一种用于微型脉冲等离子体推进器半导体火花塞的点火电路

摘要

本发明针对优化点火系统质量和体积、提高点火系统电效率和时间控制精度、减少半导体火花塞发热及其热应力等技术问题，在不增加外部电路复杂性、不改变火花塞基本构型的基础上，针对采用半导体火花塞点火的微型脉冲等离子体推力器，设计了一种点火电路，并对半导体火花塞中心阳极的安装、固定方式进行了设计。

权利要求

1.一种半导体火花塞，用于微型脉冲等离子体推力器，其特征在于：该火花塞为间隙性火花塞，包括中心阳极，接地外壳，绝缘体和半导体涂层；中心阳极与接地外壳之间分别通过绝缘体绝缘隔离和半导体涂层放电；火花塞中心阳极上端为接线螺栓，通过螺栓与点火电路供电端正极相连，火花塞接地阴极下端为螺栓，通过螺栓与推力器阴极板相连，构成回路；

在点火端面，中心阳极与外层阴极之间装有环状、片式的半导体涂层，中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙L，使得中心阳极可沿轴向滑动；装配间隙L参考周向膨胀量ΔR＝αRΔT的大小来确定，其中，α为热膨胀系数，R为中心阳极直径，ΔT为温度的变化量；

在非半导体涂层区域，在中心阳极与绝缘体之留有装配间隙L1。

2.根据权利要求1所述的半导体火花塞，其特征在于：所述绝缘体为绝缘陶瓷，所述绝缘陶瓷下端面采用环状片式半导体环封口。

3.一种半导体火花塞的点火系统，包括如权利要求1所述的半导体火花塞，其特征在于：还包括电源单元，点火启动单元；电源单元用来将卫星上的低压直流电源(V)转换为高压脉冲并对击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)充电；点火启动单元用来将击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)以及第三主储能电容(C3)的能量瞬间释放到火花塞。

4.根据权利要求3所述的一种半导体火花塞的点火系统，其特征在于：所述电源单元包括星载电源(V)和变压器(T1)；其中，星载电源(V)与变压器(T1)的初级线圈串联，变压器(T1)将星载电源(V)进行升压，变压器(T1)的次级线圈用作主电源提供给后级。

5.根据权利要求4所述的一种半导体火花塞的点火系统，其特征在于：所述点火启动单元包括击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)、隔离耦合电容(C5)、分压电阻(R1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)与第三二极管(D3)、第一开关(K1)、第二开关(K2)、开关晶体管(IGBT)、+5V点火电源及点火频率控制器(N)；其中，触发电路由+5V点火电源与点火频率控制器(N)串联组成；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后与第二二极管(D2)串联；第一二极管(D1)与次级变压器(T2)的初级线圈并联后与第三二极管(D3)、开关晶体管(IGBT)串联，串联后再与击穿触发电容(C4)并联，并联后再与分压电阻(R1)串联，构成支路一；第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)并联，构成支路二；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后再与火花塞(M)并联，并联后再与第二二极管(D2)串联，构成支路三；

支路一、支路二、支路三并联，并联后再与变压器(T1)的次级线圈串联。

说明书

一种用于微型脉冲等离子体推进器半导体火花塞的点火电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体火花塞及其点火系统，特别适用于诱导微型脉冲等离子体推力器发生主放电而产推力。

背景技术

[0002] 当前，卫星系统网络化、微型化发展对微型电推进器提出了广泛的需求。微型脉冲等离子体推进器(Micro-Pulsed Plasma Thruster,μPPT)是脉冲等离子体推进器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)的一种，其利用电容脉冲放电产生电磁场、工质烧蚀电离产生等离子体，再通过电磁力加速等离子体而产生推力。通常，将系统质量小于1kg的PPT称为μPPT，μPPT的质量、体积和功耗均至少要比PPT低一个量级。按工质的物理状态分类，μPPT可分为采用气体工质、采用液体工质和采用固体工质的μPPT，与采用气体工质和采用液体工质的μPPT相比，采用固体工质的μPPT把推进剂的供给与推力器本体组合成一个模块，省却了复杂的推进剂储存系统和供给系统，避免了阀门寿命的限制和工质泄露的问题，其除了具备传统PPT推力密度大、比冲高、推力小而精准、控制精度高、结构简单、可靠性高等优点外，还具备功耗低、成本低、质量轻、体积小等优点，十分适用于微纳卫星的空间应用和执行高精度控制的推进任务。

