等离子点火器电源、等离子点火设备和系统

摘要

本实用新型公开了一种等离子点火器电源、等离子点火设备和系统。其中，等离子点火器电源包括：逆变升压模块，包括：输入保护单元、晶体管自激振荡单元、温度补偿单元、晶体管保护单元、中心抽头高频变压器，中心抽头高频变压器具有第一输出端和第二输出端；整流滤波模块，包括：第一整流滤波电路、第二整流滤波电路，分别与中心抽头高频变压器的第一输出端和第二输出端连接；点火功能模块，包括：变频控制电路，击穿引弧电路，倍压释能电路。根据本实用新型技术方案，能够在低压直流供电状态下实现等离子点火，满足低压直流供电环境下的等离子点火需求。

说明书

技术领域

本实用新型涉及等离子点火领域，尤其涉及一种等离子点火器电源、等离子点火设备和系统。

背景技术

等离子点火技术通过高能脉冲击穿空气，使电极间工质裂解电离，形成大量活性粒子，产生高温高速的等离子射流，形成初始火核，从而实现燃烧室快速稳定点火。等离子点火作为一种新型的点火技术，可以克服传统的电点火技术的诸多不利，尤其是在航空发动机高空二次点火的应用中，更具有点火区域大，点火能量高，点火能量可以更好地与燃料空气混合物相耦合，点火延迟时间短，点火成功率高等优势。

目前国内对于不带加力燃烧室的航空发动机普遍只装配直流电源，特别是对于无人机。因此直流供电系统在国内航空发动机中有更常规和普遍的应用。在保证飞行器电源给各类机载设备及附件供电的要求下，以28V为代表的低压直流电源产品更丰富，应用最为普遍。

国内近年来也有许多关于等离子点火器电源的专利申请。2009年1月9日向国家知识产权局递交的专利申请200910071239.7公开了一种燃气轮机高能等离子点火器，其点火激励电源构成包括控制继电器、变压隔离电路、振荡脉冲电路、维弧续流模块以及高压变压器，但其激励工作供电需采用外部220V交流供电实现，低压直流仅能用于继电器控制。2021年11月9日向国家知识产权局递交的专利申请202111319429.3公开了一种等离子体点火器用双频激励电源，包括：控制模块，脉冲电压模块和高频交流电压模块，其脉冲电压模块的直流输入来自于220V交流电的整流及DC-DC变换处理。

因此，需要能够实现低压直流供电输入状态下的等离子体射流点火的技术，以便于在直流低压供电状态下实现等离子点火。

实用新型内容

为此，本实用新型提供了一种等离子点火器电源、等离子点火设备和系统，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种基于低压直流供电的等离子点火器电源，包括：逆变升压模块，包括：输入保护单元，用于承接低压直流输入；晶体管自激振荡单元，与所述输入保护单元的输出端连接，用于实现逆变与高频升压功能；温度补偿单元，与所述晶体管自激震荡单元连接，用于补偿温度，稳定电路静态工作点；晶体管保护单元，与所述晶体管自激振荡单元连接，用于保护晶体管自激振荡单元内部的电路器件；中心抽头高频变压器，与所述晶体管自激振荡单元的输出端连接，与所述晶体管自激振荡单元结合工作，实现有效值为所述低压直流输入的电压特定倍的交变电压，所述中心抽头高频变压器具有第一输出端和第二输出端；整流滤波模块，包括：第一整流滤波电路，输入端与所述中心抽头高频变压器的第一输出端连接，输出端与点火功能模块中的变频控制电路和击穿引弧电路的输入端连接；第二整流滤波电路，输入端与所述中心抽头高频变压器的第二输出端连接，输出端与点火功能模块的倍压释能电路的输入端连接，用于将所述逆变升压模块输出的交变电压转换为点火功能模块工作所需的直流电；点火功能模块，包括：变频控制电路，其输出端与击穿引弧电路的MOSFET开关器件连接；击穿引弧电路，击穿引弧电路的输出端与等离子点火发生器的阴极连接；倍压释能电路，用于经全波二倍压对所述第二整流滤波电路输出的直流电进行升压，输出端与击穿引弧电路的输出端连接。

可选地，上述输入保护单元包括输入整流管和滤波电容，所述晶体管自激振荡单元包括晶体管、保护电阻，所述温度补偿单元包括开关二极管和用于给晶体管散热的散热器，所述晶体管保护单元包括RCD钳位电路、稳压管，所述中心抽头高频变压器包括初级绕组、次级绕组、反馈绕组、能量回收绕组，输出端采用中心抽头结构，在变压器副边线圈1/2匝数处抽头，使得中心抽头的第一输出端和第二输出端完全一致。

