點(diǎn)火裝置中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 點(diǎn)火裝置工作機(jī)理分析

點(diǎn)火裝置作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)重要組成部分之一，可將飛機(jī)上的直流或交流電源轉(zhuǎn)化為高壓脈沖電，使點(diǎn)火電嘴發(fā)出電火花，點(diǎn)燃燃燒室中的混合氣體[5-6]。

電容儲(chǔ)能放電是通過(guò)反激變壓器振蕩、次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)對(duì)電容進(jìn)行充電，達(dá)到放電電壓時(shí)通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)周期性的高壓放電。電容儲(chǔ)能放電式點(diǎn)火裝置由于其放電頻率可控、儲(chǔ)存能量可從幾百毫焦耳到幾十焦耳、重量輕等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。高壓點(diǎn)火裝置的基本原理框圖如圖1所示，直流電源通過(guò)濾波電路、PWM、MOS開(kāi)關(guān)電路、反饋電路、控制電路、開(kāi)關(guān)電路和反激變換電路將低壓直流電變換為高壓脈沖電，然后經(jīng)充電電路給電容器充電，當(dāng)其電壓達(dá)到閾值電壓后，通過(guò)放電電路進(jìn)行放電，擊穿電嘴后打火。

圖1 高壓點(diǎn)火裝置的基本原理框圖

2 反激變換電路工作機(jī)理分析

反激變換電路由反激變壓器T1、MOS管V1、整流管D1等構(gòu)成，如圖2所示，其工作模式是只有在MOS管關(guān)斷即初級(jí)線圈沒(méi)有被激勵(lì)時(shí)，次級(jí)線圈才會(huì)向電容器充電。

圖2 反激變換電路

在控制開(kāi)關(guān)V1導(dǎo)通期間，輸入電源與初級(jí)線圈之間形成通路，產(chǎn)生電流Ip，這時(shí)不僅有自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，還會(huì)在次級(jí)線圈N2兩端產(chǎn)生上負(fù)下正的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但因?yàn)槎O管D2的反向截?cái)嘧饔?，無(wú)通路產(chǎn)生。此時(shí)，變壓器初級(jí)線圈作為一個(gè)電感存在，電源能量以磁能的形式存儲(chǔ)在初級(jí)線圈N1中。電感單個(gè)周期的儲(chǔ)能量W為：

(1)

其中：Lp為初級(jí)繞組線圈電感值；Ipmax為初級(jí)繞組線圈電流峰值。

在控制開(kāi)關(guān)V1關(guān)斷期間，輸入電源與初級(jí)線圈之間形成的通路被關(guān)斷，但因?yàn)殡姼须娏魇遣荒芡蛔兊?，初?jí)電感就會(huì)在V1關(guān)斷過(guò)程中在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其可通過(guò)變壓器的繞組耦合到次級(jí)，使次級(jí)整流二極管導(dǎo)通，負(fù)載有電流流通。初級(jí)電感繞組在控制開(kāi)關(guān)V1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過(guò)磁芯耦合到次級(jí)電感，然后通過(guò)次級(jí)繞組線圈儲(chǔ)存到儲(chǔ)能電容C2中，從而完成能量的傳遞。

3 氣隙效應(yīng)的分析

反激變壓器作為反激變換電路的重要組成部分，其工作的穩(wěn)定性將很大程度上決定點(diǎn)火裝置的工作性能。基于對(duì)反激變換電路工作模式的分析可知，在控制開(kāi)關(guān)V1導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)繞組未構(gòu)成回路，造成初級(jí)的全部電流用于磁芯沿磁滯回線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能向磁能的轉(zhuǎn)換，這種情況極易使磁芯飽和。當(dāng)磁芯飽和時(shí)，極易造成控制開(kāi)關(guān)V1的損壞，影響點(diǎn)火裝置的使用。這時(shí)，就需要增開(kāi)氣隙使磁芯的性能趨于穩(wěn)定，從而增強(qiáng)變換器工作的穩(wěn)定性，并且將大部分能量?jī)?chǔ)存在氣隙中。

圖3為帶有氣隙電感的等效磁路示意圖，根據(jù)安培環(huán)路定律，其磁路方程為：

圖3 帶氣隙電感的等效磁路示意圖

F=NI=Φ·Rme+Φ·Rmδ.

(2)

其中：F為磁動(dòng)勢(shì)；N為線圈匝數(shù)；I為線圈電流有效值；Φ為磁通；Rmδ為氣隙磁阻；Rme為磁路本身磁阻。

則

(3)

當(dāng)不考慮其繞組電阻時(shí)：

(4)

其中：E為磁動(dòng)勢(shì)；i為流過(guò)線圈的電流。

所以總電感為：

(5)

正是由于氣隙的存在(Rmδ≠0)，磁路的總磁阻增加，等效磁導(dǎo)率和電感值均減小，其磁通Φ與磁勢(shì)F的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)磁芯不飽和時(shí)，磁勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，在同等條件下，加氣隙后初級(jí)線圈可通過(guò)的電流(如圖4中1/(Rme+Rmδ)所示)比未加氣隙的初級(jí)線圈通過(guò)的電流大(如圖4中1/Rme所示)，即式(1)中的Ipmax增大，則初級(jí)線圈中能存儲(chǔ)足夠多的磁能供次級(jí)繞組輸出。

