反激变压器在点火装置中的应用研究

邓军荣，张 涛，张 旭，张宝昆，翟文鹏

(天津航空机电有限公司，天津 300000)

0 引言

随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越普遍。反激变压器以其设计简单、体积小、所需元器件少等优点广泛应用于小功率电源场合[1]。反激变压器作为点火装置中的核心器件，不仅要求其具有变压和隔离的功能，适应宽输入电压及多路隔离输出的应用需求，而且要求其在应用中工作稳定性较高。

本文介绍了反激变压器在点火装置中的具体应用，详细论述了气隙[2]与漏感[3]对变压器性能的影响，并通过Saber软件[4]与实例分析，进行了试验验证，从而为后续反激变压器在点火装置中的应用提供理论依据。

1 点火装置工作机理分析

点火装置作为航空发动机点火系统重要组成部分之一，可将飞机上的直流或交流电源转化为高压脉冲电，使点火电嘴发出电火花，点燃燃烧室中的混合气体[5-6]。

电容储能放电是通过反激变压器振荡、次级线圈感应电势对电容进行充电，达到放电电压时通过控制电路实现周期性的高压放电。电容储能放电式点火装置由于其放电频率可控、储存能量可从几百毫焦耳到几十焦耳、重量轻等特点被广泛应用于现代航空发动机上。高压点火装置的基本原理框图如图1所示，直流电源通过滤波电路、PWM、MOS开关电路、反馈电路、控制电路、开关电路和反激变换电路将低压直流电变换为高压脉冲电，然后经充电电路给电容器充电，当其电压达到阈值电压后，通过放电电路进行放电，击穿电嘴后打火。

图1 高压点火装置的基本原理框图

2 反激变换电路工作机理分析

反激变换电路由反激变压器T1、MOS管V1、整流管D1等构成，如图2所示，其工作模式是只有在MOS管关断即初级线圈没有被激励时，次级线圈才会向电容器充电。

图2 反激变换电路

在控制开关V1导通期间，输入电源与初级线圈之间形成通路，产生电流Ip，这时不仅有自感电动势产生，还会在次级线圈N2两端产生上负下正的感应电动势，但因为二极管D2的反向截断作用，无通路产生。此时，变压器初级线圈作为一个电感存在，电源能量以磁能的形式存储在初级线圈N1中。电感单个周期的储能量W为：

(1)

其中：Lp为初级绕组线圈电感值；Ipmax为初级绕组线圈电流峰值。

在控制开关V1关断期间，输入电源与初级线圈之间形成的通路被关断，但因为电感电流是不能突变的，初级电感就会在V1关断过程中在初级侧产生一个感应电动势，其可通过变压器的绕组耦合到次级，使次级整流二极管导通，负载有电流流通。初级电感绕组在控制开关V1导通时储存的能量通过磁芯耦合到次级电感，然后通过次级绕组线圈储存到储能电容C2中，从而完成能量的传递。

3 气隙效应的分析

反激变压器作为反激变换电路的重要组成部分，其工作的稳定性将很大程度上决定点火装置的工作性能。基于对反激变换电路工作模式的分析可知，在控制开关V1导通时，次级绕组未构成回路，造成初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动，实现电能向磁能的转换，这种情况极易使磁芯饱和。当磁芯饱和时，极易造成控制开关V1的损坏，影响点火装置的使用。这时，就需要增开气隙使磁芯的性能趋于稳定，从而增强变换器工作的稳定性，并且将大部分能量储存在气隙中。

图3为带有气隙电感的等效磁路示意图，根据安培环路定律，其磁路方程为：

图3 带气隙电感的等效磁路示意图

F=NI=Φ·Rme+Φ·Rmδ.

