点火电路及固体烧蚀脉冲式电推力器

摘要

本发明公开一种点火电路和固体烧蚀脉冲式电推力器，其中点火电路包括点火电压调节模块、储能模块、隔离模块及驱动模块；点火电压调节模块，用于对储能模块进行充电；储能模块，用于储存电能；隔离模块，用于接收点火触发信号，经隔离之后输出至驱动模块；驱动模块，根据隔离后的点火触发信号，释放储能模块中的电能点燃火花塞。本发明技术方案通过设置第一晶体管和第二晶体管，使得火花塞与储能模块之间进行隔离，通过控制第一晶体管和第二晶体管的开通和关断，实现了对点火充放电时机的有效控制，避免火花塞因积碳引发储能模块直接放电，延长了点火系统的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及电推进技术领域，特别涉及一种点火电路及固体烧蚀脉冲式电推力器。

背景技术

固体烧蚀脉冲式电推力器是利用电容等储能装置脉冲放电产生电弧，在电弧作用下推力器工质烧蚀电离，烧蚀电离产物在放电通道中受到洛伦兹力及气动力加速喷出而产生推力的推力器。其中一种典型推力器——脉冲等离子体推力器(Pulsed PlasmaThruster，PPT)已被广泛应用于微小卫星，用于微小卫星轨道保持、星座站点保持、阻力补偿等飞行任务。

受到星体电源功率的限制，该种推力器多采用诱导激发方式使推力器极板间产生放电，火花塞为诱导推力器主放电提供“等离子体源”。火花塞放电和推力器主放电均会产生强烈的电磁干扰，现有的火花塞点火电路抗干扰能力较弱，且在推力器长时间工作后，火花塞阴阳极板会因半导体环表面形成积碳而短路，引发点火储能装置电能泄放，火花塞无法点火，导致推力器失效。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种点火电路，旨在提高点火电路的抗干扰性能和可靠性。

为实现上述目的，本发明提出的点火电路，包括点火电压调节模块、储能模块及驱动模块；其中，

所述点火电压调节模块，用于对所述储能模块进行充电；

所述储能模块，用于储存电能；

所述隔离模块，用于接收点火触发信号，经隔离之后输出至所述驱动模块；

所述驱动模块，根据隔离后的点火触发信号，释放所述储能模块中的电能点燃火花塞。

优选地，所述点火电路还包括隔离模块，所述隔离模块用于接收点火触发信号，经隔离之后输出至所述驱动模块。

优选地，所述驱动模块包括第一晶体管、第二晶体管、第一二极管、第二二极管、变压器及谐振电容；所述第一晶体管的栅极与所述隔离模块连接，所述第一晶体管的源极接地，所述第一晶体管的漏极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极与所述储能模块连接；所述第二晶体管的栅极与所述隔离模块连接，所述第二晶体管的源极与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述火花塞连接，所述第二二极管的阴极还与所述变压器次级线圈的第一端连接；所述变压器初级线圈的第一端与所述第一二极管的阴极连接，所述变压器初级线圈的第二端与所述第一二极管的阳极连接；所述变压器的次级线圈的第二端经所述谐振电容接地。

优选地，所述驱动模块还包括稳压管，所述稳压管的阳极接地，稳压管的阴极与第二晶体管的源极连接。

优选地，隔离模块包括光耦隔离芯片，所述光耦隔离芯片包括第一信号端、第一接地端、第二信号端、第二接地端、第一输出端、第二输出端、第一电源输入端、第一电源接地端、第二电源输入端、第二电源接地端；所述第一信号端与所述第二信号端连接，所述第一接地端与所述第二接地端连接；所述第一电源输入端与第一直流电源连接，第一电源接地端浮动接地；所述第二电源输入端与第二直流电源连接，所述第二电源接地端接地；所述第一输出端与所述驱动模块连接，所述第二输出端与所述驱动模块连接。

优选地，所述点火电压调节模块包括PWM控制器、第三晶体管、第一电阻及第一电感；所述PWM控制器的控制端与所述第三晶体管的栅极连接，所述第三晶体管的漏极与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与第三直流电源连接，所述第三晶体管的发射极与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端接地。

