电子安全系统高压变换脉冲变压器变频控制方法

郑松

摘要 针对现有电子安全系统高压变换脉冲变压器采用固定频率控制方法转换效率低、高压电容器充电时间长的问题，提出了电子安全系统高压变换脉冲变压器电压分档变频控制方法，该方法需要高压变换过程中实时对于高压电容器充电电压进行检测，根据高压电容器检测数据通过计算确定不同电压值情况下动态开关的控制频率。试验验证表明该方法的使用能够有效缩短高压电容器充电时间。

【关键词】引信电子安全系统 高压变换 脉冲变压器

引信电子安全系统选用钝感的高压飞片雷管作为爆炸元件，为了保证冲击片雷管的可靠起爆，电子安全系统起爆电容器需要高压充电，为此电子安全系统利用脉冲升压技术将9-30V的低压电源转换成高压电源，完成高压起爆电容器充电。传统方法采用固定频率控制方式，该方法高压变换器效率相对较低，充电时间较长，很多情况下己不能满足新设计的要求，简单易行的效率提升方法是电子安全系统需要突破的关键技术之一。

高压变换器转换效率提升与脉冲变压器磁通强度、匝数比、控制频率、动态开关损耗有直接关系。脉冲变压器磁通强度、匝数比、动态开关损耗涉及到硬件电路其性能提升，往往需要依托于电子器件技术发展，而控制频率仅仅涉及到控制软件的修改，其实现也往往是最简单的。因此本文针对目前脉冲变压器动态开关采用固定频率控制方式转换效率较低、高压电容器充电时间长的问题，提出了脉冲变压器动态开关电压分档变频控制方法。

1 引信电子安全系统高压变换过程分析

1.1 工作过程分析

脉冲变压器工作过程中根据工作形式不同分为磁能电能磁能转化、磁能电能转化两阶段。由于电能转化磁能阶段对于升压效率影响较小，下面仅对磁能转换成电能进行分析。在这过程中为方便分析将脉冲变压器等效为理想变压器，耦合系数为1。

在T1时刻动态开关闭合，T2时刻由于磁场能量完全转化成电能此时次级线圈电流I2=O。（T1，T2）时间段内在变压器互感作用下，变压器次级线圈产生电流，为高压电容器充电，高压电容器两端电压为U2，同样为了方便分析假设此时变压器原边电流I1=0。

由充电过程可得：

1.2 脉冲变压器固定频率控制方法的优缺点

固定频率控制方法的优点在于控制方法简单。高压变换过程中，控制器仅利用模拟比较器对充电电压预定值进行检测，而对充电过程中高压电容器充电电压值不进行检测，对于控制频率不做修正。采用这种方法，高压变换过程中控制器的运算量小，对于控制器的性熊要求低。缺点在于随着充电电压的提高，电能转化磁能和磁能转换电能时间最优比一直在变化，造成其输出效率明显降低，转换效率降低、变压器损耗大增大。

2 脉冲变压器动态开关电压分档变频控制方法

2.1 脉冲变压器动态开关电压分档变频控制方法

根据前面的分析，固定频率控制方式，脉冲变压器升压效率很难在高压电容器充电初期到充电截止期间内始终保持较高水平。根据高压电容器充电电压实时改变脉冲变压器控制频率的控制方法，成为除改变高压变换器电路硬件条件外提高高压变换器变换效率唯一可行的方法。

升压过程中由于充电电压的升高电磁转换时间和充电时间相应的产生变化，进一步根据

由上式可以得出随看电容两端电压的逐渐升高，△t2的时间将变得越小，随着充电电压的提高单个磁能转成电能周期内高压电容器充电时间缩短了，仍然采用固定频率控制方法，将降低脉冲变压的转换效率。因此相对于固定占空比方法采用可调占空比的方法能大大提高脉冲变压器的效能、有效缩短升压时间。

2.2 脉冲变压器动态开关电压分档变频控制方法实现

2.1节推导得到的△t2计算公式，含有多个未知数，但对于特定电路来说，电感L1、L2，电容C，电压U1均为确定参数，除此之外充电时间T1为原边电容器充电时间可以等效RC充电简单计算得到，变化的仅为U2（t2），因此△t2的计算公式可以进一步简化得到：

其中a、b、c、U1、Tl常数均可以根据具体电路参数直接计算得到。从上述分析可以得到在a、b、c、U，均确定条件下，U2电压的升高与△t2时间成反比，确定的U2值对应确定的△t2时间，因此为了最大限度缩短高压电容器充电时间△t2应适时根据U2值进行变化，即采用实时可变频率控制方法。

3 试验验证

为了验证脉冲变压器动态开关电压分档变频控制方法的有效性，进行了三组试验进行对比，试验中设定充电电压为2000V。三组试验状态如下：

（1）第一组动态开关采用固定控制频率;

（2）第二组采用5特征点控制方法，5特征点设置为400V、800v、1200V、2000V;

（3）第三组采用8特征点控制方法，8特征点设置为250V、500v、750V、1000V、1250V、1500V、1750V、2000V。

試验结果固定控制频率高压充电时间为5.5s;5特征点法高压变换时间为4.8s;8特征点法的变换时间为4.ls。试验结果表明随着特征点选取的增多高压充电时间将会有不同程度的缩短。

4 结论

本文提出了一种电子安全系统高压变换脉冲变压器动态开关电压分档变频控制方法。该方法在升压过程中实时采样检测高压电容器上的电压，控制器根据电压适时改变控制频率，减小高压电容器充电时间。试验验证该方法的使用将会有效缩短电子安全系统高压电容器充电时间，提升高压变换器效率。

参考文献

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[2]杨哲，鞠晓东.小型脉冲变压器设计[J]，变压器，2006 （12）.

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