點(diǎn)火系統(tǒng)放電過程研究

張寶昆，張 濤，翟文鵬，鄧軍榮，張 旭

(天津航空機(jī)電有限公司，天津 300300)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火裝置、接觸裝置和半導(dǎo)體電嘴組成[1-2]。目前，點(diǎn)火裝置主要分為晶體管式和數(shù)字式兩種類型。數(shù)字式點(diǎn)火裝置具有點(diǎn)火頻率穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多種點(diǎn)火系統(tǒng)中[3]。在某型數(shù)字式點(diǎn)火裝置放電過程中，續(xù)流回路的電流并未按照理想的衰減趨勢進(jìn)行規(guī)律變化，而是在外界因素的影響下產(chǎn)生突變。電流的突變會對續(xù)流硅堆造成損害[4-5]，進(jìn)而影響點(diǎn)火裝置性能。為了避免續(xù)流硅堆等元器件受到突變電流的沖擊，本文對點(diǎn)火裝置觸發(fā)放電過程進(jìn)行分析，找出續(xù)流電流突變原因，采用增加緩沖電阻的方式來降低電流躍變幅值，提高點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性。

1 數(shù)字式點(diǎn)火裝置工作原理

圖1為數(shù)字式點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，虛線框中為點(diǎn)火裝置電路的主要組成部分。當(dāng)?shù)蛪褐绷麟娸斎朦c(diǎn)火裝置后，依次通過濾波電路、直流變換電路轉(zhuǎn)換為高壓脈沖電，并通過整流電路開始向儲能電容充電。在儲能電容充電電壓達(dá)到閾值電壓時，反饋電路會同步觸發(fā)晶閘管進(jìn)行放電，充電和放電過程受到頻率控制電路和脈寬調(diào)制電路的制約。電流通過接觸裝置后在半導(dǎo)體電嘴端面發(fā)出火花，完成一次點(diǎn)火過程，同時保證火花具有一定的能量。

圖1 數(shù)字式點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 觸發(fā)放電過程分析

點(diǎn)火裝置的反饋觸發(fā)電路含有穩(wěn)壓二極管Z，可以保證觸發(fā)電壓的穩(wěn)定，而放電電路主要由儲能電容C、反饋?zhàn)儔浩鱐、晶閘管VT、硅堆D、電感線圈L和電纜電嘴(等效電阻R0)組成，如圖2所示。續(xù)流硅堆組成的續(xù)流回路能夠延續(xù)放電電流的持續(xù)時間，增加了放電能量在點(diǎn)火過程中的利用率。

圖2 觸發(fā)放電電路原理圖

晶閘管VT開啟需要滿足兩個條件：①陽極和陰極之間存在正向電壓；②控制極得到觸發(fā)信號。當(dāng)正向電流大于保持電流時，晶閘管保持導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)正向電流小于保持電流時，晶閘管轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)。晶閘管被觸發(fā)，就相當(dāng)于電路中的一個開關(guān)K被接通，儲能電容中的電能轉(zhuǎn)化為熱能，在半導(dǎo)體電嘴發(fā)火端面形成高能電火花，其等效電路如圖3所示。

圖3 觸發(fā)放電電路等效電路圖

點(diǎn)火裝置放電過程可以分為兩個階段：

(1)觸發(fā)放電階段。當(dāng)儲能電容電壓達(dá)到閾值電壓時，變壓器收到反饋信號并同步驅(qū)動晶閘管開啟，假設(shè)此時續(xù)流回路不參與放電過程，續(xù)流硅堆中沒有電流流過，電路流向如圖4所示。此階段放電工作狀態(tài)會持續(xù)到儲能電容器電能釋放完畢，該過程中晶閘管保持導(dǎo)通，電路響應(yīng)為二階電路零輸入響應(yīng)。

圖4 觸發(fā)放電階段電流流向

為了計(jì)算放電過程中電流i的變化規(guī)律，對電容兩端電壓uc列微分方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

對于試驗(yàn)點(diǎn)火裝置來說，儲能電容C=1 μF，放電閾值電壓U0=2.6 kV，電感線圈L=8.98 μH，電纜電嘴等效電阻R0=0.5 Ω。將數(shù)據(jù)代入式(4)可得電感電流最大值iLm=762.20 A。試驗(yàn)測得整個放電過程中流經(jīng)電感線圈的電流iL如圖5所示，而觸發(fā)放電階段iLm=743.56 A，與理論計(jì)算結(jié)果基本相符。

圖5 電感電流iL

(2)續(xù)流放電階段。當(dāng)儲能電容放電結(jié)束，晶閘管因正向電流低于保持電流而關(guān)斷，電流不再流過儲能電容。續(xù)流放電階段電流流向如圖6所示。續(xù)流電路響應(yīng)滿足一階電路零輸入響應(yīng)規(guī)律，流經(jīng)續(xù)流硅堆的電流iD應(yīng)當(dāng)與流經(jīng)電感線圈的電流iL相等。