优选地，PWM控制器还包括电流反馈端，所述PWM控制器的电流反馈端与所述第一电阻的第一端连接；

所述PWM控制器检测流过所述第三晶体管的电流，将所述电流与预设电流阈值比较，当检测的电流大于所述预设电流阈值时，PWM控制器关断所述第三晶体管。

优选地，所述点火电压调节模块还包括第三二极管，所述第三二极管的阳极与所述第一电感的第一端连接，所述第三二极管的阴极与所述储能模块的输入端连接。

优选地，所述点火电压调节模块还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第三二极管的阴极连接，所述第一电容的第二端接地。

优选地，所述点火电压调节模块还包括第二电阻及第三电阻，所述PWM控制器包括电压反馈端，所述第二电阻的第一端与所述第三二极管的阴极连接，所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端接地；所述第三电阻的第一端还与所述PWM控制器的电压反馈端连接；

所述PWM控制器检测输出至所述储能模块的电压，PWM控制器根据检测的电压调节输出至所述第三晶体管的控制信号的占空比。

优选地，所述储能模块包括第四电阻、第五电阻、第二电容及第三电容；所述第四电阻的第一端与所述点火电压调节模块的输出端连接，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述驱动模块的第一输入端连接；所述第二电容的第一端与所述第四电阻的第二端连接，所述第二电容的第二端接地；所述第三电容的第一端与所述第五电阻的第二端连接，所述第三电容的第二端接地，所述第二电容的第一端还与所述驱动模块的第二输入端连接。

为实现上述目的，本发明还提出一种固体烧蚀脉冲式电推力器，所述固体烧蚀脉冲式电推力器包括如上所述的点火电路。该点火电路包括点火电压调节模块、储能模块、隔离模块及驱动模块；其中，所述点火电压调节模块，用于对所述储能模块进行充电；所述储能模块，用于储存电能；所述隔离模块，用于接收点火触发信号，经隔离之后输出至所述驱动模块；所述驱动模块，根据隔离后的点火触发信号，释放所述储能模块中的电能。

本发明技术方案通过设置点火电压调节模块、储能模块及驱动模块，形成了一种点火电路。驱动模块通过设置第一晶体管和第二晶体管，使得火花塞与储能模块之间进行隔离，通过控制第一晶体管和第二晶体管的开通和关断，实现对点火充放电时机的有效控制，避免火花塞因积碳引发储能模块直接放电，延长了点火系统的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明点火电路一实施例的功能模块图；

图2为本发明点火电路一实施例的电路结构示意图。

附图标号说明：

标号名称标号名称100点火电压调节模块Cs谐振电容200储能模块T变压器300隔离模块Q1～Q3第一晶体管至第三晶体管400驱动模块H火花塞500火花塞L1第一电感R1～R5第一电阻至第五电阻U2PWMC1～C3第一电容至第三电容ZD1稳压管U1隔离电源芯片D1～D3第一二极管至第三二极管VCC1第一直流电源VCC3第三直流电源VCC2第二直流电源

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种点火电路。

参照图1，在本发明实施例中，该点火电路包括点火电压调节模块100、储能模块200、隔离模块300及驱动模块400。

所述点火电压调节模块100，用于对所述储能模块200进行充电。该点火调节模块与一卫星母线电源(即下文中的第二直流电源VCC2和第三直流电源VCC3)连接，将卫星母线电源输出电压进行调节后，对储能模块200进行充电。

所述储能模块200，用于储存电能。储能模块200通过采用电容性元件进行储能，通过将点火电压调节模块100输入的电能进行储存，在点火触发信号的控制下，储能模块200再通过火花塞500放电。

所述隔离模块300，用于接收点火触发信号，经隔离之后输出至所述驱动模块400。隔离模块300可采用光耦隔离、隔离放大器等现有隔离手段进行隔离。

所述驱动模块400，根据隔离后的点火触发信号，释放所述储能模块200中的电能点燃火花塞。驱动模块400直接与火花塞500连接，通过驱动模块400，将储能模块200的电能释放到火花塞500上，从而进行放电。

本发明技术方案通过设置点火电压调节模块100、储能模块200、隔离模块300及驱动模块400，形成了一种点火电路。其中，在控制器输出的点火触发信号经过隔离模块300进行隔离后再输出至驱动模块400，控制器为弱电侧，驱动模块400为强电侧，从而实现了弱电侧和强电侧的隔离，避免强电侧对弱电的干扰，从而提高点火电路的抗干扰性能。

