点火线圈寄生参数计算及建模方法

高 锋，吴存学，何举刚

（重庆长安汽车工程研究院，重庆 401120）

随着汽车电子产品日益增多，汽车电磁兼容问题也越来越突出[1]。应用计算机仿真技术在汽车开发初期对潜在的电磁兼容问题进行预测，并对设计方案进行修正是目前高效解决汽车电磁兼容问题的主要途径[2]。点火系统是汽车上主要的宽带骚扰源，而要在产品开发初期对其产生的电磁骚扰进行预测，建立能够描述点火线圈高频情况下电磁特性的仿真模型是准确预测点火系统电磁骚扰的基础。

电磁兼容问题涉及频率较高，用于仿真点火系统性能的模型不能满足电磁骚扰预测的要求。而随着频率的增加，点火线圈内部的寄生参数对其影响越来越大。要准确预测点火系统产生的电磁骚扰，必须考虑点火线圈内部寄生参数的影响。对于绕组寄生参数的计算，国内外已经开展了很多研究[3-6]，但这些计算方法适用于绕组匝数不多的情况。汽车点火线圈绕组匝数高达几千匝，很难直接应用上述方法计算寄生参数。为此，本文在对绕组模型进行适当简化后，应用三维电磁场数值计算方法计算寄生参数。在此基础上，采用不同电路结构建立了点火线圈的等效电路模型。通过对比阻抗特性，对基于不同电路结构的点火线圈模型的特点和准确性进行了分析。结果表明，文中采用的寄生参数计算方法能够准确计算出点火线圈内部的寄生参数，建立的等效电路模型能够描述其高频特性。

1 寄生参数的计算

图1为点火线圈内部结构示意图。初级线圈由于匝数较少，通常仅有1个绕组。而次级线圈匝数很多，通常由多个绕组串联而成。

进行点火系统功能仿真时，由于需要的频率较低，一般考虑点火线圈绕组的电感、互感和电阻能满足精度要求。电感和电阻的计算可参考文献[3]～[6]。但进行点火系统电磁骚扰仿真时，涉及频率较高，绕组内部导线以及绕组之间的寄生电容阻抗降低，为高频信号提供新的流通路径。所以，在建立点火线圈高频特性电路模型时，需考虑绕组的寄生参数。本文以重庆志阳的DQG1213型干式点火线圈为研究对象，计算寄生参数并建立等效电路模型。该点火线圈的基本参数见表1。

表1 点火线圈基本参数

1.1 绕组内寄生电容计算

由图2（a）可知，对于绕组内部漆包线之间的寄生电容，由于绕组包含匝数很多，且漆包线直径很小，在现有计算能力下，建立每个绕组的物理模型直接计算相邻漆包线之间的寄生电容几乎不可能，所以文中对绕组进行适当近似和简化后再进行电容的计算。

考虑相邻两导体之间电容较大，但同一层内相邻两导体之间的电压差要远小于不同层内的相邻两导体，所以文中忽略同一层内不同导体之间的电容存储的能量，将每一层线圈等效为1个导体薄层，如图2（b）所示。

式中：Cij为Maxwell软件计算出的第i层导体与第j层导体之间的电容；Ui(i = 1,...,N)为第i层导体上施加的电压。假设任意相邻两层导体之间的电压差相同，即

式中：ΔU为相邻两层导体之间的电压差。认为等效电容存储能量与多个导体之间电容存储的能量相同，由式（1）和式（2）可以得到绕组的等效电容Ceff为

虽然采用上述简化方法可以降低运算量，但次级线圈1个绕组的匝数可达到几千匝，经过上述方法简化后，绕组仍会有几十层，计算量仍非常巨大。为此，文中通过计算前几层的寄生电容，通过拟合公式对整个绕组的寄生电容进行预测，式（4）为文献[7]和[8]计算等效电容采用的拟合公式。

式中：K0, K1, K2, K3为拟合系数，通过前几层的等效电容计算结果拟合得到。这样，通过计算前几层的寄生电容，由式（4）便可预测整个绕组内的寄生电容。图3为次级线圈某绕组等效电容的计算结果和拟合曲线。

