電子安全系統(tǒng)高壓變換脈沖變壓器變頻控制方法

鄭松

摘要 針對現(xiàn)有電子安全系統(tǒng)高壓變換脈沖變壓器采用固定頻率控制方法轉換效率低、高壓電容器充電時間長的問題，提出了電子安全系統(tǒng)高壓變換脈沖變壓器電壓分檔變頻控制方法，該方法需要高壓變換過程中實時對于高壓電容器充電電壓進行檢測，根據(jù)高壓電容器檢測數(shù)據(jù)通過計算確定不同電壓值情況下動態(tài)開關的控制頻率。試驗驗證表明該方法的使用能夠有效縮短高壓電容器充電時間。

【關鍵詞】引信電子安全系統(tǒng) 高壓變換 脈沖變壓器

引信電子安全系統(tǒng)選用鈍感的高壓飛片雷管作為爆炸元件，為了保證沖擊片雷管的可靠起爆，電子安全系統(tǒng)起爆電容器需要高壓充電，為此電子安全系統(tǒng)利用脈沖升壓技術將9-30V的低壓電源轉換成高壓電源，完成高壓起爆電容器充電。傳統(tǒng)方法采用固定頻率控制方式，該方法高壓變換器效率相對較低，充電時間較長，很多情況下己不能滿足新設計的要求，簡單易行的效率提升方法是電子安全系統(tǒng)需要突破的關鍵技術之一。

高壓變換器轉換效率提升與脈沖變壓器磁通強度、匝數(shù)比、控制頻率、動態(tài)開關損耗有直接關系。脈沖變壓器磁通強度、匝數(shù)比、動態(tài)開關損耗涉及到硬件電路其性能提升，往往需要依托于電子器件技術發(fā)展，而控制頻率僅僅涉及到控制軟件的修改，其實現(xiàn)也往往是最簡單的。因此本文針對目前脈沖變壓器動態(tài)開關采用固定頻率控制方式轉換效率較低、高壓電容器充電時間長的問題，提出了脈沖變壓器動態(tài)開關電壓分檔變頻控制方法。

1 引信電子安全系統(tǒng)高壓變換過程分析

1.1 工作過程分析

脈沖變壓器工作過程中根據(jù)工作形式不同分為磁能電能磁能轉化、磁能電能轉化兩階段。由于電能轉化磁能階段對于升壓效率影響較小，下面僅對磁能轉換成電能進行分析。在這過程中為方便分析將脈沖變壓器等效為理想變壓器，耦合系數(shù)為1。

在T1時刻動態(tài)開關閉合，T2時刻由于磁場能量完全轉化成電能此時次級線圈電流I2=O。（T1，T2）時間段內(nèi)在變壓器互感作用下，變壓器次級線圈產(chǎn)生電流，為高壓電容器充電，高壓電容器兩端電壓為U2，同樣為了方便分析假設此時變壓器原邊電流I1=0。

由充電過程可得：

1.2 脈沖變壓器固定頻率控制方法的優(yōu)缺點

固定頻率控制方法的優(yōu)點在于控制方法簡單。高壓變換過程中，控制器僅利用模擬比較器對充電電壓預定值進行檢測，而對充電過程中高壓電容器充電電壓值不進行檢測，對于控制頻率不做修正。采用這種方法，高壓變換過程中控制器的運算量小，對于控制器的性熊要求低。缺點在于隨著充電電壓的提高，電能轉化磁能和磁能轉換電能時間最優(yōu)比一直在變化，造成其輸出效率明顯降低，轉換效率降低、變壓器損耗大增大。

2 脈沖變壓器動態(tài)開關電壓分檔變頻控制方法

2.1 脈沖變壓器動態(tài)開關電壓分檔變頻控制方法

根據(jù)前面的分析，固定頻率控制方式，脈沖變壓器升壓效率很難在高壓電容器充電初期到充電截止期間內(nèi)始終保持較高水平。根據(jù)高壓電容器充電電壓實時改變脈沖變壓器控制頻率的控制方法，成為除改變高壓變換器電路硬件條件外提高高壓變換器變換效率唯一可行的方法。

升壓過程中由于充電電壓的升高電磁轉換時間和充電時間相應的產(chǎn)生變化，進一步根據(jù)

由上式可以得出隨看電容兩端電壓的逐漸升高，△t2的時間將變得越小，隨著充電電壓的提高單個磁能轉成電能周期內(nèi)高壓電容器充電時間縮短了，仍然采用固定頻率控制方法，將降低脈沖變壓的轉換效率。因此相對于固定占空比方法采用可調占空比的方法能大大提高脈沖變壓器的效能、有效縮短升壓時間。

2.2 脈沖變壓器動態(tài)開關電壓分檔變頻控制方法實現(xiàn)

2.1節(jié)推導得到的△t2計算公式，含有多個未知數(shù)，但對于特定電路來說，電感L1、L2，電容C，電壓U1均為確定參數(shù)，除此之外充電時間T1為原邊電容器充電時間可以等效RC充電簡單計算得到，變化的僅為U2（t2），因此△t2的計算公式可以進一步簡化得到：

其中a、b、c、U1、Tl常數(shù)均可以根據(jù)具體電路參數(shù)直接計算得到。從上述分析可以得到在a、b、c、U，均確定條件下，U2電壓的升高與△t2時間成反比，確定的U2值對應確定的△t2時間，因此為了最大限度縮短高壓電容器充電時間△t2應適時根據(jù)U2值進行變化，即采用實時可變頻率控制方法。

3 試驗驗證

為了驗證脈沖變壓器動態(tài)開關電壓分檔變頻控制方法的有效性，進行了三組試驗進行對比，試驗中設定充電電壓為2000V。三組試驗狀態(tài)如下：

（1）第一組動態(tài)開關采用固定控制頻率;

（2）第二組采用5特征點控制方法，5特征點設置為400V、800v、1200V、2000V;

（3）第三組采用8特征點控制方法，8特征點設置為250V、500v、750V、1000V、1250V、1500V、1750V、2000V。

試驗結果固定控制頻率高壓充電時間為5.5s;5特征點法高壓變換時間為4.8s;8特征點法的變換時間為4.ls。試驗結果表明隨著特征點選取的增多高壓充電時間將會有不同程度的縮短。

4 結論

本文提出了一種電子安全系統(tǒng)高壓變換脈沖變壓器動態(tài)開關電壓分檔變頻控制方法。該方法在升壓過程中實時采樣檢測高壓電容器上的電壓，控制器根據(jù)電壓適時改變控制頻率，減小高壓電容器充電時間。試驗驗證該方法的使用將會有效縮短電子安全系統(tǒng)高壓電容器充電時間，提升高壓變換器效率。

參考文獻

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