機載設備雷電防護試驗發生器設計

劉帥，楊蘭均，莊偉春，王維，黃東，黃易之

(西安交通大學 飛機雷電防護實驗室，西安710049)

在現代航空航天技術中，復合材料的大量采用造成了飛機內部更為惡劣的電磁環境，對機載電氣/電子系統或設備的雷電防護能力提出了更高的要求［1-3］.機載電子設備雷電防護試驗，又稱為雷電感應瞬態敏感度試驗，有兩個項目，分別為引腳注入試驗和電纜束試驗［4］.其中，引腳注入試驗用于考核設備的損傷容限，其試驗波形和試驗等級直接決定設備的雷電防護設計.因此，有必要進行引腳注入試驗發生器的設計.

通用組合波設計電路不能完全滿足機載電子設備雷電防護引腳注入試驗發生器的要求.本文從RLC沖擊電流回路出發，提出一種新型的組合波設計電路和方法，設計滿足RTCA/DO-160G標準［4］要求的機載設備雷電防護引腳注入試驗發生器.

1 引腳注入試驗波形

RTCA/DO-160G標準［4］對機載電子設備雷電間接效應引腳注入試驗的瞬態信號發生器的輸出特性作了明確的規定，其輸出端開路狀態下的輸出電壓(Voc)和輸出端短路狀態下的輸出電流(Isc)應滿足一定的幅值和波形參數要求.引腳注入試驗波形有4個，分別為波形3、波形4、波形5A和波形5B，其中波形3為1 MHz衰減振蕩波，波形4/5A/5B為雙指數波，開路電壓和短路電流的波形完全相同.波形圖分別如圖1和圖2所示.各波形的開路電壓和短路電流幅值要求如表1所示［4］，幅值允差為 0 ～ +10%.

圖1 波形3的波形圖Fig.1 Wave shape figure of waveform 3

圖2 波形4/5A/5B的波形圖Fig.2 Wave shape figure of waveform 4/5A/5B

表1 引腳注入試驗波形幅值Table 1 Amplitude of pin injection test waveform

2 設計原理

傳統的組合波開路電壓和短路電流規定了波形的視在波前時間［5-12］，而 RTCA/DO-160G 標準［4］規定了波形的峰值時間.使用傳統通用組合波電路設計引腳注入試驗波形發生器時，首先需要將峰值時間轉換為視在波前時間，同時還需滿足開路電壓半峰值時間應遠大于視在波前時間.因此，使用通用組合波電路設計的結果誤差比較大，且較為繁瑣.本節提供一種新型的適用于開路電壓和短路電流波形相同的組合波設計電路，并提出以峰值時間/半峰值時間為目標參數的設計方法，避免了峰值時間向視在波前時間的轉換.

2.1 波形4/5A/5B發生器設計

機載電子設備雷電防護引腳注入試驗波形4/5A/5B的波形發生器原理電路如圖3所示，其中，C 為電容，L 為電感，R1、R2為電阻，S 為開關.輸出端開路狀態時，由C-L-R1在R1兩端形成開路電壓波.輸出端短路狀態時，由C-L-R1∥R2在R2支路形成短路電流波.當R2?R1時，開路電壓波形和短路電流波形基本一致.R2的值應等于發生器的虛擬源阻抗(開路電壓與短路電流的比值).

此回路實質是線性RLC沖擊電流發生回路［13-14］，設回路總電阻為 R，電容初始電壓為 U0，電路的微分方程為

可見回路電流波形只與阻尼系數ξ有關.通過MATLAB數值計算，歸一化峰值電流I*m、歸一化峰值時間 T*1、半峰值時間與峰值時間之比T2/T1也只與ξ有關，其關系如圖4～圖6所示，所有參量均為無量綱值.

圖3 波形4/5A/5B發生器電路圖Fig.3 Circuit diagram of waveform 4/5A/5B generator

圖4 I*m與ξ的關系Fig.4 Relation between I*mand ξ

圖5 T*1與ξ的關系Fig.5 Relation between T*1and ξ

圖6 T2/T1與ξ的關系Fig.6 Relation between T2/T1and ξ

對于波形4/5A/5B引腳注入試驗組合波發生器的設計，根據波形要求，由圖4～圖6得到ξ、T*1和I*m，并求解方程組:

該方程組有4個方程、5個未知數，因而有多個解，設計時可根據R2的值給R1賦值，然后聯立方程組求解.

2.2 波形3發生器設計

機載電子設備雷電防護引腳注入試驗波形3的波形發生器原理電路如圖7所示.當L2?L1時，開路電壓波形和短路電流波形基本一致.

圖7 波形3發生器電路圖Fig.7 Circuit diagram of waveform 3 generator

波形3為1 MHz衰減振蕩波，開路電壓和短路電流可以為正弦或余弦.本文設計的波形3電路開路電壓為余弦衰減振蕩波，短路電流為正弦衰減振蕩波.另衰減系數δ=R/(2L1)，設計方程組為

該方程組有3個獨立的方程、4個未知數而有多個解，設計時可根據L2的值給L1賦值，然后聯立方程組求解.

