基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路研究

(北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

航天器在太空中運行的姿態和軌道，需要根據其狀態變化情況和任務執行指令進行即時控制，而執行其控制任務的就是姿軌控動力系統。隨著航天技術的進步和發展，對姿軌控發動機快響應要求越來越高，姿軌控發動機響應時間包括推力室燃燒響應時間和電磁閥開關響應時間[1]，其中電磁閥開關響應時間占到較大部分，因此提高電磁閥開關響應性能可以提高姿軌控發動機響應性能，從而提高航天器的姿態及軌跡的控制精度。

某型號姿軌控發動機要求快響應、高精度控制值，姿軌控發動機關閉響應時間要求小于20 ms，但在電磁閥與驅動電路匹配液流試驗時，發現：該型號用姿軌控發動機關閉時間遠大于20 ms，為了提高發動機的快速響應，縮短發動機的關閉時間，提出了一種基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路。

1 電磁閥的電器原理

電磁閥工作的原理是由電流在通電線圈中產生磁力使電磁閥內的活動電磁鐵被吸引而運動。當達到電磁閥觸動電流時，電磁線圈產生磁力帶動銜鐵動作，使電磁閥開啟；切斷電磁閥供電，電磁鐵電流下降，當低于電磁閥釋放電流時，由于電磁力消失，銜鐵受彈簧力作用復位，關閉電磁閥[2]。因此，電磁閥開啟響應時間包括電磁鐵電流上升時間和銜鐵運動時間，電磁閥關閉響應時間包括電磁鐵電流下降時間和銜鐵復位時間。銜鐵運動間隙小，運動速度快，所用時間極短，而電磁鐵是電感元件，具有很強的電磁慣性，電流變化不能一蹴而就，因此，電磁閥開關響應時間與其電流上升下降所需時間密切相關。

為了滿足電磁兼容的要求，消除反向電動勢對電路的影響，以往通常采用二極管對電磁鐵電感上的電流進行放電[4]，并對反向電動勢進行鉗位，電流釋放曲線及反向電動勢波形示意圖如圖2所示。其中，I0為電源關斷后電磁鐵回路中的電流初始值，i0為電磁閥釋放觸動電流，tp為電磁閥關閉時的釋放時間，U為電源電壓，-U1為反向電動勢鉗位電壓。

圖1 電磁閥電路原理圖

圖2 電磁鐵關斷電流及反向電動勢圖

采用Altium Designer軟件，根據圖1電路設計要求，使用原理圖編輯器繪制仿真電路原理圖，設置仿真元件參數，使用場效應晶體管模擬固態繼電器開關功能，通過電感-電阻組合模擬電磁閥的電氣特性，設置電感為350mH，電阻為36Ω，雙閥并聯，在電路中串入0.25 Ω采樣電阻用于模擬實際電路中數據采集。選用脈沖電壓激勵源VPULSE提供周期性的連續脈沖激勵，用于模擬實際電路中的激勵信號，脈沖電壓設為27 V、脈沖寬度設為100 ms脈沖周期為200 ms。在采樣電阻端設置節點網絡標簽V1，在電磁閥供電正端設置節點網絡標簽V2，用于測試電磁閥反向電動勢及電磁閥工作電流波形。通過在原理圖編輯環境中，執行“設計”→“仿真”→“Mixed Sim(混合仿真)”命令，選擇仿真方式并設置仿真參數，復選靜態工作點分析(Operating Point Analysis)和瞬態特性分析(Transient Analysis)，設置顯示周期數(Default Cycles Displayed)為1，每周期仿真點數(Default Points Per Cycle)為50[5-7]。執行仿真命令對該電路進行仿真分析，仿真結果如圖3所示。

圖3 電路仿真結果

圖中電磁鐵釋放時間tp約為30 ms，反向電動勢鉗位電壓U1約為2 V，該電磁閥釋放時間tp，未包含電磁鐵動作時間，實際時間將大于理論分析。因此，該電路雖然有效地控制了電磁閥關斷時產生的反向電動勢，但其釋放時間無法滿足要求。

