点火系统放电过程研究

张宝昆，张 涛，翟文鹏，邓军荣，张 旭

(天津航空机电有限公司，天津 300300)

0 引言

航空发动机点火系统由点火装置、接触装置和半导体电嘴组成[1-2]。目前，点火装置主要分为晶体管式和数字式两种类型。数字式点火装置具有点火频率稳定、抗干扰能力强等特点，广泛应用于多种点火系统中[3]。在某型数字式点火装置放电过程中，续流回路的电流并未按照理想的衰减趋势进行规律变化，而是在外界因素的影响下产生突变。电流的突变会对续流硅堆造成损害[4-5]，进而影响点火装置性能。为了避免续流硅堆等元器件受到突变电流的冲击，本文对点火装置触发放电过程进行分析，找出续流电流突变原因，采用增加缓冲电阻的方式来降低电流跃变幅值，提高点火系统的可靠性。

1 数字式点火装置工作原理

图1为数字式点火系统结构框图，虚线框中为点火装置电路的主要组成部分。当低压直流电输入点火装置后，依次通过滤波电路、直流变换电路转换为高压脉冲电，并通过整流电路开始向储能电容充电。在储能电容充电电压达到阈值电压时，反馈电路会同步触发晶闸管进行放电，充电和放电过程受到频率控制电路和脉宽调制电路的制约。电流通过接触装置后在半导体电嘴端面发出火花，完成一次点火过程，同时保证火花具有一定的能量。

图1 数字式点火系统结构框图

2 触发放电过程分析

点火装置的反馈触发电路含有稳压二极管Z，可以保证触发电压的稳定，而放电电路主要由储能电容C、反馈变压器T、晶闸管VT、硅堆D、电感线圈L和电缆电嘴(等效电阻R0)组成，如图2所示。续流硅堆组成的续流回路能够延续放电电流的持续时间，增加了放电能量在点火过程中的利用率。

图2 触发放电电路原理图

晶闸管VT开启需要满足两个条件：①阳极和阴极之间存在正向电压；②控制极得到触发信号。当正向电流大于保持电流时，晶闸管保持导通状态；当正向电流小于保持电流时，晶闸管转为阻断状态。晶闸管被触发，就相当于电路中的一个开关K被接通，储能电容中的电能转化为热能，在半导体电嘴发火端面形成高能电火花，其等效电路如图3所示。

图3 触发放电电路等效电路图

点火装置放电过程可以分为两个阶段：

(1)触发放电阶段。当储能电容电压达到阈值电压时，变压器收到反馈信号并同步驱动晶闸管开启，假设此时续流回路不参与放电过程，续流硅堆中没有电流流过，电路流向如图4所示。此阶段放电工作状态会持续到储能电容器电能释放完毕，该过程中晶闸管保持导通，电路响应为二阶电路零输入响应。

图4 触发放电阶段电流流向

为了计算放电过程中电流i的变化规律，对电容两端电压uc列微分方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

对于试验点火装置来说，储能电容C=1 μF，放电阈值电压U0=2.6 kV，电感线圈L=8.98 μH，电缆电嘴等效电阻R0=0.5 Ω。将数据代入式(4)可得电感电流最大值iLm=762.20 A。试验测得整个放电过程中流经电感线圈的电流iL如图5所示，而触发放电阶段iLm=743.56 A，与理论计算结果基本相符。

图5 电感电流iL

(2)续流放电阶段。当储能电容放电结束，晶闸管因正向电流低于保持电流而关断，电流不再流过储能电容。续流放电阶段电流流向如图6所示。续流电路响应满足一阶电路零输入响应规律，流经续流硅堆的电流iD应当与流经电感线圈的电流iL相等。

图6 续流放电阶段电流流向

但在实际放电过程中续流回路的电流存在突变现象，电流变化如图7所示。将图中流经电感线圈的电流iL和流经续流硅堆的电流iD对比可知:续流回路在储能电容放电5.1 μs后开始导通，导通5.0 μs后电流幅值产生突变，续流电流iD峰值比同时刻电感电流iL高出191.56 A，这会对续流硅堆造成伤害，与续流放电阶段对电流规律的分析不同。

图7 电感电流iL和续流电流iD

前文在分析续流放电阶段时之所以认为续流电流iD全部来源于电感线圈，是因为储能电容放电结束后，晶闸管正向电流小于保持电流，从而默认其已经处于阻断状态。但如果晶闸管关断特性不理想，没有因为正向电流过小而及时关断，也可能造成续流电流iD的增加。试验测得电容电流iC和续流电流iD的关系如图8所示，电容电流iC的方向有发生变化的阶段，且在该阶段中iC与iD的幅值存在对称关系。实测波形表明晶闸管中有反向电流流过，并未及时关断。值得注意的是，图8中续流电流iD的波形说明续流回路从触发放电阶段便开始工作，与前文假设不符，但其工作时储能电容电流已经开始衰减，不影响对电流极值的推论。续流回路从触发放电阶段开始工作后，电流变化符合二阶系统振荡规律。

图8 电容电流iC和续流电流iD

由晶闸管不理想的关断特性可以推断，在触发放电阶段和续流放电阶段中间，存在过渡放电阶段，此阶段晶闸管处于导通状态，储能电容也会通过续流电路释放能量。过渡阶段电流流向如图9所示，电流关系式为iD=iL+iC。

图9 过渡放电阶段电流流向

3 电流抑制措施及影响分析

为避免续流电流突增伤害续流硅堆，可以在方案设计阶段考虑晶闸管关断特性不理想的因素进行相应的降额设计。但若方案已经确定，元器件供应短期内也无法更改，可以通过加入缓冲电阻来抑制续流电流振荡的超调量。考虑到实际放电过程中元器件杂感参数对电流变化规律的影响，可得放电回路等效电路如图10所示，图中rL、rD分别为电感、硅堆的等效电阻。

图10 放电回路等效电路

续流回路并未全程参与放电过程，所以在续流支路串联缓冲电阻对放电持续时间和火花能量的影响有限，同时可以增大系统振荡阻尼比，降低超调量，可使电流突变幅度至合理范围。在Multisim中搭建放电电路仿真模型，可得放电过程中电容电流iC、续流电流iD和电感电流iL如图11所示，加入缓冲电阻后的电流波形如图12所示。通过仿真结果可知加入缓冲电阻可以抑制续流电流的突变，减少对续流硅堆的冲击，说明该方法可行有效。

图11 未加入缓冲电阻的电流波形

图12 加入缓冲电阻的电流波形

但缓冲电阻的选定需在合理范围，阻值过小没有抑制电流的效果，阻值过大会影响点火装置的性能参数，缓冲电阻过大时电流变化波形如图13所示。

图13 缓冲电阻阻值过大时的电流波形

缓冲电阻阻值过大时电流幅值减小，电火花能量随之降低；电流快速衰减，即放电持续时间减少。通过仿真验证结果可知:当加入缓冲电阻r=300 mΩ时可以有效抑制本文所述点火装置续流电流iD的突变，且对电火花能量和电流持续时间影响有限，点火装置性能参数满足协议要求。

4 总结

本文研究分析了点火系统实际放电过程的三个阶段，指明续流电流突变的原因是晶闸管关断特性不理想。为降低突变电流对续流硅堆的影响，可采用增加缓冲电阻的方式加以抑制，并通过试验证明了该方案的可行性。同时建议在方案设计阶段考虑晶闸管的实际特性，在续流硅堆选型时设计合理裕量。本文研究为同类点火产品设计提供了参考。