3 設計結果

3.1 波形3設計結果

波形3的虛擬源阻抗為25 Ω，可計算得L2=3.9 μH，另 L1=1.2 μH，代入式(3)計算，并適當微調，即可得波形3初步設計結果:C=25 nF，R=0.3 Ω，L1=1.2 μH，L2=3.5 μH.

實際情況下，為了使用方便，發生器輸出端需有兩根引線引出，以便發生器校準或者連接受試設備，所以輸出端不可避免地存在一定的雜散參數［15］.

對于圖7所示波形3發生器，輸出端雜散參數主要為引線電感和對地雜散電容，引線電感一般可以控制在數百nH量級，雜散電容一般在pF量級.輸出端短路狀態下，由于輸出支路有串聯電感L2，當存在引線電感時，可根據引線電感適當地減少L2的值，使總電感保持不變，即可解決引線電感的影響.輸出端開路狀態下，考慮雜散電容的波形3發生器回路可以等效為圖8所示電路，其中Cs為雜散電容.

圖8 考慮雜散電容的波形3發生器等效電路Fig.8 Equivalent circuit of waveform 3 generator considering stray capacitance

回路參數采用上述初步設計結果，雜散電容取5pF，電容器充電電壓設為3250V.采用PSpice仿真，開路電壓波形如圖9所示.

圖9 考慮雜散電容的波形3開路電壓波形Fig.9 Open circuit voltage wave shape of waveform 3 considering stray capacitance

由圖9可知，雜散電容對波形3的開路電壓波形影響較大，在第一個周期內波形高頻振蕩較為嚴重.為了降低雜散電容對開路電壓波形的影響，在波形3發生器電路輸出端并聯電阻Rs，電阻值的選取應遵循如下原則:

仿真表明，Rs取500 Ω時，開路電壓波形無明顯的由雜散電容引起的高頻振蕩.

因此，波形3最終設計電路及電路參數如圖10所示.

圖10 波形3發生器電路及參數Fig.10 Circuit and parameters of waveform 3 generator

根據圖10所示發生器電路，采用PSpice進行波形3等級3引腳注入試驗波形校準仿真，仿真時電容充電電壓為613V.在理論計算與仿真的基礎上，搭建波形3發生器，通過試驗驗證理論計算的正確性.試驗采用Lecory PPE5kV高壓探頭測量輸出端開路電壓，Pearson 3525電流傳感器測量輸出端短路電流.試驗時電容充電電壓為780 V.仿真與試驗結果如表2所示，仿真結果與試驗結果相近，設計結果滿足RTCA/DO-160G標準［4］的要求.

表2 波形3仿真與試驗結果Table 2 Simulation and test results of waveform 3

3.2 波形4/5A/5B設計結果

波形4的虛擬源阻抗為5 Ω，T2/T1=10.78，由圖4～圖 6可得，ξ=3.825，T*1=0.546，I*m=0.124，另R1=1 Ω，代入式(2)計算可得波形4設計結果:C=100 μF，L=1.37 μH，R1=1 Ω，R2=5 Ω.

波形4發生器輸出端開路狀態下，由于雜散電容只有pF量級，回路主電容為100 μF，所以雜散電容對開路電壓幾乎沒有影響.仿真表明，當雜散電容達到20 pF時，對開路電壓波形參數的影響不到0.1%.短路狀態下，電流波形為雙指數波，半峰值時間遠大于峰值時間，所以引線電感主要影響峰值時間.仿真表明，輸出端引線電感增大，短路電流波形峰值時間增大.當引線電感為1 μH時，峰值時間增加約4%.因此雜散參數對波形4的影響可以忽略.

采用PSpice進行波形4等級3引腳注入試驗波形校準仿真，并搭建波形4發生器，通過試驗驗證理論計算的正確性.仿真時電容充電電壓為320 V，試驗時電容充電電壓為350 V.仿真與試驗結果如表3所示，仿真結果與試驗結果相近，設計結果滿足RTCA/DO-160G標準［4］的要求.由于波形5A/5B與波形4的設計電路與方法完全一致，所以本文僅對波形4進行試驗驗證.相比于波形4，相同峰值電流下波形5A和5B的電流變化率更低，所以雜散參數對波形5A和5B的影響更小.經計算，波形5A設計結果為:C=400 μF，L=4.55 μH，R1=0.25 Ω，R2=0.9 Ω;波形 5B 結果為:C=3 000 μF，L=2.6 μH，R1=0.23 Ω，R2=1 Ω.

采用PSpice進行波形5A和5B等級3引腳注入試驗波形校準仿真驗證，充電電壓分別為410V、330V.仿真結果見表 4，滿足 RTCA/DO-160G標準［4］的要求.

表3 波形4仿真與試驗結果Table 3 Simulation and test results of waveform 4

表4 波形5A/5B仿真結果Table 4 Simulation results of waveform 5A/5B

4 結論

1)本文提出一種新型的適用于開路電壓和短路電流波形相同的組合波設計電路，并研究了以峰值時間/半峰值時間為目標參數的設計方法，提供設計查閱曲線，方便工程實際應用.

2)本文設計的雷電防護引腳注入試驗瞬態信號發生器滿足RTCA/DO-160G標準［4］的要求，可用于機載設備雷電防護引腳注入試驗.

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