引信微型高频高压点火电源的研究

第26卷　第3期2005年9月
制　导　与　引　信
G UI DANCE &FUZE
V ol.26N o.3
Sep.2005
文章编号:167120576(2005)0320034204
引信微型高频高压点火电源的研究
司怀吉1
,　崔占忠1
,　冀建平
2
(1.北京理工大学机电工程学院,北京100081;2.北京理工大学材料与工程学院,北京100081)
摘　要:通过分析脉宽调制型(PW M )专用集成电路T L494和带有续流线圈的单端正激式
逆变器的工作原理,设计了用于引信点火的高频高压电源系统电路和元件参数,并给出了试验样机的部分实验结果。

将脉宽调制型高频高压开关电源用于冲击片雷管爆炸箔起爆器系统中,安全性好,可靠性高,多点起爆同时性好,适用于直列式爆炸序列,使弹药引爆系统的设计大为简化,提高了弹药的费效比。

关键词:引信;点火;起爆中图分类号:O441.1;T J434.1 文献标识码:A
Studies on Sm all H igh F requency and V oltage Ignition Pow er for Fuze
SI Huai 2ji 1
,　CUI Zhan 2zhong 1
,　JI Jian 2ping
2
(1.School of Mechatronics Engineering ,Beijing Institute of T echnology ,Beijing 100081;
2.School of Material Science and Engineering ,Beijing Institute of T echnology ,Beijing 100081,China )
Abstract :The w orking principles of the pulse width m odulation integrated circuit T L494and the single end positive dash inverter with fly 2wheel coil is analyzed and the high frequency and v oltage power system circuit and com ponent parameters for the fuze ignition is designed.S ome experimental results of the sam ple machine are presented.S witch power used in the im pact flake detonator explosion foil detonating system shows g ood security ,reliability and simultaneity of multidrop initiation ,which is adapt to in 2line arrangement explosion sequence.It makes the conventional ammunition detonation system sim ple and elevates the ammunition ratio between waste and effect.
K ey w ords :fuze ;ignition ;initiation
收稿日期:2004-06-23
基金项目:国家部委预研项目(40403020301)。

作者简介:司怀吉(1962-),男,博士生,从事中近程目标探测技术的研究;崔占忠(1944-),男,教授,博士生导师,从事引信技术的研究。

0　引言
冲击片雷管(Slapper )爆炸箔起爆器(EFI )是
继E BW 雷管之后的新型起爆装置,具有传统起爆
技术无法比拟的优点。

冲击片雷管起爆器能否可靠起爆主要由高压脉冲电源系统决定,此外还与金属桥箔厚度及桥区尺寸、飞片厚度和加速膛尺寸的匹配以及飞片速度的大小等因素有关。

由于使用了不需机械隔离的高能冲击片雷管,且全部使用电子器件,因此能实现保险与可靠解除保险的功能。

目前,美国已将该系统应用于“陶22B ”、
AAWS 2M 反坦克导弹和陆军战术导弹系统(AT AC MS )等武器系统中[1]。

研究表明,冲击片雷
管的点火能量为0.5J ;电压脉冲为2.0kV ～2.5
kV ;放电电容为0.2μF [2]。

研究满足冲击片雷管可靠起爆要求的微型高压点火脉冲功率电源的理论和技术,是一个具有实际意义的课题。

1　引信高压点火电源工作原理
1.1　冲击片雷管及其工作原理
冲击片雷管是以电爆炸箔技术为基础,由劳伦斯2利弗莫尔实验室(Lawrence Liverm ore Laboratory )的J.R.Stroud 发明,并于1971年申请
了美国军用发明专利,1976年被公开报道[3]。

冲击片雷管的工作原理:高压脉冲功率电源装置产生的脉冲能量引起复合金属桥箔发生快速电爆炸,爆炸产生的等离子体在反射片的作用下集中压力将飞片“冲裁”出来,飞片沿加速膛增速,如果飞片出口速度达到装药的起爆阈值,则引爆装药。

