第7章 压电变换器型汽车安全气囊点火的驱动设计
前面已经提到,汽车安全气囊点火系统的关键是点火系统的精准实现,其核心是采用高性能高压变换技术,高效地获取点火的发火能量。压电陶瓷高压变压器是安全气囊点火系统功率变换的核心,如何实现其高效驱动十分重要。本章将就这一问题进行研究分析并最终结合DDS技术给出一种用于驱动Rosen型压电变换器的可调频SPWM发生器的设计。考虑汽车安全气囊的空间限制,设计驱动器的目标工作芯片是FPGA/CPLD。本章最后将在Altera公司的FPGA专业设计软件QuartusⅡ上对设计进行仿真验证。
如前所述,压电陶瓷变压器的负载是一个高压储能电容。在充电过程中,电容是阻抗变化范围很宽的负载,充电开始负载接近短路,随着电容电压逐渐升高,阻抗也相应地变化。研究表明,在对高压储能电容的充电过程中,负载变化对压电陶瓷变压器谐振的频率影响可以忽略。
在输入方面,Rosen型压电陶瓷变压器并不是对任何频率的输入电压都有变压作用。只有在频率取一定值时,压电变压器电压增益最大。图7.1显示了Rosen型压电陶瓷变压器的频率特性曲线。
图7.1 Rosen型压电陶瓷变压器的频率特性曲线
从图7.1中可以看出,Rosen型压电陶瓷压电变压器对于不同频率的输入会有差异很大的输出,频率特性曲线存在一个峰值,此频率下的输出最大,可以称为最佳工作频率,而在峰值附近区域曲线十分陡峭,离峰值越远曲线越是平滑。我们需要使压电变压器的电压输出最大,也就得使输入电压频率在最佳频率附近。通常情况下,压电陶瓷的最佳工作频率就是其自身谐振的固有频率。压电陶瓷的固有频率由多种因素决定,与压电陶瓷变压器的自身因素有关,同时也与其工作环境有关,变化很大,因此压电陶瓷变压器的最佳驱动频率是一个动态量,客观上要求其驱动器能够给出较宽的驱动信号。这是一般的晶振之类的简单频率发生源无法达到的,所以我们这里采用先进的第三代频率合成技术——DDS技术产生可调频的驱动信号。
由于是为汽车安全气囊长期使用,所以需要考虑到压电陶瓷变压器的寿命问题,即压电陶瓷的疲劳特性。对于驱动电压的波形,正弦型与脉冲型对压电陶瓷的疲劳损伤大小并没有确定的结论,有的研究发现正弦型波形造成的损伤更小,而有的研究发现脉冲型波形造成的损伤更小。所以这里我们将设计一种SPWM波形的脉冲发生器。一方面它可以用来产生脉冲电压,另一方面可以设计电路并在驱动信号的控制下产生正弦型电压。
综合来讲,为更好地驱动用于汽车安全气囊的压电陶瓷变压器,我们将结合DDS技术设计一种可调频的SPWM脉冲信号发生器。