圖4 磁芯中氣隙對(duì)磁特性影響

4 漏感效應(yīng)的分析

目前，點(diǎn)火裝置實(shí)際應(yīng)用中對(duì)變換電路性能指標(biāo)影響最大的是變壓器中存在的漏感，漏感不僅會(huì)讓MOS管關(guān)斷時(shí)存在被擊穿的危險(xiǎn)，還會(huì)形成振蕩，影響點(diǎn)火裝置電路的電磁特性。

實(shí)際的變壓器中(如圖5所示)，有一部分磁通只匝鏈一個(gè)繞組，而不匝鏈其他繞組，泄漏到了空氣中變壓器的其他部位，這部分磁通稱為“漏磁通”。圖5中，電流i1在原邊繞組所產(chǎn)生的磁通為Φ11，漏磁通為Φs1，同時(shí)匝鏈原副邊繞組磁通為Φ12，只與N2線圈匝鏈的磁通為Φ22，副邊N2的漏磁通為Φs2。由漏磁通所產(chǎn)生的電感稱為漏感，則在忽略繞組電阻時(shí)，輸入到原邊繞組的端電壓為：

圖5 考慮漏磁的雙繞組變壓器

(6)

副邊要輸出的負(fù)載電壓u2為：

(7)

其中：N1和N2分別為變壓器原邊和副邊的匝數(shù)。

定義Ls1和Ls2分別為漏磁通Φs1和Φs2產(chǎn)生的漏電感，即：

(8)

反激式開(kāi)關(guān)變壓器的漏感一般都比較大，漏感與初級(jí)線圈電感之比大多都在2%～5%之間。漏感的大小主要與變壓器初、次級(jí)線圈的繞法、鐵芯和骨架的結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)，還與磁通密度取值的大小有關(guān)，磁通密度越大，導(dǎo)磁率就會(huì)越小，漏感相對(duì)也要增大。對(duì)某點(diǎn)火裝置變壓器使用LCR數(shù)字電橋TH2819A進(jìn)行測(cè)試(其中測(cè)試電源的輸入電壓為0.3 V，頻率分別為1 kHz、10 kHz、20 kHz)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1中變壓器初級(jí)線圈測(cè)試值發(fā)現(xiàn)：其漏感值基本無(wú)變化，漏感量所占電感值比例隨氣隙的增加而增加；隨測(cè)試頻率的增加，漏感所占電感值比例減小。因此，在點(diǎn)火裝置中所選取的變壓器結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定的條件下，應(yīng)在增加氣隙滿足儲(chǔ)存能量時(shí)，盡可能減小其漏感量。

表1 某反激變壓器電感測(cè)試結(jié)果

5 軟件仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

Saber軟件集成度高，從繪制原理圖到仿真分析可以在一個(gè)環(huán)境中完成，可進(jìn)行一系列基本功能分析，并且具有強(qiáng)大的仿真數(shù)據(jù)后處理能力，可對(duì)結(jié)果進(jìn)行各種分析、比較和計(jì)算。圖6為在Saber軟件中建立的某型點(diǎn)火裝置電路模型。

圖6 某型點(diǎn)火裝置Saber電路模型

依次調(diào)整變壓器初級(jí)繞組電感及漏感值，獲得在不同漏感及氣隙下產(chǎn)品的工作狀態(tài)，檢測(cè)MOS管尖峰電壓值。圖7為在不同漏感比例下仿真開(kāi)關(guān)MOS管Vds所承受的電壓尖峰大小，可以看出隨著漏感值比例的增加，漏感尖峰電壓脈沖增大，從而有可能導(dǎo)致MOS管擊穿。

圖7 不同漏感比例下MOS管所承受的電壓尖峰值

為驗(yàn)證氣隙及不同漏感比例對(duì)反激變壓器電感值的影響，對(duì)某反激變壓器通過(guò)疊加云母片(1片～3片)的方法改變氣隙,裝配于產(chǎn)品進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試，獲取MOS開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓。產(chǎn)品試驗(yàn)情況如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖8 不同氣隙變壓器試驗(yàn)情況

從圖9中可以看出：隨著漏感值比例的增大，電壓尖峰實(shí)測(cè)值從168 V增加到184 V。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，從而證明了氣隙及漏感的存在對(duì)變壓器工作的影響。

圖9 MOS管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰實(shí)測(cè)值

6 結(jié)論

本文介紹了基于反激變壓器的點(diǎn)火裝置的工作機(jī)理，研究了反激變壓器的工作原理，理論分析了氣隙與漏感對(duì)變壓器工作性能的影響，并且應(yīng)用Saber軟件進(jìn)行了仿真分析，最后通過(guò)實(shí)例對(duì)仿真模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果吻合。本文研究為后續(xù)點(diǎn)火裝置反激變換電路設(shè)計(jì)工作提供了理論基礎(chǔ)，從而可提高產(chǎn)品工作的可靠性。