冲击片雷管的特点是不含起爆药和低密度猛炸药,炸药与换能元件不接触。

冲击片雷管起爆器的结构及工作原理示意图分别如图1和图2
所示。

1-反射片;2-桥箔;3-飞片;4-加速膛;5-装药
图1　冲击片雷管的结构
Fig.1　The structure of slapper detonator
由图2可以看出,当联结在高压电容器两端
的顶部导体在电容向其放电时,电桥(1μm ～5μm 厚的金属箔)在大于3.0kV 、3.0kA 的瞬间(50ns )电能的作用下气化爆炸,从顶部绝缘片上切割下一个圆片(飞片),通过圆柱体的中心孔并得到加速,以每秒几千米的速度轰击顶部炸药并使其起爆。

冲击片雷管起爆能量很高,瞬时功率为5MW ～10MW ,平时没有任何干扰能量能够起爆它,非常安全。

1-反射片;2-桥箔;3-加速飞片;4-加速膛;5-装药
图2　冲击片雷管起爆原理
Fig.2　The principle of slapper detonator explosion
1.2　高压高频逆变电源点火及起爆电路原理
高压逆变器的作用是在系统完成解除保险之后,给高压电容充电。

高压变换器由高频开关管、高频高压脉冲变压器、PW M 振荡电路组成,原理电路如图3所示。

图3　高压逆变与起爆电路原理示意图
Fig.3　The w orking principle diagram of high v oltage
inversion and initiation circuit
由PW M 脉宽调制振荡器产生的高频振荡驱动VMOS 开关管进行逆变,将20V 左右的直流电转换成几百千赫的交流电压,由高频变压器升压至2.5kV ～3.0kV ,经高压硅堆整流后给高压电容充电,在几毫秒内充至2.5kV 以上。

起爆回路由高压电容、高压二极管、高压触发电路、回路电缆及冲击片雷管组成。

当起爆信号到来时,触发电路发出高压触发脉冲使高压开关TRG 导通,高压电容即向冲击片雷管放电,使其起爆。

高压滤波电容C 2的耐压值为4.0kV ,电容量为0.2μF 左右。

实际上,高压滤波电容C 2是有两个8.0kV Π0.47μF 的C BB 电容串联而成。

高压触发开
关是等离子体开关,触发电压在3.0kV 以上,导电时间为20ns 左右。

对起爆冲击片雷管,需要在小于1μs 的时间内将3kV ～4kV 高压和数千安培电流加在雷管上。

因此,对高压开关、高压电
5
3第3期
司怀吉,等:引信微型高频高压点火电源的研究
容、回路分布电感、分布电容及分布电阻等都应该
提出严格的要求,必须从理论上进行建模研究。

2　电路设计
2.1　单端正激逆变电路工作原理
带有去磁绕组的单端正激逆变电路原理图,
如图4所示。

图4　带有去磁绕组的逆变电路原理图
Fig.4　The principle diagram of the inversion circuit with
bucking winding
逆变电路的工作原理为:当T 1关断后,续流绕组N 2和D 1、C 1构成单端反激式变换器,励磁电流I μ经D 1衰减,原边绕组的电压反向,并叠加在输入电压上,故T 1承受的最高电压为
V ce
=E +N 2
N 1
E
(1)
带有去磁绕组的单端正激逆变电路的截止时间t off 将小于导通时间t on ,也就是最大导通宽度超过二分之一周期,因此可以得到较大的输出功率。

逆变变压器初次级工作波形,如图5所示。

图5　逆变变压器初次级波形
Fig.5　The primary wave of inversion trans former
从图5可以看出,逆变器的高压脉冲幅度V 0=
(N 3ΠN 1)E ;电池电压E =27V ;要求高压输出V 0=2.5kV ～3.0kV ,本文取V 0=2.7kV ,可以得出
变压器的变比N 3ΠN 1=1000。

2.2　逆变控制电路工作原理2.2.1　PW M 脉宽调制集成电路T L494
本方案采用美国德克萨斯公司生产的T L494具有频率可调的脉宽调制(Plus width m odulation ,
缩写为PW M )控制集成电路[4]
,它包含了控制开关电源所需的全部功能,可作为单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源的控制系统。