采用上述计算方法计算得到的绕组等效电容见表2。

表2 点火线圈绕组内部等效电容

表3 点火线圈绕组间的寄生电容

表4 点火线圈绕组的寄生电感单位：mH

1.2 绕组间寄生电容和电感

上面阐述了绕组内部电容的计算方法，下面介绍绕组之间寄生电容的计算。为简化计算，将单个绕组等效为一个整体，在每个导体上施加电压激励，利用Ansoft公司的Maxwell软件计算得到绕组之间的寄生电容和寄生电感，计算模型如图4所示，计算结果见表3和表4。

2 等效电路模型

由本文第1节计算得到的绕组寄生电容，参考文献[3]～[8]中的方法可以得到绕组的电感、互感和电阻。绕组之间的寄生电容是分布在两个绕组之间的，采用何种电路结构描述绕组之间的寄生电容也会影响建立的模型的准确性。假设绕组内部电压均匀分布，可采用图4所示的两种电路结构来描述绕组之间的寄生电容。

图4中的Ri、Lii和Cii分别为绕组i的电阻、自感和绕组内部的寄生电容，Cij为绕组i与绕组j之间的寄生电容。考虑绕组内部电压分布的平均效应，图4（a）采用绕组中部的电压差和绕组间的寄生电容来描述绕组之间高频电流，从而将绕组分成均匀的两部分，将绕组间的寄生电容连接在绕组中部。图4（b）则将绕组间的寄生电容平均分配到绕组两端，根据绕组两端的电压差和平均分配到绕组两端的寄生电容来描述绕组之间高频电流。

3 阻抗测试和分析

上一节通过提取点火线圈寄生参数建立了点火线圈等效电路模型，为验证模型的准确性，本节通过对比点火线圈绕组的阻抗特性验证文中寄生参数提取方法和建立的电路模型的准确性。此外，为进一步说明点火线圈电磁干扰仿真模型与用于性能仿真的模型的差别，文中还通过RLC测试仪测试得到点火线圈绕组的电感、电阻和电容，并根据测量参数建立了点火线圈电路模型。阻抗的测试结果如图5所示。

图5（a）为次级线圈阻抗的对比结果，图5（b）为初级线圈阻抗的对比结果。从测试结果可以看出，通过RLC测试仪建立的点火线圈模型由于未能充分考虑绕组之间参数的影响，虽然总体趋势与实测结果一致，但不能反映出10 kHz～1 MHz之间的谐振点。而且，10 kHz附近的谐振点误差也相对较大。

进一步，对比采用不同电路结构建立的点火线圈模型的阻抗。在绝大部分频率点，两种不同电路结构建立的模型阻抗一致，但在2 MHz附近采用半绕组电路结构的模型产生两个谐振点，阻抗测试仪的测量结果和采用半寄生电容电路建立的模型均无谐振点。采用半寄生电容电路建立的模型可以比较准确地描述次级线圈的阻抗特性。

在频率小于1 MHz时，能够准确描述初级线圈的阻抗特性。在频率大于1 MHz时，建立的模型未能准确描述初级线圈的阻抗波动，而是以20 dB/倍频程的速率衰减。分析原因，主要是由于本文在进行寄生参数计算时，将单个绕组作为一个整体，未充分考虑绕组内部导线之间的高频特性。虽然在频率大于1 MHz时，初级线圈阻抗误差有所增加，但在传导问题涉及的频带内[9]，建立的模型仍能够比较准确地描述点火线圈的特性。

4 结论

为实现点火线圈电磁骚扰的预测，本文通过合理简化，计算得到点火线圈寄生参数，并采用不同电路结构建立了点火线圈等效电路模型。通过与试验测试结果的对比分析，得到如下结论。

（1）用于点火性能仿真分析的模型不能准确描述点火线圈的高频特性，难以直接用于点火系统电磁骚扰的预测。

（2）采用半寄生电容电路结构建立的点火线圈模型能够更加准确地描述点火线圈的阻抗特性。

（3）文中采用的绕组简化方法合理有效，能够在大大减少计算量的同时正确计算出绕组内部的寄生电容。

References)

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