可选地，所述变频控制电路中的非稳态多谐振荡器由555定时器配置而成，所述击穿引弧电路包括MOSFET开关器件、储能电容、高压变压器，所述倍压释能电路包括三个二极管、两个大电容以及两个保护电阻，其中两个保护电阻分别与两个大电容并联，两个二极管分别正接和反接于两个大电容的两侧，第三个二极管与两个大电容直接并联。

可选地，所述特定倍是15倍。

可选地，所述倍压释能电路将所述第二整流滤波电路输出的直流电升压至2倍。

根据本实用新型的第二方面，提供了一种等离子点火设备，包括如上所述的基于低压直流供电的等离子点火器电源，以及等离子点火发生器。

根据本实用新型的第三方面，提供了一种等离子点火系统，包括如上所述的等离子点火设备，以及等离子点火辅助系统。

可选地，上述等离子点火系统是用于航空发动机的等离子点火系统。

根据本实用新型技术方案，能够在低压直流供电状态下实现等离子点火，针对比如航空飞行器这样的低压直流供电环境，可以通过逆变升压模块将输入转换为交流，再配合点火功能模块，可实现稳定的高压脉冲输出，满足低压直流供电环境下的等离子点火需求。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出根据本实用新型实施方式的等离子点火器电源的示意性框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步说明本实用新型的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

根据本实用新型实施方式，提供一种基于低压直流供电的等离子点火器电源。图1示出该等离子点火器电源的示意性框图。如图1所示，该电源包括逆变升压模块110、整流滤波模块120和点火功能模块130。逆变升压模块110经由其中心抽头高频变压器110-5结构分为两个输出端，第一输出端与第一整流滤波模块120-1连接，第二输出端与第二整流滤波模块120-2连接；第二整流滤波模块120-2直接与点火功能模块130相连接；点火功能模块130的高压输出端与等离子点火发生器的阴极相连接。

下面对这些模块逐一进行描述：

逆变升压模块110，包括：

输入保护单元110-1，用于承接低压直流输入。低压直流输入的电压范围根据具体应用场景可以不同，比如可以是50V以下，比如在航空发动机等离子体点火领域可以是28V。所述输入保护单元可以包括输入整流管和滤波电容，能够避免电网波动产生噪声影响电路工作。

晶体管自激振荡单元110-2，与所述输入保护单元的输出端连接，用于实现逆变与高频升压功能。晶体管自激振荡单元可以包括晶体管、保护电阻，由中心抽头高频变压器反馈与晶体管自激振荡实现逆变与高频升压功能。

温度补偿单元110-3，与所述晶体管自激振荡单元连接，用于补偿温度，稳定电路静态工作点。温度补偿单元可以包括开关二极管，利用反向特性实现温度补偿，从而使电路的静态工作点实现稳定。温度补偿单元还包括用于给晶体管散热的散热器。

晶体管保护单元110-4，与所述晶体管自激振荡单元连接，用于保护晶体管自激振荡单元内部的电路器件。晶体管保护单元可以包括RCD钳位电路、稳压管等，能够避免变压器漏感导致晶体管在切换工作状态瞬间，中心抽头高频变压器的绕组产生尖峰电压损害电路器件。

中心抽头高频变压器110-5，与所述晶体管自激振荡单元的输出端连接，与所述晶体管自激振荡单元结合工作，实现有效值为所述低压直流输入的电压特定倍的交变电压，所述中心抽头高频变压器具有第一输出端和第二输出端。中心抽头高频变压器可以包括初级绕组、次级绕组、反馈绕组、能量回收绕组，输出端采用中心抽头结构，在变压器副边线圈1/2匝数处抽头，使得中心抽头的第一输出端和第二输出端完全一致，供给后续所述整流滤波模块的两部分。

特定倍的具体数值不受限制，可根据图1所示三个模块中各模块的参数不同而不同。比如针对28V的直流低压输入，如果希望通过三个模块的工作达到10kV以上的电压输出，可以通过晶体管自激振荡单元110-2与中心抽头高频变压器110-5直接连接，两者结合工作，实现有效值约425V交变电压的输出，即放大约15倍。在整流滤波模块120和点火功能模块130中的参数配置不同的情况下，逆变升压模块110也可以实现比如13、16倍的电压放大，等等。本实用新型在此不受限制。

