CN109139402B - 一种复合式点火电路 - Google Patents

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    • F03H1/0087—Electro-dynamic thrusters, e.g. pulsed plasma thrusters

Abstract

一种复合式点火电路，涉及航空航天推进技术专业领域；包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电感L1、变压器T1和MOS管Q1；本发明采用交错式双冗余设计点火电路驱动板，保证了点火可靠性；采用高性能单片机数字电路取代逻辑门电路产生双路脉冲点火信号，同时实现手动/自动点火功能切换和脉冲频率调节，控制电路实现金属屏蔽，点火信号和驱动板实现磁隔离；本发明具有点火能量大，无需高压开关，不易积污，外部火花塞使用寿命长的优点。

Description

一种复合式点火电路
技术领域
本发明涉及一种航空航天推进技术专业领域，特别是一种复合式点火电路。
背景技术
推进装置是航天器脱离地球引力束缚，进入太空的动力之源。电推进装置以其高比冲、长寿命等特点成为未来航天器的首选推进系统，我国已相继开展了霍尔、离子型电推进的空间飞行验证。相对于使用气体燃料电推进(如霍尔、离子型)系统，固体烧蚀型脉冲等离子体电推进器(Pulsed Plasma Thruster，PPT)具有固体工质稳定易储存、无需储箱和管路、便于与航天器集成的优势，成为当前电推进技术发展新热点。采用固态半导体外部火花塞的点火电路是PPT的重要组成部分，通过调节推进器脉冲放电频率，影响整个推进器输出推力大小，其性能和可靠性决定了推进器的使用寿命。
高压脉冲半导体外部火花塞点火电路主要用于空间电推进等微小推力空间发动机，要求电路简单，可靠，能耗低，适合长期在轨工作等。常规的点火电路通常采用容式直接点火或者高压脉冲点火，前者点火能量大，但高压开关选型困难，限制了输入电压幅值；后者点火能量小，外部火花塞放电极易积污，使用寿命短。
现阶段的研究成果大多为脉冲变压器点火，该方法点火能量小，易造成半导体外部火花塞端面污染，减少使用寿命，所以多用于气体放电管点火，详见发明专利《一种用于脉冲等离子体推力器的电路》，北京航空航天大学，卫强等，授权公告号CN 101943148B/2011.12.07。还有采用负极储能原理的复合式脉冲点火电路，由于脉冲变压器初级无箝位电路，必须使用高耐压的晶闸管，次级输出无二级储能电容，输出电压易发生抖动，因此该型电路也只适用于点火控制不精确的外部火花塞点火，详见中科院硕士学位论文《40J脉冲等离子体推力器性能研究》，胡宗森，P17～21，2002.6。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种复合式点火电路，具有点火能量大，无需高压开关，不易积污，外部火花塞使用寿命长的优点。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种复合式点火电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电感L1、变压器T1和MOS管Q1；
其中，第一电容C1的一端接外部电源，第一电容C1的另一端接地；电感L1的一端接外部电源；电感L1的另一端分别与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端和第二电容C2的一端连接；第二电阻R2的另一端分别与第一二极管D1的正极和第五电容C5的一端连接；第一电阻R1的另一端分别与第三电容C3的一端、第二二极管D2的负极和变压器T1的一端连接；第二电容C2的另一端接地；第一二极管D1的负极分别与第四电容C4的一端和第三二极管D3的负极连接；同时，第一二极管D1的负极与外部火花塞连通形成回路；第五电容C5的另一端接地；第三电容C3的另一端接地；第二二极管D2的正极分别与变压器T1的一端、外部火花塞和MOS管Q1的漏极连接；变压器T1的另一端分别与第三二极管D3的正极、第四电容C4的另一端和外部火花塞连接；MOS管Q1的源极接地；MOS管Q1的栅极与第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3的另一端与外部驱动系统连接。
在上述的一种复合式点火电路，所述的外部电源电压为400V。
在上述的一种复合式点火电路，所述第一电容C1和第二电容C2为陶瓷电容；容值均为4.7μF。