2 加速釋放電路的研究

2.1 外部增加釋放電阻法

根據圖1電路原理分析計算，當電磁閥斷電后，電磁鐵中的電流不能突變，而由于釋放電路的存在，給電磁鐵提供了電流釋放回路，根據電感電路的過渡過程可知，電源U關斷后，釋放回路中的電流i為：

(1)

當瞬時電流i降到電磁閥釋放觸動電流i0時，電磁閥開始釋放，則有釋放時間tp：

(2)

其中:r、L、i0均取決于電磁閥的內部結構，電磁閥設計完成后這些參數均已固定；I0取決于供電電源U，設為定值；因此，由公式(2)可見，釋放時間tp與外部等效電阻R成反比關系，R越大，tp越小，即釋放時間越短。

根據以上分析，使用二極管D1和電阻R組成釋放電路，電路原理圖如圖4所示。

圖4 增加釋放電阻原理圖

釋放電阻R分別選取為47 Ω和92 Ω，并進行仿真分析，仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 增加釋放電阻的改進電路仿真結果(R=47 Ω)

圖6 增加釋放電阻的改進電路仿真結果(R=92 Ω)

對兩圖中仿真結果進行對比分析，見表1。當釋放電阻R=47 Ω時，電磁鐵的釋放時間為15 ms，反向電動勢為70 V；當釋放電阻R=92 Ω時，電磁鐵的釋放時間為10 ms，反向電動勢為130 V。由仿真結果可以看出，增加的釋放電阻越大，電磁鐵釋放時間越短，但反向電動勢則越大。

表1 不同釋放電阻R的仿真結果對比

2.2 基于雙向TVS的加速釋放電路

分析以上仿真結果可以看出：在電磁閥釋放初期，電流變化速率極快，反向電動勢突變；后期隨著電流變化速率減慢，反向電動勢也相應減弱，整個釋放時間中電流釋放后期占比較大。以增加釋放電阻R=47 Ω的改進電路仿真結果(圖5)為例，在t=100 ms時，反向電動勢突變為70 V，到t=105 ms之間變化極快，降為4 V左右，在t=115 ms時才逐步變為0 V；由此可見，電流釋放前期用時約為5 ms，后期用時約為10 ms。因此，將改進設計思路確定為：在電流釋放初期限制反向電壓，在電流釋放后期增大釋放回路電阻。我們設計了一種基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路，原理如圖7所示。

圖7 基于雙向TVS的電磁閥加速釋放電路原理圖

圖8 雙向TVS的V-I特性曲線

TVS即瞬態電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor Diode)，是在穩壓二極管的基礎上發展而來的，是一種二極管形式的新型高效能的保護器件。TVS瞬態電壓抑制二極管分為單向TVS管和雙向TVS管，單向TVS管只對一個方向的浪涌電壓的沖擊起到保護作用，雙向TVS管對兩個相反方向的浪涌電壓的沖擊都能起到保護作用，相當于兩只穩壓二極管反向串聯。具有響應速度快、瞬態功率大、漏電流低、鉗位電壓易控制、體積小等優良的防護性能。單向TVS管多用于直流和已知方向的信號電路，雙向TVS管多用于交流和變化的信號電路，TVS陣列多用于多線保護[8]。本文選用的是雙向TVS管。

它的工作原理是：在規定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓鉗制到預定水平，從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞[9]。TVS管能承受的瞬時功率可達上千瓦，其鉗位響應時間僅為1ps(10-12s)。TVS允許的正向浪涌電流在TA=25 ℃、t=10 ms條件下，可達50～200 A。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓鉗制到預定水平。雙向TVS的V-I特性曲線如圖8所示[10]。以正向為例，當TVS管電壓為反偏，且位于0～VBR時，TVS管呈高電阻狀態；當反偏電壓超過VBR時，流經TVS管的電流迅速增加，進入低電阻狀態，從高電阻狀態到低電阻狀態的延時極短，只有ps數量級。TVS管兩端電壓被鉗制在VC以下，當電壓脈沖過后，TVS管又重新恢復到高阻狀態。