T L494是双列直插式塑料封装集成块,有16个引出脚。

它的工作频率为1kH z ～300kH z ;工作电源电压为7V ～40V ;输出电流为200mA 。

T L494内部设计了线性锯齿波振荡器,振荡频率f
=1.1Π
(R T C T ),它可以由两个外接元件R T 和C T 来调节。

T L494内设两个误差放大器,可构成电压反馈调节器和电流反馈调节器,分别控制输出电压的稳定和输出过流的保护;设置了5×(1±1%)V 的电压基准;它的死区时间可调节,输出形式可单端,也可以双端,一般是作为双端输出类型的脉宽调节器(PW M ),本文采用单端输出形式。

2.2.2　逆变电路设计
图6为电源系统的电路原理图,它是一个带有去磁绕组的逆变电路,主要有PW M 脉冲形成电路(包括T L494、C T 、R T 、W 1、R 1、C 1)、开关振荡VMOS 管T 1及驱动吸收网络(包括DZ 1、D 1、B 1、
D 3、R 2、C 1)、高压逆变变压器及续流网络(包括B 2、D 2、C 3)及高压整流和滤波(包括D 4、C 4)等四
部分组成。

脉宽振荡集成电路T L494的13脚接地,为单端工作状态,T L494通过脉冲变压器B 1驱动VMOS 管,脉冲的上升沿很陡,开关损耗小。

在这
种状态下,输出端的脉冲频率等于振荡器的频率。

这里,C T =1000pF ,R T =10k
Ω,振荡频率f =1.1ΠR T C T =110kH z 。

脉冲信号的占空比由电位器W 1
调节。

振荡脉冲从T L494的8脚输出,通过B 1驱动VMOS 管的栅极使产生振荡,DZ 1保护Q 的栅极,D 3用于保护T 1管,以避免在关断瞬间的反向
6
3 制　导　与　引　信
第26卷
图6　高频高压电源电路原理图
Fig.6　The circuit principle diagram of high frequency v oltage power
电流击穿,R 2、C 2用于限制T 1管漏极的电压上升率,D 2、C 3为逆变变压器B 2的续流回路,T 为日本T DK 公司的EE8高频铁氧体磁芯,D 4为高压高频
整流二极管,C 4为高压C BB 电容。

3　实验
按照图6电路设计制作了样机,并对样机的工作波形进行了测量。

其波形如图7所示。

图7　逆变电源实验样机测试波形
Fig.7　The test wave of inversion power experiment prototype
图7(a )为T L494脉宽振荡集成电路产生的
PW M 振荡波形,它的频率由振荡电容C T 和振荡电阻R T 决定,按照前面讨论的公式,频率的计算值为110kH z ,由于电容C T 和电阻R T 有误差,实际测量其振荡周期为9.5μs ,即工作频率为105.3
kH z 。

图7(b )为T L494的第8脚输出波形,也是开
关VMOS 管T 1的栅极驱动波形。

图7(c )为逆变
变压器的初、次级波形,该波形与图5讨论的理想波形不同,实际波形是当T 1管关断瞬间,变压器的续流过程是按图7(c )的波形变化。

4　结论
采用单管单端带有续流绕组的正激式逆变电路,提供引信高压点火电源。

逆变频率高,逆变变压器体积小,为点火电源系统微型化奠定了基础。

逆变开关管选用了开关速度极高的VMOS 场效应三极管,降低了开关过程的损耗,提高了电源系统的转化效率。

实验样机测试表明:原理正确,方案可行。

采用贴片工艺,可以实现电源系统微型化。

参考文献
[1]　李东杰,杨成祥,范传杭.全电子引信技术在串联战
斗部中的应用[A].第十三届引信技术年会[C].重庆:中国兵工学会引信专业委员会,2003.5002502.
[2]　Nickolin T om ,et al.Highly Intergrated Firing M odule
[A].43rd Annual Fuze C on ference [C ].Florida :Hyatt Regency T am pa ,1999.
[3]　S ilvia D.A.Theory of Fuze Safty [J ].Proceeding of the
Nation C ouse in Fusing and Initiation ,conpus Christi T exas ,1990.
[4]　刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京:电
子工业出版社,2001.
7
3第3期
司怀吉,等:引信微型高频高压点火电源的研究 。