10.1　总  结

压电变压器体积小,质量轻,在高频范围仍具有高能量密度、无铜损、无电磁干扰等优点,且其输入阻抗随负载减小而增加的特性更适合高压放电领域。因此,研究以压电变压器为核心器件的高压变换器可为汽车安全气囊点火系统的高压转换电路简化、体积的进一步缩小以及工作效率的提高提供一个新的技术途径。本书的研究目的就是突破基于压电变压器的汽车安全气囊点火系统高压变换器的关键技术,在提供的有限电源电压、有限充电时间和有限空间的条件下,进行压电高压变换器的工作频率优选、高效率充电的理论与电路设计,实现汽车安全气囊点火系统的稳定充电与可靠性要求。本书的具体研究工作总结如下:

(1)从汽车安全气囊点火系统的结构和工作原理出发,提出了安全气囊点火系统高压变换器的组成结构;介绍了压电变压器的特点和工作原理,给出了用于直流输出的等效电路集总参数模型,并利用该模型对变压器的工作特性进行了详细分析;分析研究了变换电路效率最大化的问题,包括逆变驱动电路输出电压最值可调并使开关工作在软开关状态问题、输出电路中的高压电容恒流等台阶充电实现问题,以及将输出电压稳定在预设的电压范围内时,优选驱动频率或控制驱动频率跟踪问题;最后给出了汽车安全气囊点火系统压电高压变换器的电路模型,为系统的理论分析奠定了基础。

(2)分析了等效电路模型参数测量的研究现状及存在的问题,详细推导了利用测量压电变压器输入导纳来计算等效电路模型参数的理论依据;对给定压电变压器用上述方法进行了实测,计算出模型参数,得出了压电变压器工作频率随负载电阻变化的特性,实测频率和计算频率值最大相对误差不超过2.5%,该结果验证了等效集总参数电路模型建立的正确性;利用基波分析法首次分析了变换器输出电路的等效负载,在此基础上得出了变换器在充电过程中系统工作频率的变化特性,该特性为压电高压变换器驱动频率的设计提供了理论基础。

(3)提出量子型控制模式压电高压变换器的系统结构及变换器设计的要求;在详细分析变换器逆变驱动电路工作模式的基础上,得出了逆变开关工作于零电压开关状态的条件和电路参数的计算方法;通过对变换器输出电路建模,分析整流电路导通角的变化趋势,得出了压电高压变换器实现恒流充电的条件,为变换器输出电路工作在效率最大化状态提供了理论依据。从电压增益最大、恒流充电等方面得出了驱动频率选择依据。利用变换器等效电路模型研究了变换器的充电过程,分析结果为频率选择的工程计算提供了一个简单有效的方法。

(4)利用MATLAB的电力系统模型库,建立了变换器主电路仿真模型,仿真结果与实测结果的高度吻合验证了仿真模型的正确性和有效性。该仿真模型可克服实际电路中部分参量不方便和不可测试的缺点,为更深入理解变换器的工作过程和电路参数的优化提供了一个有效的分析工具。

(5)针对目前压电变压器的传输功率还相对较小的问题,提出了将压电变压器并联连接应用于安全气囊点火压电高压变换器系统中,简要地分析了并联连接特性,利用前面的研究成果建立基于量子模式控制的并联压电变压器高压变换器设计电路,实验给出的实测波形验证了并联连接在高压充电应用领域提高输出功率的可行性。

(6)针对环境变化引起压电变压器充电时间变长的缺点,提出了采用自适应频率跟踪模式控制变换器电路对高压电容充电;进行了谐振支路电流滞后角计算的理论依据推导,提出基于锁相环的控制实现方案,并详细给出了采样电路的设计和基于锁相环CD4046的控制系统电路设计;最后通过低温环境下的实测波形验证方案的可行性。该控制模式为变换器在环境变化的情况下保证输出性能一致提供了一个有效途径。