對基于雙向TVS的加速釋放電路進行仿真分析，仿真結果如圖9所示。

圖9 雙向TVS加速釋放電路仿真結果

由仿真結果可以看出：電磁鐵釋放時間tp約為5 ms、反向電動勢鉗位電壓U1為52 V，滿足了總體對姿軌控發動機響應性能的要求，且有效地控制電磁閥關斷時產生的反向電動勢，保證了固態繼電器降額要求。

3 試驗驗證

對以上三種加速釋放電路狀態分別進行了試驗驗證，參試電磁閥為某型姿軌控動力系統改的200N電磁閥。

參試的加速釋放電路分別為：

1)電路1：1個二級管與R=47 Ω串聯，原理如圖4(a)所示；

2)電路2：1個二級管與R=92 Ω串聯，原理如圖4(b)所示；

3)電路3：1個雙向瞬態電壓抑制二極管(雙向TVS型號為P6KE43CA)，原理如圖7所示。

電磁閥數據曲線見圖10～圖12，根據電流數據曲線及反向電動勢曲線判讀電磁閥響應結果見表2。電路1狀態電磁閥關閉響應時間為28 ms、最大反向電動勢為80 V；電路2狀態電磁閥關閉響應時間為21 ms、最大反向電動勢為130 V。由于電路3狀態采用雙向TVS，電磁閥釋放時刻電流曲線的波動不明顯，故通過電磁閥出口壓力下降時刻來判斷關閉響應，電磁閥關閉響應時間為6 ms、最大反向電動勢為43 V。

圖10 電路1電磁閥電流曲線及反向電動勢曲線

圖11 電路2電磁閥電流曲線及反向電動勢曲線

圖12 電路3電磁閥電流曲線及反向電動勢曲線(關閉過程含電磁閥出口壓力曲線)

電路狀態關閉響應性能/ms最大反向電動勢/V電路1(二級管與R=47Ω串聯)2880電路2(二級管與R=92Ω串聯)21130電路3(雙向TVS)643

由以上分析可知：

a)電路1與電路2會使電磁閥響應性能提升，且響應性能隨著串聯電阻值的增大而提升，但仍超出動力系統指標要求；最大反向電動勢也隨著串聯電阻值的增大而增大，不能有效地控制電磁閥關斷時的產生的反向電動勢。

b)電路3的電磁閥關閉響應性能最快，達到6ms；且能夠有效地控制電磁閥關斷時產生的反向電動勢，保證了固態繼電器降額要求。

因此，基于雙向TVS的加速釋放電路可以滿足動力系統指標要求，在航天器狀態控制過程中，實現姿軌控發動機的快響應，同時滿足姿軌狀態的精確控制。試驗驗證與前期通過仿真得出的結論一致。

4 結束語

通過分析、仿真及試驗驗證，通過在電磁閥驅動回路中增加基于雙向TVS的加速釋放電路，提高了電磁閥關閉響應速度，減小了電磁閥關閉響應時間，解決了某型號姿軌控發動機關閉響應慢的問題，有效地控制了電磁閥關斷時產生的反向電動勢，保證了固態繼電器的降額要求。該電路設計巧妙，結構簡單，應用效果明顯，器件選擇成熟可靠，有效地節約了成本，并節省了空間。仿真分析軟件有效地仿真了電磁閥釋放過程的電流、電壓波形，作為一種有效地輔助設計手段，大大地提高了設計效率，同時通過試驗驗證，增強了設計的可靠性和可行性。該電路已在多個型號姿軌控發動機電磁閥驅動電路中得到應用，并參加了全系統熱試車及飛行試驗，性能穩定可靠。