目前国内直流点火器基本上都是采用振子式和晶体管式2种设计方案^{[1, 2]}，但振子式点火器寿命低、可靠性低、晶体管式点火器受环境温度和电源电压影响较大^[3]。传统的自振式反激变换器(ringing choke converter,RCC)变换器模拟电路，点火器只能依靠电路补偿的措施进行补救，但无法从根本上解决问题。因此必须研制新型的点火器，从而使点火器的主要输出参数(火花频率)摆脱输入参数(电源电压)和环境条件改变的影响。从国外应用现状与发展趋势来看，发动机点火器以电容放电系统为主，同时使用了晶体管点火器取代振子型点火器，由于取消了机械振子、消除了机械磨损，从而延长了使用寿命^{[4, 5]}。

本文主要改进设计了集成电路式自动稳频电路，通过调节电源的占空比，可以使火花频率基本上不随输入电压和环境温度的变化而变化；同时研究了一种放电管的新型替代电路，解决了航空点火器在生产、使用过程中电子辐射对装配人员的人身损害，提高点火器的工作寿命和可靠性。

1 工作原理

本文中新型稳频直流高能点火器主要由自动稳频电路、脉宽调制电路、直流变换电路、高压整流、充电电路、可控硅电压开关控制电路、放电电路等组成。采用自动稳频电路设计来稳定点火器输出的火花频率，采用R-S触发器和振荡器组成脉宽调制器，控制储能能量，采用可控硅控制高压电的导通。原理框图见图 1^[6]。

图 1 新型稳频直流高能点火器原理图

图选项

当产品接通直流14～30 V电源时，通过自动稳频电路、直流交换电路将低压直流电变换为高压交流电，经过高压硅堆整流后对储能电容器充电，电容器的电压达到一定数值后，通过可控硅电压开关电路进行放电，电嘴产生火花，同时保证给火花足够的能量。 该自动稳频电路为他激式，对环境温度和电源电压不敏感，能够保证稳定的频率输出，振荡器和RS触发器组成脉宽调制器能保证稳定的能量输出。

2 电路设计 2.1 自动稳频电路设计

新型稳频直流高能点火器采用异步计数器作为自动稳频电路控制发火频率，由R-S触发器和555定时器构成并由多谐振荡器组成脉宽调制器，控制储能能量。该部分总电路如图 2所示。

图 2 总电路图

图选项

其中采用由14位异步二进制计数器组成的自动稳频电路输出方波信号，Q₇为输出端，输出频率f ^[7]为

输出电压波形见图 3。

图 3 自动稳频电路输出电压波形

图选项

其中周期T为

由555定时器构成的多谐振荡器，受到来自R-S触发器的复位信号控制，产生周期性方波，触发MOS管Q₁，开通直流变换电路^[8]。见图 4。

图 4 多谐振荡电路

图选项

电路中的R₄和R₅与555定时器内部的3个电阻组成了分压器，其中，V_CC为定时器电源电压，由稳压管V₃确定，3个5 kΩ的电阻为定时器内部电阻。

如果不考虑U₂对C₁₁的充电，可以得到电容C₁₁的充电时间T₁和放电时间T₂^[9]为

2.2 直流变换电路设计

如图 5所示，直流变换电路主要是靠脉冲变压器来实现的^[10]。

图 5 直流变换电路

图选项

其中，W₁是变压器的初级线圈，W₂是变压器的次级线圈，W₃是变压器的控制级线圈。555定时器3脚发出的高电平脉冲，周期性地将Q₁场效应管导通，利用脉冲变压器，将原边的低压直流电通过线圈的电感特性，在次级线圈W₂上感应出高压交流电，输出电压经过高压二极管整流后对储能电容器进行充电、储存能量；同时，在控制级线圈W₃上感应出同频率的低压交流电，经过V₆整流后，对C₁₀进行充电，进入到R-S触发器构成脉宽调制器，控制储能能量。