[0003] 点火系统是μPPT的关键组成之一，其直接决定了μPPT的点火成败问题，还直接影响到整个推力器的质量和性能。对于采用固体工质的平行极板构型的μPPT，一般采用外部激发放电方式诱导推力器发生主放电：火花塞采用单独的点火电路控制，主放电采用电容储能放电，火花塞常用点火电压较低、点火稳定性较好的半导体火花塞。在点火系统的控制下，半导体火花塞点火，诱发主放电并产生电弧，近而烧蚀、电离和加速工质而产生推力。这种μPPT的点火电路具有控制精度高、可靠性较好、结构简单、成本低等优点，但也存在着一些问题：

[0004] 需单独的点火电路，一定程度上增加了系统的质量、体积和复杂性。

[0005] 半导体火花塞存在较大的热应力，使得推进系统的寿命受到火花塞寿命的限制。半导体火花塞在真空中连续长时间放电会产生温度积累，导致火花塞温度升高，加上太空环境昼夜温差大(高达300℃)，导致火花塞热胀冷缩现象普遍存在，产生的热应力较大，可能导致局部放电或非标准放电等现象发生，一定程度上加剧了火花塞的烧蚀、腐蚀和失效。

[0006] 半导体火花塞的使用会影响传统点火系统的电效率和电容的充电时间。在点火电路不工作时，传统的金属型火花塞的阴极和中心电极间是完全隔离的，电路相当于断路；而半导体火花塞则会使电路导通，消耗一定的电能并发热(其自身的内阻相当于一个静态等效电阻)，同时，该静态等效电阻相当于与充电电阻并联，会对电容器的充电时间造成影响，从而影响控制精度。

发明内容

[0007] 基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种半导体火花塞及其点火系统，针对优化点火系统质量和体积、提高点火系统电效率和时间控制精度、减少半导体火花塞发热及其热应力等技术问题，在不增加外部电路复杂性基础上，设计了一种半导体火花塞，以及用于半导体火花塞的点火电路。

[0008] 一种半导体火花塞，用于微型脉冲等离子体推力器，该火花塞为间隙性火花塞，包括中心阳极，接地外壳，绝缘体和半导体涂层；中心阳极与接地外壳之间分别通过绝缘陶瓷组件绝缘隔离和半导体涂层放电；绝缘陶瓷下端面采用环状片式半导体环封口；火花塞中心阳极上端为接线螺栓，通过螺栓与点火电路供电端正极相连，火花塞接地阴极下端为螺栓，通过螺栓与推力器阴极板相连，构成回路；

[0009] 在点火端面，中心阳极与外层阴极之间装有环状片式的半导体涂层，中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙L，使得中心阳极可沿轴向滑动；装配间隙L参考周向膨胀量ΔR＝αRΔT的大小来确定，其中，α为热膨胀系数，R为中心阳极直径，ΔT为温度的变化量；

[0010] 在非半导体涂层区域，在中心阳极与绝缘陶瓷之留有装配间隙L1。

[0011] 在其中一个实施例中，所述绝缘体为绝缘陶瓷，所述绝缘陶瓷下端面采用环状片式半导体环封口。

[0012] 本发明还提供一种半导体火花塞的点火系统，包括上述半导体火花塞，还包括电源单元，点火启动单元；电源单元用来将卫星上的低压直流电源(V)转换为高压脉冲并对击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)充电；点火启动单元用来将击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)以及第三主储能电容(C3)的能量瞬间释放到火花塞。火花塞用来产生带电粒子。

[0013] 在其中一个实施例中，所述电源单元包括星载电源(V)和变压器(T1)；其中，星载电源(V)与变压器(T1)的初级线圈串联，变压器(T1)将星载电源(V)进行升压，变压器(T1)的次级线圈用作主电源提供给后级。