(2)

其中：F为磁动势；N为线圈匝数；I为线圈电流有效值；Φ为磁通；Rmδ为气隙磁阻；Rme为磁路本身磁阻。

则

(3)

当不考虑其绕组电阻时：

(4)

其中：E为磁动势；i为流过线圈的电流。

所以总电感为：

(5)

正是由于气隙的存在(Rmδ≠0)，磁路的总磁阻增加，等效磁导率和电感值均减小，其磁通Φ与磁势F的关系如图4所示。当磁芯不饱和时，磁势与磁场强度成正比，在同等条件下，加气隙后初级线圈可通过的电流(如图4中1/(Rme+Rmδ)所示)比未加气隙的初级线圈通过的电流大(如图4中1/Rme所示)，即式(1)中的Ipmax增大，则初级线圈中能存储足够多的磁能供次级绕组输出。

图4 磁芯中气隙对磁特性影响

4 漏感效应的分析

目前，点火装置实际应用中对变换电路性能指标影响最大的是变压器中存在的漏感，漏感不仅会让MOS管关断时存在被击穿的危险，还会形成振荡，影响点火装置电路的电磁特性。

实际的变压器中(如图5所示)，有一部分磁通只匝链一个绕组，而不匝链其他绕组，泄漏到了空气中变压器的其他部位，这部分磁通称为“漏磁通”。图5中，电流i1在原边绕组所产生的磁通为Φ11，漏磁通为Φs1，同时匝链原副边绕组磁通为Φ12，只与N2线圈匝链的磁通为Φ22，副边N2的漏磁通为Φs2。由漏磁通所产生的电感称为漏感，则在忽略绕组电阻时，输入到原边绕组的端电压为：

图5 考虑漏磁的双绕组变压器

(6)

副边要输出的负载电压u2为：

(7)

其中：N1和N2分别为变压器原边和副边的匝数。

定义Ls1和Ls2分别为漏磁通Φs1和Φs2产生的漏电感，即：

(8)

反激式开关变压器的漏感一般都比较大，漏感与初级线圈电感之比大多都在2%～5%之间。漏感的大小主要与变压器初、次级线圈的绕法、铁芯和骨架的结构等参数有关，还与磁通密度取值的大小有关，磁通密度越大，导磁率就会越小，漏感相对也要增大。对某点火装置变压器使用LCR数字电桥TH2819A进行测试(其中测试电源的输入电压为0.3 V，频率分别为1 kHz、10 kHz、20 kHz)，测试结果如表1所示。

通过表1中变压器初级线圈测试值发现：其漏感值基本无变化，漏感量所占电感值比例随气隙的增加而增加；随测试频率的增加，漏感所占电感值比例减小。因此，在点火装置中所选取的变压器结构已经固定的条件下，应在增加气隙满足储存能量时，尽可能减小其漏感量。

表1 某反激变压器电感测试结果

5 软件仿真与试验验证

Saber软件集成度高，从绘制原理图到仿真分析可以在一个环境中完成，可进行一系列基本功能分析，并且具有强大的仿真数据后处理能力，可对结果进行各种分析、比较和计算。图6为在Saber软件中建立的某型点火装置电路模型。

图6 某型点火装置Saber电路模型

依次调整变压器初级绕组电感及漏感值，获得在不同漏感及气隙下产品的工作状态，检测MOS管尖峰电压值。图7为在不同漏感比例下仿真开关MOS管Vds所承受的电压尖峰大小，可以看出随着漏感值比例的增加，漏感尖峰电压脉冲增大，从而有可能导致MOS管击穿。

图7 不同漏感比例下MOS管所承受的电压尖峰值

为验证气隙及不同漏感比例对反激变压器电感值的影响，对某反激变压器通过叠加云母片(1片～3片)的方法改变气隙,装配于产品进行点火测试，获取MOS开关管关断时的尖峰电压。产品试验情况如图8所示，试验结果如图9所示。

图8 不同气隙变压器试验情况

从图9中可以看出：随着漏感值比例的增大，电压尖峰实测值从168 V增加到184 V。实测结果与仿真结果基本吻合，从而证明了气隙及漏感的存在对变压器工作的影响。

图9 MOS管关断时的电压尖峰实测值

6 结论

本文介绍了基于反激变压器的点火装置的工作机理，研究了反激变压器的工作原理，理论分析了气隙与漏感对变压器工作性能的影响，并且应用Saber软件进行了仿真分析，最后通过实例对仿真模型的正确性进行了验证，结果吻合。本文研究为后续点火装置反激变换电路设计工作提供了理论基础，从而可提高产品工作的可靠性。