點火系統放電過程研究

張寶昆，張 濤，翟文鵬，鄧軍榮，張 旭

(天津航空機電有限公司，天津 300300)

0 引言

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

1 數字式點火裝置工作原理

圖1為數字式點火系統結構框圖，虛線框中為點火裝置電路的主要組成部分。當低壓直流電輸入點火裝置后，依次通過濾波電路、直流變換電路轉換為高壓脈沖電，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到閾值電壓時，反饋電路會同步觸發晶閘管進行放電，充電和放電過程受到頻率控制電路和脈寬調制電路的制約。電流通過接觸裝置后在半導體電嘴端面發出火花，完成一次點火過程，同時保證火花具有一定的能量。

圖1 數字式點火系統結構框圖

2 觸發放電過程分析

點火裝置的反饋觸發電路含有穩壓二極管Z，可以保證觸發電壓的穩定，而放電電路主要由儲能電容C、反饋變壓器T、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。續流硅堆組成的續流回路能夠延續放電電流的持續時間，增加了放電能量在點火過程中的利用率。

圖2 觸發放電電路原理圖

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控制極得到觸發信號。當正向電流大于保持電流時，晶閘管保持導通狀態；當正向電流小于保持電流時，晶閘管轉為阻斷狀態。晶閘管被觸發，就相當于電路中的一個開關K被接通，儲能電容中的電能轉化為熱能，在半導體電嘴發火端面形成高能電火花，其等效電路如圖3所示。

圖3 觸發放電電路等效電路圖

點火裝置放電過程可以分為兩個階段：

(1)觸發放電階段。當儲能電容電壓達到閾值電壓時，變壓器收到反饋信號并同步驅動晶閘管開啟，假設此時續流回路不參與放電過程，續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會持續到儲能電容器電能釋放完畢，該過程中晶閘管保持導通，電路響應為二階電路零輸入響應。

圖4 觸發放電階段電流流向

為了計算放電過程中電流i的變化規律，對電容兩端電壓uc列微分方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

對于試驗點火裝置來說，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。將數據代入式(4)可得電感電流最大值iLm=762.20 A。試驗測得整個放電過程中流經電感線圈的電流iL如圖5所示，而觸發放電階段iLm=743.56 A，與理論計算結果基本相符。

圖5 電感電流iL

(2)續流放電階段。當儲能電容放電結束，晶閘管因正向電流低于保持電流而關斷，電流不再流過儲能電容。續流放電階段電流流向如圖6所示。續流電路響應滿足一階電路零輸入響應規律，流經續流硅堆的電流iD應當與流經電感線圈的電流iL相等。

圖6 續流放電階段電流流向

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

圖7 電感電流iL和續流電流iD

前文在分析續流放電階段時之所以認為續流電流iD全部來源于電感線圈，是因為儲能電容放電結束后，晶閘管正向電流小于保持電流，從而默認其已經處于阻斷狀態。但如果晶閘管關斷特性不理想，沒有因為正向電流過小而及時關斷，也可能造成續流電流iD的增加。試驗測得電容電流iC和續流電流iD的關系如圖8所示，電容電流iC的方向有發生變化的階段，且在該階段中iC與iD的幅值存在對稱關系。實測波形表明晶閘管中有反向電流流過，并未及時關斷。值得注意的是，圖8中續流電流iD的波形說明續流回路從觸發放電階段便開始工作，與前文假設不符，但其工作時儲能電容電流已經開始衰減，不影響對電流極值的推論。續流回路從觸發放電階段開始工作后，電流變化符合二階系統振蕩規律。

圖8 電容電流iC和續流電流iD

由晶閘管不理想的關斷特性可以推斷，在觸發放電階段和續流放電階段中間，存在過渡放電階段，此階段晶閘管處于導通狀態，儲能電容也會通過續流電路釋放能量。過渡階段電流流向如圖9所示，電流關系式為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

為避免續流電流突增傷害續流硅堆，可以在方案設計階段考慮晶閘管關斷特性不理想的因素進行相應的降額設計。但若方案已經確定，元器件供應短期內也無法更改，可以通過加入緩沖電阻來抑制續流電流振蕩的超調量。考慮到實際放電過程中元器件雜感參數對電流變化規律的影響，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

續流回路并未全程參與放電過程，所以在續流支路串聯緩沖電阻對放電持續時間和火花能量的影響有限，同時可以增大系統振蕩阻尼比，降低超調量，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。通過仿真結果可知加入緩沖電阻可以抑制續流電流的突變，減少對續流硅堆的沖擊，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，阻值過大會影響點火裝置的性能參數，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，即放電持續時間減少。通過仿真驗證結果可知:當加入緩沖電阻r=300 mΩ時可以有效抑制本文所述點火裝置續流電流iD的突變，且對電火花能量和電流持續時間影響有限，點火裝置性能參數滿足協議要求。

4 總結

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