参照图2，具体地，所述驱动模块包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、变压器T及谐振电容Cs；所述第一晶体管Q1的栅极与所述隔离模块300连接，所述第一晶体管Q1的源极接地，所述第一晶体管Q1的漏极与所述第一二极管D1的阳极连接，所述第一二极管D1的阴极与所述储能模块200连接；所述第二晶体管Q2的栅极与所述隔离模块300连接，所述第二晶体管Q2的源极与所述第二二极管D2的阳极连接，所述第二二极管D2的阴极与所述火花塞H(即图1中的火花塞500)连接，所述第二二极管D2的阴极还与所述变压器T次级线圈的第一端连接；所述变压器T初级线圈的第一端与所述第一二极管D1的阴极连接，所述变压器T初级线圈的第二端与所述第一二极管D1的阳极连接；所述变压器T的次级线圈的第二端经所述谐振电容Cs接地。

进一步地，所述驱动模块还包括稳压管ZD1，所述稳压管ZD1的阳极接地，稳压管ZD1的阴极与第二晶体管Q2的源极连接，其作用在于防止第二晶体管Q2的源极出现大电压，避免第二晶体管Q2损坏。

本实施例中，第一晶体管Q1、第二晶体管Q2均采用IGBT。其中，第一二极管D1起到钳位第一晶体管Q1漏极电压和释放变压器T漏感能量的作用，第二二极管D2的作用在于防止电路回路中电流反向。变压器T将第一二极管D1两端电压进行升压后输出至火花塞，使得火花塞两端电压达到火花塞的导通电压，产生放电。

需要说明的是，火花塞长时间使用后会在半导体环表面产生积碳，火花塞容易短路，导致火花塞通电后直接放电，该驱动模块通过设置第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，使得火花塞H与储能模块200之间进行隔离，避免火花塞H因积碳引发储能模块200直接放电，导致储能模块200不能充电，火花塞H无法点火。该驱动模块400延长了点火系统的使用寿命。

此外，该驱动模块400通过变压器T对第一二极管D1两端电压进行升压后输出至火花塞H，降低了储能模块200中电压等级，实现了在较低的直流充电电压下使火花塞H放电。高电压小电流与低电压大电流复合放电的方式充分提高了充电能量使用效率，并可有效清除火花塞H表面的积碳。

该驱动模块400接收点火触发信号，控制第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的开通和关断，实现对点火充电电充放电时机的有效控制。

第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的栅极均与隔离模块300连接，在接收隔离模块300输出的点火触发信号时，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2均导通，此时形成两个能量通道传递至火花塞。一路经过变压器T后流入至火花塞，另一路经过第二晶体管Q2、第二二极管D2后流入至火花塞。

具体地，隔离模块300包括光耦隔离芯片，所述光耦隔离芯片包括第一信号端IN1、第一接地端OUT1、第二信号端IN2、第二接地端OUT2、第一输出端Vo1、第二输出端Vo2、第一电源输入端VCC、第一电源接地端VEE、第二电源输入端VCC、第二电源接地端VEE；所述第一信号端IN1与所述第二信号端IN2连接，所述第一接地端OUT1与所述第二接地端OUT2连接；所述第一电源输入端VCC与第一直流电源VCC1连接，第一电源接地端VEE浮动接地；所述第二电源输入端VCC与第二直流电源VCC2连接，所述第二电源接地端VEE接地；所述第一输出端与所述驱动模块400连接，所述第二输出端与所述驱动模块400连接。

本实施例中，光耦隔离芯片采用的型号是HCPL-315J。第一信号端IN1及第一接地端OUT1，与第二信号端IN2及第二接地端OUT2，用于接收卫星主控制器输出的点火触发信号。该HCPL-315J型号的光耦隔离芯片包括有两个光耦，从而将一路点火触发信号分为两路，以分别驱动第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。

具体地，所述点火电压调节模块100包括PWM控制器U2、第三晶体管Q3、第一电阻R1及第一电感L1；所述PWM控制器U2的控制端与所述第三晶体管Q3的栅极连接，所述第三晶体管Q3的漏极与所述第一电感L1的第一端连接，所述第一电感L1的第二端与第三直流电源VCC3连接，所述第三晶体管Q3的发射极与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端接地。

需要说明的是，第一电感L1为升压电感。PWM控制器U2输出一定占空比的PWM波，控制第三晶体管Q3周期性的导通和关断，从而将第三直流电源电能升压后对储能模块200进行充电。

