反激變壓器在點火裝置中的應用研究

鄧軍榮，張 濤，張 旭，張寶昆，翟文鵬

(天津航空機電有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著電力電子技術的發(fā)展，開關電源的應用越來越普遍。反激變壓器以其設計簡單、體積小、所需元器件少等優(yōu)點廣泛應用于小功率電源場合[1]。反激變壓器作為點火裝置中的核心器件，不僅要求其具有變壓和隔離的功能，適應寬輸入電壓及多路隔離輸出的應用需求，而且要求其在應用中工作穩(wěn)定性較高。

本文介紹了反激變壓器在點火裝置中的具體應用，詳細論述了氣隙[2]與漏感[3]對變壓器性能的影響，并通過Saber軟件[4]與實例分析，進行了試驗驗證，從而為后續(xù)反激變壓器在點火裝置中的應用提供理論依據。

1 點火裝置工作機理分析

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

電容儲能放電是通過反激變壓器振蕩、次級線圈感應電勢對電容進行充電，達到放電電壓時通過控制電路實現(xiàn)周期性的高壓放電。電容儲能放電式點火裝置由于其放電頻率可控、儲存能量可從幾百毫焦耳到幾十焦耳、重量輕等特點被廣泛應用于現(xiàn)代航空發(fā)動機上。高壓點火裝置的基本原理框圖如圖1所示，直流電源通過濾波電路、PWM、MOS開關電路、反饋電路、控制電路、開關電路和反激變換電路將低壓直流電變換為高壓脈沖電，然后經充電電路給電容器充電，當其電壓達到閾值電壓后，通過放電電路進行放電，擊穿電嘴后打火。

圖1 高壓點火裝置的基本原理框圖

2 反激變換電路工作機理分析

反激變換電路由反激變壓器T1、MOS管V1、整流管D1等構成，如圖2所示，其工作模式是只有在MOS管關斷即初級線圈沒有被激勵時，次級線圈才會向電容器充電。

圖2 反激變換電路

在控制開關V1導通期間，輸入電源與初級線圈之間形成通路，產生電流Ip，這時不僅有自感電動勢產生，還會在次級線圈N2兩端產生上負下正的感應電動勢，但因為二極管D2的反向截斷作用，無通路產生。此時，變壓器初級線圈作為一個電感存在，電源能量以磁能的形式存儲在初級線圈N1中。電感單個周期的儲能量W為：

(1)

其中：Lp為初級繞組線圈電感值；Ipmax為初級繞組線圈電流峰值。

在控制開關V1關斷期間，輸入電源與初級線圈之間形成的通路被關斷，但因為電感電流是不能突變的，初級電感就會在V1關斷過程中在初級側產生一個感應電動勢，其可通過變壓器的繞組耦合到次級，使次級整流二極管導通，負載有電流流通。初級電感繞組在控制開關V1導通時儲存的能量通過磁芯耦合到次級電感，然后通過次級繞組線圈儲存到儲能電容C2中，從而完成能量的傳遞。

3 氣隙效應的分析

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火裝置的工作性能。基于對反激變換電路工作模式的分析可知，在控制開關V1導通時，次級繞組未構成回路，造成初級的全部電流用于磁芯沿磁滯回線移動，實現(xiàn)電能向磁能的轉換，這種情況極易使磁芯飽和。當磁芯飽和時，極易造成控制開關V1的損壞，影響點火裝置的使用。這時，就需要增開氣隙使磁芯的性能趨于穩(wěn)定，從而增強變換器工作的穩(wěn)定性，并且將大部分能量儲存在氣隙中。

圖3為帶有氣隙電感的等效磁路示意圖，根據安培環(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為磁動勢；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)

當不考慮其繞組電阻時：

(4)

其中：E為磁動勢；i為流過線圈的電流。

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，等效磁導率和電感值均減小，其磁通Φ與磁勢F的關系如圖4所示。當磁芯不飽和時，磁勢與磁場強度成正比，在同等條件下，加氣隙后初級線圈可通過的電流(如圖4中1/(Rme+Rmδ)所示)比未加氣隙的初級線圈通過的電流大(如圖4中1/Rme所示)，即式(1)中的Ipmax增大，則初級線圈中能存儲足夠多的磁能供次級繞組輸出。

圖4 磁芯中氣隙對磁特性影響

4 漏感效應的分析

目前，點火裝置實際應用中對變換電路性能指標影響最大的是變壓器中存在的漏感，漏感不僅會讓MOS管關斷時存在被擊穿的危險，還會形成振蕩，影響點火裝置電路的電磁特性。

實際的變壓器中(如圖5所示)，有一部分磁通只匝鏈一個繞組，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在原邊繞組所產生的磁通為Φ11，漏磁通為Φs1，同時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。由漏磁通所產生的電感稱為漏感，則在忽略繞組電阻時，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產生的漏電感，即：

(8)

反激式開關變壓器的漏感一般都比較大，漏感與初級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、次級線圈的繞法、鐵芯和骨架的結構等參數(shù)有關，還與磁通密度取值的大小有關，磁通密度越大，導磁率就會越小，漏感相對也要增大。對某點火裝置變壓器使用LCR數(shù)字電橋TH2819A進行測試(其中測試電源的輸入電壓為0.3 V，頻率分別為1 kHz、10 kHz、20 kHz)，測試結果如表1所示。

通過表1中變壓器初級線圈測試值發(fā)現(xiàn)：其漏感值基本無變化，漏感量所占電感值比例隨氣隙的增加而增加；隨測試頻率的增加，漏感所占電感值比例減小。因此，在點火裝置中所選取的變壓器結構已經固定的條件下，應在增加氣隙滿足儲存能量時，盡可能減小其漏感量。

表1 某反激變壓器電感測試結果

5 軟件仿真與試驗驗證

Saber軟件集成度高，從繪制原理圖到仿真分析可以在一個環(huán)境中完成，可進行一系列基本功能分析，并且具有強大的仿真數(shù)據后處理能力，可對結果進行各種分析、比較和計算。圖6為在Saber軟件中建立的某型點火裝置電路模型。

圖6 某型點火裝置Saber電路模型

依次調整變壓器初級繞組電感及漏感值，獲得在不同漏感及氣隙下產品的工作狀態(tài)，檢測MOS管尖峰電壓值。圖7為在不同漏感比例下仿真開關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

為驗證氣隙及不同漏感比例對反激變壓器電感值的影響，對某反激變壓器通過疊加云母片(1片～3片)的方法改變氣隙,裝配于產品進行點火測試，獲取MOS開關管關斷時的尖峰電壓。產品試驗情況如圖8所示，試驗結果如圖9所示。

圖8 不同氣隙變壓器試驗情況

從圖9中可以看出：隨著漏感值比例的增大，電壓尖峰實測值從168 V增加到184 V。實測結果與仿真結果基本吻合，從而證明了氣隙及漏感的存在對變壓器工作的影響。

圖9 MOS管關斷時的電壓尖峰實測值

6 結論

本文介紹了基于反激變壓器的點火裝置的工作機理，研究了反激變壓器的工作原理，理論分析了氣隙與漏感對變壓器工作性能的影響，并且應用Saber軟件進行了仿真分析，最后通過實例對仿真模型的正確性進行了驗證，結果吻合。本文研究為后續(xù)點火裝置反激變換電路設計工作提供了理論基礎，從而可提高產品工作的可靠性。