整流滤波模块120，包括：第一整流滤波电路120-1，输入端与所述中心抽头高频变压器的第一输出端连接，输出端与点火功能模块中的变频控制电路和击穿引弧电路的输入端连接；第二整流滤波电路120-2，输入端与所述中心抽头高频变压器的第二输出端连接，输出端与点火功能模块的倍压释能电路的输入端连接，用于将所述逆变升压模块输出的交变电压转换为点火功能模块工作所需的直流电。比如在以上的例子中，第二整流滤波电路120-2将逆变升压模块120输出的425V的高频交流电转换为后续点火功能模块130工作所需的直流电。

点火功能模块130，包括：变频控制电路130-1，其输出端与击穿引弧电路的MOSFET开关器件连接；变频控制电路中的非稳态多谐振荡器可以由555定时器配置而成。由555定时器配置非稳态多谐振荡器可以带来以下优势：器件可靠，输出频率与设定值相比误差小，精度高，调节频率由调节外部可变电阻值实现，无需拆装电路，方便快捷。通过电路内部配置，可实现触发脉冲频率与大小的调节，从而可实现等离子点火的变频调控。对不同的等离子点火发生器，可以调节脉冲频率及大小，以使得发生器以最佳状态或不同工作模式工作。对同一等离子点火发生器，也可以调节点火的脉冲频率大小以适应燃烧室的需求。

击穿引弧电路130-2，击穿引弧电路的输出端与等离子点火发生器的阴极连接，可以包括MOSFET开关器件、储能电容、高压变压器等。其MOSFET开关器件经变频控制电路130-1触发，实现储能电容充放电，再经高压变压器，形成10kV以上的脉冲高压，实现空气介质的击穿，其输出端与等离子点火发生器的阴极相连接。

倍压释能电路130-3，用于对所述第二整流滤波电路120-2输出的直流电进行升压，输出端与击穿引弧电路130-2的输出端连接。倍压释能电路中可以包括三个二极管、两个大电容以及两个保护电阻，其中两个保护电阻分别与两个大电容并联，两个二极管分别正接和反接于两个大电容的两侧，第三个二极管与两个大电容直接并联，避免击穿电压对电路的损坏。倍压释能电路可以将所述第二整流滤波电路输出的直流电升压至比如2倍。比如在以上的例子中，倍压释能电路130-3可以经全波二倍压对整流滤波后的直流电进行升压，以约850V的电压给倍压释能电路130-3中的大电容充电，当空气介质击穿形成放电通道时，倍压释能电路130-3中的大电容放电释能，强化等离子点火能量，形成高温高速等离子射流。其中，在一个可选实施方式中，大电容的电容值可以取10μF。

综上所述，本实用新型公开了一种基于低压直流供电的等离子点火器电源，由逆变升压模块110、整流滤波模块120、点火功能模块130组成。其中逆变升压模块110由晶体管自激振荡单元110-2将低压直流输入转换成升压交流输出，经中心抽头高频变压器110-5，形成两部分相同的输出。其中一部分经过第一整流滤波模块120-1输入到点火功能模块130的变频控制电路130-1中，由内部设置按一定频率触发击穿引弧电路130-2，通过电容经触发放电形成脉冲电压，经变压器放大可形成10kV以上的高压，实现空气介质的击穿。而另一部分经过第二整流滤波模块120-2输入到点火功能模块130的倍压释能电路130-3中，倍压释能电路130-3倍增来流电压后给大电容充电，当介质击穿形成放电通道后电容放电释能，强化点火能量，从而实现低压直流供电状态下变频可控稳定的等离子点火。

根据本实用新型实施方式，还提供一种等离子点火设备，该设备包括参考图1所述的等离子点火器电源，以及等离子点火发生器。为便于理解，图1已示出等离子点火发生器。因此，关于该等离子点火设备的整体架构，可参考图1所示。

根据本实用新型实施方式，还提供一种等离子点火系统，包括图1所示的等离子点火设备，燃烧室以及等离子点火辅助系统。其中，等离子点火辅助系统可以包括冷却水系统、载体风系统、图像火检系统、风速测量系统等。

如上所述的等离子点火系统可以用于航空发动机的等离子点火。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施方式的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施方式、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。本领域技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施方式中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域技术人员可以理解，可以对实施方式中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施方式不同的一个或多个设备中。可以把实施方式中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施方式包括其它实施方式中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施方式的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施方式。此外，所述实施方式中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施方式的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该实用新型的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施方式描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施方式。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。