[0014] 在其中一个实施例中，所述点火启动单元包括击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)、隔离耦合电容(C5)、分压电阻(R1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)与第三二极管(D3)、第一开关(K1)、第二开关(K2)、开关晶体管(IGBT)、+5V点火电源及点火频率控制器(N)；其中，触发电路由+5V点火电源与点火频率控制器(N)串联组成；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后与第二二极管(D2)串联；第一二极管(D1)与次级变压器(T2)的初级线圈并联后与第三二极管(D3)、开关晶体管(IGBT)串联，串联后再与击穿触发电容(C4)并联，并联后再与分压电阻(R1)串联，构成支路一；第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)并联，构成支路二；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后再与火花塞(M)并联，并联后再与第二二极管(D2)串联，构成支路三；支路一、支路二、支路三并联，并联后再与变压器(T1)的次级线圈串联。

[0015] 本发明对火花塞的结构进行了改进，可减小半导体火花塞因温度大范围变化而产生的热应力，有利于火花塞寿命的提高；

[0016] 采用脉冲变压器，实现高压与低压之间的相互隔离，减小了对星载电压的影响；通过触发信号接口触发脉冲高压放电，引发点火，可通过单独的控制系统点火和手动点火，点火频率控制精准；采用多个主储能电容并联，储能电容的个数通过闸刀控制，点火能量自主调节，且击穿电容与点火主电容相独立，提高了能量的利用率；并且针对半导体火花塞的工作特性引入了隔离二极管，可防止在点火电路待机时，半导体火花塞因不能自主隔离(自身存在等效静态电阻)而出现耗能和发热现象；

[0017] 本发明结构简单，元器件及其组成的点火系统质量轻、体积小，能适应于μPPT严格的质量、空间要求。

附图说明

[0018] 图1为半导体火花塞正视结构示意图；

[0019] 图2为半导体火花塞仰视结构示意图；

[0020] 图3为半导体火花塞剖视结构示意图；

[0021] 图4为半导体火花塞中心阳极结构示意图；

[0022] 图5为本发明电路的电路原理图。

[0023] 1—外层阴极，

[0024] 2—绝缘陶瓷，

[0025] 3—半导体环，

[0026] 4—中心阳极，

[0027] 5—中心阳极与绝缘陶瓷间的配合间隙，

[0028] 6—中心阳极与半导体环间的配合间隙，

[0029] 7—连接螺母，

[0030] 8—连接螺纹，

[0031] 星载28V—星载电源为28V，

[0032] T1—初级变压器，

[0033] K1/K2—主电容开关，

[0034] C1/C2/C3—主储能电容，

[0035] R1—分压电阻，

[0036] IGBT—晶体管，

[0037] D1/D2/D3—二极管，

[0038] T2—次级变压器，

[0039] C5—放电击穿电容，

[0040] M—火花塞。

具体实施方式

[0041] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

[0042] 需要说明的是，当元件被称为“固设于”、“设置于”或“安设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；一个元件与另一个元件固定连接的具体方式可以通过现有技术实现，在此不再赘述，优选采用螺纹连接的固定方式。

[0043] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0044] 本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

[0045] 本发明提供一种半导体火花塞，其内部相当于一种固体绝缘金属传输线路，接地外壳与中心阳极同轴平行布置，两电极之间采用陶瓷材料作为绝缘介质，中心阳极与绝缘材料、半导体涂层间均留有间隙，可以一定程度上消除和吸收中心阳极、半导体涂层和绝缘体的伸缩量，实现三者之间的柔性互动，达到减小半导体火花塞内部热应力的目的。

[0046] 如图1所示为半导体火花塞的正视结构示意图，其主体结构包括：中心阳极，接地阴极，绝缘体和半导体涂层；中心阳极与外层阴极之间分别通过绝缘陶瓷组件绝缘隔离和半导体涂层放电。绝缘陶瓷下端面采用环状片式半导体环封口；火花塞中心阳极上端为接线螺栓，通过螺栓与点火电路供电端正极相连，火花塞接地阴极下端为螺栓，通过螺栓与推力器阴极板相连，构成回路。