在上述的一种复合式点火电路，所述电感L1为工字电感，电感L1参数为2.2μH/3A；第一电容C1、第二电容C2和电感L1形成π型滤波电路。
在上述的一种复合式点火电路，所述第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5均为聚丙烯电容；其中，第三电容C3容值为220nF/630V；第四电容C4容值为10nF/3KV；第五电容C5容值为1μF/630V。
在上述的一种复合式点火电路，所述第一电阻R1阻值为10KΩ；第二电阻R2阻值为5.1KΩ；第三电阻R3阻值为10Ω。
在上述的一种复合式点火电路，所述第一二极管D1参数为1200V/10A；第二二极管D2参数为800V/10A，第三二极管D3为高压硅堆，参数为3500V/5A。
在上述的一种复合式点火电路，所述MOS管Q1为碳化硅基场效应管，参数为1200V/10A；变压器T1为脉冲变压器，匝比为1:8。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用交错式双冗余设计点火电路驱动板，保证了点火可靠性；
(2)本发明采用高性能单片机数字电路取代逻辑门电路产生双路脉冲点火信号，同时实现手动/自动点火功能切换和脉冲频率调节，控制电路实现金属屏蔽，点火信号和驱动板实现磁隔离；
(3)本发明采用基于SiC的高压MOSFET取代晶闸管，提高脉冲变压器开关速度，防止产生二次放电；
(4)本发明使用无感CBB电容作为储能元件，减少电路寄生电感对能量的消耗，提高点火效率；
(5)本发明采用复合式点火电路增强了外部火花塞放电能量，减少外部火花塞端面积污，提高外部火花塞寿命
(6)本发明定制由耐高温耐腐蚀优质合金钢电极和高性能高耐压陶瓷绝缘管组成的半导体外部火花塞，实现了全固态长寿命点火性能
(7)本发明选用低频性能好的硅钢片作为脉冲变压器的磁芯，抑制次级电压震荡
(8)本发明采用分段式绕法绕制大伏秒积高压脉冲变压器，减小变压器的寄生电容，消除次级电压尖峰。
附图说明
图1为本发明复合式点火电路示意图；
图2为本发明复合式脉冲点火电路输出电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种复合式点火电路，具有点火能量大，无需高压开关，不易积污，外部火花塞使用寿命长的优点。
如图1所示为复合式点火电路示意图，有图可知，一种复合式点火电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电感L1、变压器T1和MOS管Q1；
其中，第一电容C1的一端接外部电源，第一电容C1的另一端接地；电感L1的一端接外部电源，外部电源电压为400V；电感L1的另一端分别与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端和第二电容C2的一端连接；第二电阻R2的另一端分别与第一二极管D1的正极和第五电容C5的一端连接；第一电阻R1的另一端分别与第三电容C3的一端、第二二极管D2的负极和变压器T1的一端连接；第二电容C2的另一端接地；第一二极管D1的负极分别与第四电容C4的一端和第三二极管D3的负极连接；同时，第一二极管D1的负极与外部火花塞连通形成回路；第五电容C5的另一端接地；第三电容C3的另一端接地；第二二极管D2的正极分别与变压器T1的一端、外部火花塞和MOS管Q1的漏极连接；变压器T1的另一端分别与第三二极管D3的正极、第四电容C4的另一端和外部火花塞连接；MOS管Q1的源极接地；MOS管Q1的栅极与第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3的另一端与外部驱动系统连接。
其中，第一电容C1和第二电容C2为陶瓷电容；容值均为4.7μF。电感L1为工字电感，电感L1参数为2.2μH/3A；第一电容C1、第二电容C2和电感L1形成π型滤波电路。
第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5均为聚丙烯电容；其中，第三电容C3容值为220nF/630V；第四电容C4容值为10nF/3KV；第五电容C5容值为1μF/630V。第一电阻R1阻值为10KΩ；第二电阻R2阻值为5.1KΩ；第三电阻R3阻值为10Ω。第一二极管D1参数为1200V/10A；第二二极管D2参数为800V/10A，第三二极管D3为高压硅堆，参数为3500V/5A。MOS管Q1为碳化硅基场效应管，参数为1200V/10A；变压器T1为脉冲变压器，匝比为1:8。
工作过程：