2.3 充电电路设计

为便于研究场效应管被夹断时次级回路各参数的变化，充电电路可简化成图 6所示的脉冲变压器等效电路^[11]。

图 6 脉冲变压器等效电路

图选项

图中R₁为初级线圈W₁的内电阻，R₂为次级线圈W₂的内电阻，L₁为变压器的磁化电感，L_P为漏电感。当紧耦合时，假设耦合系数K=1，此时可求得：

若R′₂为电阻R₂等效应到初级的值

C₂为贮能电容器电容量，C′₂为电容器C₂等效到初级的值，则

为便于分析电路，不考虑高压二极管的影响，可得到：

由此可推得电容器第n次贮能时的充电时间为

随着充电次数的增加，电容器的充电电压值升高，每次充电所需时间愈来愈小。

当,可以忽略电阻R′₂对充电电路的影响，此时W′′=w₀，K_n，。如果电容器充电电压达到U_np\(U_np\为电路放电电压)时，电容器充电次数表达式为

式(1)可简化为

第n次储能充电电压可表示为

图 7为带半导体电嘴的贮能电容器等效放电电路^[12]。电阻R₀为半导体电嘴、导线、接触部位和晶闸管S导通时的等效电阻之和。该电阻实际上是放电电流的函数，两者的关系分别取决于晶闸管S和半导体电嘴的伏安特性。为简化起见，假设该电阻为一个恒定数值。L₀为放电回路的电感(包括导线电感,导电电感一般为0.05 μH).

图 7 带半导体电阻的贮能电容器等效放电电路

图选项

当晶闸管导通时，贮存在电容器C₂中的静电能在电阻上转化为热能，在半导体电嘴发火端面上形成高能电火花。

由可得：

在实际放电过程中，一般均为衰减振荡状态。因此按的状态进行讨论。式(2)的解为

放电回路电流计算公式由式(3)给出：

当时可求的放电回路的最大峰值电流：

电容器放电过程的另一个重要参数是火花持续时间τ₀。该数值取决于放电回路的时间常数τ，时间常数τ由下式决定：

火花持续时间可表达为

式(4)中引入了一个同放电管和半导体电嘴最小火花维持电压及放电电流在导线电阻、接触电阻上电压降有关的系数g。该系数大于1，一般取g为1.1～1.3。

3 试验验证

常温下能量释放过程见图 8(图中CH₁为放电电压，CH₂为放电电流，M₁为功率曲线，M₂为能量释放曲线)；图 9给出了单次火花放电时间，测得到为 96.8 μs。最终在各电源电压和环境温度下的火花频率结果统计由表 1给出。

图 8 能量释放曲线

图选项

图 9 火花持续时间曲线

图选项

实验表明了所设计的新型稳频直流高能点火器可以满足在产品输入直流电压为14～30 V、环境温度为-55～100 ℃条件下，使产品输出的火花频率稳定在(2±0.2)次/s的实验指标^{[13, 14]}。

4 结束语4 结束语

本文论述了脉宽调制原理的集成电路式新型稳频直流高能点火器的各部分组成、工作原理和设计方法，研制出了在输入直流电压为14～30 V、环境温度为-55～100 ℃条件下的火花频率为(2±0.2)次/s的新型稳频直流高能点火器。2014年12月，产品通过了高温、低温、高低温工作循环、振动、冲击、加速度、电源特性等环境试验。试验表明，本次研究的脉宽调制原理的集成电路式新型稳频直流高能点火器满足航空发动机的使用要求。

本文研究成果的先进性主要体现在：

1)系统满足发动机要求，具有寿命高、可靠性高、对环境温度和电源电压不敏感等特点，保证航空发动机(起动机)正常点火、起动；

2)新型的集成电路式自动稳频电路，解决了航空点火器火花频率不稳的问题；

3)新型的放电电路解决了航空点火器在生产、使用过程中对装配人员的人身损害，提高了点火器的工作寿命和可靠性。