[0047] 图2为间隙型半导体火花塞的仰视结构示意图，其结构为：在点火端面，中心阳极与外层阴极之间装有环状片式的半导体涂层，中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙，装配间隙L参考周向膨胀量ΔR＝αRΔT的大小来确定，其中，α为热膨胀系数，R为中心阳极直径，ΔT为温度的变化量。

[0048] 图3为半导体火花塞的剖视结构示意图，其结构为：在非半导体涂层区域，在中心阳极与绝缘陶瓷之留有装配间隙L1，在半导体涂层区域，在中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙L2，使得中心阳极可沿轴向滑动，安装时中心阳极的轴向位置由点火端面的槽口和接线柱端的螺母共同确定。

[0049] 图4为间隙型半导体火花塞的中心阳极结构示意图，其结构为：中心阳极呈圆柱状，点火端的直径稍大，起位置限制作用。

[0050] 本发明还提供一种用于半导体火花塞的点火系统，如图5所示，主要由电源单元，点火启动单元和火花塞(M)组成，如图1所示。

[0051] 电源单元用来将卫星上的低压直流电源(V)转换为高压脉冲并对击穿触发电容(C4)、主储能电容(C1、C2、C3)充电。

[0052] 点火启动单元用来将电容(C1、C2、C3、C4)的能量瞬间释放到火花塞(M)。

[0053] 火花塞(M)用来产生带电粒子。

[0054] 所述电源单元包括星载电源(V)和变压器(T1)；其中，星载电源(V)与变压器(T1)的初级线圈串联，变压器(T1)将星载电源(V)进行升压，变压器(T1)的次级线圈用作主电源提供给后级。

[0055] 所述点火启动单元包括击穿触发电容(C4)、主储能电容(C1、C2、C3)与隔离耦合电容(C5)、分压电阻(R1)、二极管(D1)、(D2)与(D3)，开关(K1)与(K2)、开关晶体管(IGBT)、+5V点火电源及点火频率控制器(N)；其中，触发电路由+5V点火电源与点火频率控制器(N)串联组成；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后与二极管(D2)串联；二极管(D1)与次级变压器(T2)的初级线圈并联后与二极管(D3)、开关晶体管(IGBT)串联，串联后再与击穿触发电容(C4)并联，并联后再与分压电阻(R1)串联，构成支路一；主储能电容(C1)、(C2)、(C3)并联，构成支路二；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后再与火花塞(M)并联，并联后再与二极管(D2)串联，构成支路三；支路一、支路二、支路三并联，并联后再与变压器(T1)的次级线圈串联。

[0056] 所述火花塞(M)为间隙型半导体火花塞，其包括中心阳极，接地阴极，绝缘体和半导体涂层；其中，隔离耦合电容(C5)、次级变压器(T2)的次级线圈所串联后与火花塞(M)并联。

[0057] 点火电路将卫星上的低压直流转换(V)为高压脉冲并对击穿触发电容(C4)、主储能电容(C1、C2、C3)充电，当开关晶体管(IGBT)接收到点火触发信号后，击穿触发电容(C4)与开关晶体管(IGBT)、二极管(D3)、次级变压器(T2)的初级线圈形成放电回路，并将自身储存的能量通过次级变压器(T2)的次级线圈释放到火花塞使其击穿放电，火花塞击穿后，主储能电容(C1、C2、C3)与二极管(D2)、开关管(IGBT)、火花塞形成放电回路，在隔离耦合电容(C5)的隔离耦合作用下，主储能电容(C1、C2、C3)将自身储存的能量瞬间释放到火花塞，从而实现火花塞的点火。主储能电容(C1、C2、C3)的能量不需要经过次级变压器(T2)的次级线圈，提高了能量的利用率；电路中引入了隔离二极管(D3)，可防止在点火电路待机时半导体火花塞因不能自主隔离(自身存在等效静态电阻)而出现耗能和发热现象，同时提高了控制精度；电路中参与放电的主电容的个数可通过开关(K1、K2)控制，实现了点火能量可调。

[0058] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0059] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。