圖6 續(xù)流放電階段電流流向

但在實(shí)際放電過程中續(xù)流回路的電流存在突變現(xiàn)象，電流變化如圖7所示。將圖中流經(jīng)電感線圈的電流iL和流經(jīng)續(xù)流硅堆的電流iD對比可知:續(xù)流回路在儲能電容放電5.1 μs后開始導(dǎo)通，導(dǎo)通5.0 μs后電流幅值產(chǎn)生突變，續(xù)流電流iD峰值比同時刻電感電流iL高出191.56 A，這會對續(xù)流硅堆造成傷害，與續(xù)流放電階段對電流規(guī)律的分析不同。

圖7 電感電流iL和續(xù)流電流iD

前文在分析續(xù)流放電階段時之所以認(rèn)為續(xù)流電流iD全部來源于電感線圈，是因?yàn)閮δ茈娙莘烹娊Y(jié)束后，晶閘管正向電流小于保持電流，從而默認(rèn)其已經(jīng)處于阻斷狀態(tài)。但如果晶閘管關(guān)斷特性不理想，沒有因?yàn)檎螂娏鬟^小而及時關(guān)斷，也可能造成續(xù)流電流iD的增加。試驗(yàn)測得電容電流iC和續(xù)流電流iD的關(guān)系如圖8所示，電容電流iC的方向有發(fā)生變化的階段，且在該階段中iC與iD的幅值存在對稱關(guān)系。實(shí)測波形表明晶閘管中有反向電流流過，并未及時關(guān)斷。值得注意的是，圖8中續(xù)流電流iD的波形說明續(xù)流回路從觸發(fā)放電階段便開始工作，與前文假設(shè)不符，但其工作時儲能電容電流已經(jīng)開始衰減，不影響對電流極值的推論。續(xù)流回路從觸發(fā)放電階段開始工作后，電流變化符合二階系統(tǒng)振蕩規(guī)律。

圖8 電容電流iC和續(xù)流電流iD

由晶閘管不理想的關(guān)斷特性可以推斷，在觸發(fā)放電階段和續(xù)流放電階段中間，存在過渡放電階段，此階段晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲能電容也會通過續(xù)流電路釋放能量。過渡階段電流流向如圖9所示，電流關(guān)系式為iD=iL+iC。

圖9 過渡放電階段電流流向

3 電流抑制措施及影響分析

為避免續(xù)流電流突增傷害續(xù)流硅堆，可以在方案設(shè)計(jì)階段考慮晶閘管關(guān)斷特性不理想的因素進(jìn)行相應(yīng)的降額設(shè)計(jì)。但若方案已經(jīng)確定，元器件供應(yīng)短期內(nèi)也無法更改，可以通過加入緩沖電阻來抑制續(xù)流電流振蕩的超調(diào)量?？紤]到實(shí)際放電過程中元器件雜感參數(shù)對電流變化規(guī)律的影響，可得放電回路等效電路如圖10所示，圖中rL、rD分別為電感、硅堆的等效電阻。

圖10 放電回路等效電路

續(xù)流回路并未全程參與放電過程，所以在續(xù)流支路串聯(lián)緩沖電阻對放電持續(xù)時間和火花能量的影響有限，同時可以增大系統(tǒng)振蕩阻尼比，降低超調(diào)量，可使電流突變幅度至合理范圍。在Multisim中搭建放電電路仿真模型，可得放電過程中電容電流iC、續(xù)流電流iD和電感電流iL如圖11所示，加入緩沖電阻后的電流波形如圖12所示。通過仿真結(jié)果可知加入緩沖電阻可以抑制續(xù)流電流的突變，減少對續(xù)流硅堆的沖擊，說明該方法可行有效。

圖11 未加入緩沖電阻的電流波形

圖12 加入緩沖電阻的電流波形

但緩沖電阻的選定需在合理范圍，阻值過小沒有抑制電流的效果，阻值過大會影響點(diǎn)火裝置的性能參數(shù)，緩沖電阻過大時電流變化波形如圖13所示。

圖13 緩沖電阻阻值過大時的電流波形

緩沖電阻阻值過大時電流幅值減小，電火花能量隨之降低；電流快速衰減，即放電持續(xù)時間減少。通過仿真驗(yàn)證結(jié)果可知:當(dāng)加入緩沖電阻r=300 mΩ時可以有效抑制本文所述點(diǎn)火裝置續(xù)流電流iD的突變，且對電火花能量和電流持續(xù)時間影響有限，點(diǎn)火裝置性能參數(shù)滿足協(xié)議要求。

4 總結(jié)

本文研究分析了點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)際放電過程的三個階段，指明續(xù)流電流突變的原因是晶閘管關(guān)斷特性不理想。為降低突變電流對續(xù)流硅堆的影響，可采用增加緩沖電阻的方式加以抑制，并通過試驗(yàn)證明了該方案的可行性。同時建議在方案設(shè)計(jì)階段考慮晶閘管的實(shí)際特性，在續(xù)流硅堆選型時設(shè)計(jì)合理裕量。本文研究為同類點(diǎn)火產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考。