晶体管式点火系统升压电路的研究

翟文鹏,刘 岩,张宝昆,张 旭,邓军荣

(1.天津航空机电有限公司，天津 300000;2.空军装备部驻天津地区第二军事代表室，天津 300000)

0 引言

航空点火系统主要包括点火装置、点火电缆和点火电嘴。其中常见的半导体电嘴的最小发火电压一般小于1 500 V，但随着放电次数的增多，半导体电嘴电腐蚀越来越严重，电嘴中心电极磨损严重，使得最小发火电压也逐步升高，直至在电嘴寿命期的后期，点火装置提供的电压不能满足半导体电嘴的最小发火电压，导致在半导体电嘴的发火端面不能形成电火花。因此如何解决电嘴腐蚀问题成了优化点火系统不可缺少的一环。

1 点火装置工作原理及计算

1.1 点火装置工作原理分析

晶体管式点火装置的原理图如图1所示。当电源接通后，晶体管开始导通，集电极电流增加，当达到晶体管集电极最大允许电流Icm后，电流变化率迅猛下降，变压器T1初级电感的感应电压也随之下降，使晶体管进入截止状态；变压器T1初级线圈的感应电压发生反向，变压器通过硅堆V1向储能电容C1充电[1]；充电结束后，晶体管又一次导通，重复这一过程，晶体管就通过变压器T1不断地向储能电容充电，直到电容电压达到放电管V2的放电电压后，储能电容向电嘴放电，装置完成点火过程[2-3]。

图1 晶体管式点火装置原理图

图1中，方框内为点火装置的二次升压电路，T2为升压变压器，V2为放电管，R1、R2为保护电阻，C1为储能电容，C2为升压触发电容。

1.2 储能电容充电过程分析

储能电容在变压器高频反复的充电中电压升高，在考虑变压器线圈电阻情况下，变压器与储能电容可等效为如图2所示电路。其中，RL2为变压器次级的内阻，L1为变压器初级电感，L2为变压器次级电感。

图2 储能电容充电过程等效电路

为方便分析电路，不考虑变压器漏感和线路分布参数的影响，假设变压器T1匝数比为n1，在电容器充电瞬间，晶体管集电极最大允许电流为Icm，这时图2电路可表示为：

(1)

(2)

其中:uC1t1为C1第一次充电后的电压；iL2为流过次级电感的电流。

整理可得：

(3)

计算二阶常系数齐次微分方程，并类推电容第n次充电，得：

(4)

(5)

(6)

2 升压电路工作原理及计算

针对电嘴寿命后期电腐蚀的问题，若选用耐腐蚀性能更好的中心电极和半导体材料短期内难以实现，若考虑利用变压器的升压特性将储能电容器的电压二次升高，则可以有效地解决电嘴发火电压升高的问题。

2.1 升压电路原理分析

图1的升压电路中，储能电容C1在直流变换电路和变压器的作用下不断充电，同时升压电路中的触发电容C2也在不断充电，当储能电容电压达到放电管的放电电压时，储能电容、电嘴、升压变压器T2次级形成放电回路，通过电嘴开始放电。同时，升压电容和升压变压器初级会形成二阶振荡电路，升压电容量和升压变压器初级电感量都比较小，二阶振荡电路的充放电时间短、频率快，通过升压变压器可以在次级耦合出一个高电压，使得最终的输出电压升高，直至储能电容C1的电量完全释放出去。

经过升压变压器T2的进一步升压后，此时半导体电嘴发火端输入电压远远大于其发火电压，电嘴能够可靠发火，降低了半导体电嘴因为电腐蚀而引起发火电压升高导致不发火的风险。

2.2 升压电路计算过程

前文中变压器T1在给储能电容C1充电的同时，C2通过C2-R2-L2回路充电，其第一次充电电压为：

(7)

当储能电容C1电压升至放电管放电电压，此时电容C2的电压值为：

(8)

根据点火装置放电回路的原理，触发电容C2与升压变压器初级线圈L2形成二阶振荡回路。升压变压器T2初级两端电压近似为触发电容C2的电压，故电嘴放电前所承受的输出电压U0为：

(9)

其中:n2为升压变压器的匝数比。

某点火装置参数：Icm=2.2 A，L2=900 mH，RL2=180 Ω，C1=1μF，变压器T1匝数比n1=25，升压变压器T2匝数比n2=3，放电管的击穿电压为3 200 V。在没有升压变压器时，输出电压为放电管的击穿电压，如图3所示。当触发电容为0.016 μF时，根据公式(9)可以求得经过升压后的输出电压U0为12.24 kV。实际测得的输出电压如图4所示，输出电压U0最大峰值为11.04 kV。

从图3和图4可以看出：加上升压变压器之后，输出电压U0从3 220 V升至11.04 kV。

图3 不带升压变压器时输出电压波形

图4 带升压变压器时输出电压波形

3 升压电路的影响因素

从公式(9)可以看出：触发电容上的电压经过变压器在次级上耦合出高电压，因此电容值对点火装置的输出电压有影响。图5是更换不同触发电容值时点火装置的输出电压。

图5 不同触发电容值下的输出电压U0

由图5可以看出：随着触发电容值的增加，输出电压也随之变高；另外，输出电压的计算值均高于实际测量值，计算值与测量值误差在9.72%～10.87%之间，这是由于在计算输出电压时按照理想条件下计算，实际上还应考虑变压器损耗以及线路分布电容及线路损耗等因素对输出电压的影响。但升压电路的计算过程可为设计点火装置提供依据。

继续增大触发电容值，得到输出电压，如表1所示。表1中数据显示，继续增加电容值，输出电压变化基本不再继续增加，分析其原因为：随着电容值的增加，升压变压器的磁芯饱和，初级线圈的每伏匝数比(初级电压)再高，它的次级电压也不会按初次级比例升高，也就是次级电压达到恒定。

表1 不同触发电容值下的输出电压

4 结束语

本文在研究点火装置充电过程的基础上，对二次升压电路进行了介绍并研究了其升压效果的影响因素，利用该装置可降低半导体电嘴因为电腐蚀而引起发火电压升高导致不发火的风险，同时也为点火装置的优化设计提供了依据。