进一步地，PWM控制器U2还包括电流反馈端，所述PWM控制器U2的电流反馈端与所述第一电阻R1的第一端连接。

所述PWM控制器U2检测流过所述第三晶体管Q3的电流，将所述电流与预设电流阈值比较，当检测的电流大于所述预设电流阈值时，PWM控制器U2关断所述第三晶体管Q3。在第三晶体管Q3中流过的电流过大时，防止电路中的元器件损坏，PWM控制器U2停止输出PWM波，提高了点火电压调节模块100的可靠性和安全性。

进一步地，所述点火电压调节模块100还包括第三二极管D3，所述第三二极管D3的阳极与所述第一电感L1的第一端连接，所述第三二极管D3的阴极与所述储能模块200的输入端连接。第三二极管D3防止储能模块200中的电压反串进入第三直流电源VCC3。

进一步地，所述点火电压调节模块100还包括第一电容C1，所述第一电容C1的第一端与所述第三二极管D3的阴极连接，所述第一电容的第二端接地。

第一电容C1的作用在于，对第三直流电源VCC3输出至储能模块200的电压进行滤波稳压，有效提高点火储能模块200充电电压稳定性。

进一步地，所述点火电压调节模块100还包括第二电阻R2及第三电阻R3，所述PWM控制器U2包括电压反馈端，所述第二电阻R2的第一端与所述第三二极管D3的阴极连接，所述第二电阻R2的第二端与所述第三电阻R3的第一端连接，所述第三电阻R3的第二端接地；所述第三电阻R3的第一端还与所述PWM控制器U2的电压反馈端连接；

所述PWM控制器U2检测输出至所述储能模块200的电压，PWM控制器U2根据检测的电压调节输出至所述第三晶体管Q3的控制信号的占空比。

应当说明的是，当PWM控制器U2检测到第三电阻R3的两端电压偏高时，降低控制信号的占空比，以调低点火电压调节模块100输出至储能模块200的电压；当PWM控制器U2检测到第三电阻R3的两端电压偏低时，升高控制信号的占空比，以调高点火电压调节模块100输出至储能模块200的电压。如此，进一步地的提高了点火储能模块200充电电压稳定性。

具体地，所述储能模块200包括第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容C2及第三电容C3；所述第四电阻R4的第一端与所述点火电压调节模块100的输出端连接，所述第四电阻R4的第二端与所述第五电阻R5的第一端连接，所述第五电阻R5的第二端与所述驱动模块400的第一输入端连接；所述第二电容C2的第一端与所述第四电阻R4的第二端连接，所述第二电容C2的第二端接地；所述第三电容C3的第一端与所述第五电阻R5的第二端连接，所述第三电容C3的第二端接地，所述第二电容C2的第一端还与所述驱动模块400的第二输入端连接。

第四电阻R4及第五电阻R5均为限流电阻，第二电容C2及第三电容C3均用于存储电能。

基于上述技术方案，本发明至少能达到以下效果：

本发明存在反馈调节稳压模块，配合滤波及高压隔离设置能够有效提高点火储能电容充电电压稳定性，实现高、低压电路隔离。

本发明实现了点火触发控制与充放电电路彻底隔离，避免了点火放电高压对点火触发控制低压电路元器件的损害，提高了点火系统的抗干扰能力，降低了系统的误触发率。

本发明实现了对点火充电电充放电时机的有效控制，得火花塞能高频放电点火，为推力器高频放电工作提供了一个必要条件；通过增加过压保护二极管保护性元器件等电路设计，有效提升了电路元器件在强电磁环境下工作的可靠性。

本发明，该驱动模块通过变压器T对第一二极管D1两端电压进行升压后输出至火花塞，降低了储能模块中电压等级，实现了在较低的直流充电电压下使火花塞放电。高电压小电流与低电压大电流复合放电的方式充分提高了充电能量使用效率，并可有效清除火花塞表面的积碳。该驱动模块通过设置第一晶体管和第二晶体管，使得火花塞与储能模块之间进行隔离，通过控制第一晶体管和第二晶体管的开通和关断，实现对点火充电电充放电时机的有效控制，避免火花塞因积碳引发储能模块直接放电，延长了点火系统的使用寿命。

本发明还提出一种固体烧蚀脉冲式电推力器，该固体烧蚀脉冲式电推力器包括上述点火电路，该点火电路的具体结构参照上述实施例，由于固体烧蚀脉冲式电推力器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。