如图2所示为复合式脉冲点火电路输出电压波形示意图，由图可知：
(1)第一电阻R1、第三电容C3、第一变压器T1、第三二极管D3、MOS管Q1和第四电容C4组成脉冲点火电路；
(2)第二电阻R2、第五电容C5、第一二极管D1、MOS管Q1和第四电容C4组成容式直接点火电路；
(3)接通电源后，电源通过第一电阻R1向第三电容C3充电，储存能量；
(4)电源通过第二电阻R2向第五电容C5充电，第五电容C5容值大于第三电容C3，第三电容C3容值大于第四电容C4；
(5)外部驱动系统通过第三电阻R3控制MOS管Q1导通，第一变压器T1将第三电容C3储存的能量传递到次级，同时完成升压变换；
(6)传递到次级的能量在第四电容C4完成二次储能，击穿半导体外部火花塞，实现一次点火，见图2中t1-t2时间段；
(7)由于外部火花塞处于被击穿的低阻抗状态，第五电容C5继续向第四电容C4和外部火花塞提供能量，外部火花塞实现二次点火，见图2中t2-t3时间段；
(8)第五电容C5能量消耗光后，MOS管Q1关断，点火过程结束，整个点火过程持续10μS左右，见图2中t1-t3所示；
(9)电路重新开始储能，开始新一轮脉冲点火过程。
实际设计时，点火驱动板采用了两个由图1组成的冗余设计，驱动信号由点火电源控制板交替发送到两路复合式驱动电路的第三电阻位置，驱动信号可实现手动控制，即单次点火，也可以实现自动点火控制，目前可实现0.5～4Hz点火信号自动输出。由于卫星上母线电压较低，为23～30VDC，故还需要一次预升压，将卫星母线电压变为300～500VDC，本发明采用的是28V变400V。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种复合式点火电路，其特征在于：包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电感L1、变压器T1和MOS管Q1；
其中，第一电容C1的一端接外部电源，第一电容C1的另一端接地；电感L1的一端接外部电源；电感L1的另一端分别与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端和第二电容C2的一端连接；第二电阻R2的另一端分别与第一二极管D1的正极和第五电容C5的一端连接；第一电阻R1的另一端分别与第三电容C3的一端、第二二极管D2的负极和变压器T1的一端连接；第二电容C2的另一端接地；第一二极管D1的负极分别与第四电容C4的一端和第三二极管D3的负极连接；同时，第一二极管D1的负极与外部火花塞连通形成回路；第五电容C5的另一端接地；第三电容C3的另一端接地；第二二极管D2的正极分别与变压器T1的另一端、外部火花塞和MOS管Q1的漏极连接；变压器T1的另一端分别与第三二极管D3的正极、第四电容C4的另一端和外部火花塞连接；MOS管Q1的源极接地；MOS管Q1的栅极与第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3的另一端与外部驱动系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种复合式点火电路，其特征在于：所述的外部电源电压为400V。
3.根据权利要求2所述的一种复合式点火电路，其特征在于：所述第一电容C1和第二电容C2为陶瓷电容；容值均为4.7μF。
4.根据权利要求3所述的一种复合式点火电路，其特征在于：所述电感L1为工字电感，电感L1参数为2.2μH/3A；第一电容C1、第二电容C2和电感L1形成π型滤波电路。
5.根据权利要求4所述的一种复合式点火电路，其特征在于：所述第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5均为聚丙烯电容；其中，第三电容C3容值为220nF；第四电容C4容值为10nF；第五电容C5容值为1μF。
6.根据权利要求5所述的一种复合式点火电路，其特征在于：所述第一电阻R1阻值为10KΩ；第二电阻R2阻值为5.1 KΩ；第三电阻R3阻值为10Ω。
7.根据权利要求6所述的一种复合式点火电路，其特征在于：所述第一二极管D1参数为1200V/10A；第二二极管D2参数为800V/10A，第三二极管D3为高压硅堆，参数为3500V/5A。
8.根据权利要求7所述的一种复合式点火电路，其特征在于：所述MOS管Q1为碳化硅基场效应管，参数为1200V/10A；变压器T1为脉冲变压器，匝比为1:8。
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