1kA脈沖電流發生器測控電路設計

李紅梅 籍秀斌 王一豪 崔建旭

（長治市氣象局，山西 長治 046011）

雷電災害有著很大的破壞性，雷電的產生不是目前人類可以阻止或者說可以控制的。雷電放電時電壓會很高，有時可以達到500kV以上，而且同時會產生峰值幅度很大的閃電電流，有時甚至會達到100～300kA，或者更高更強。閃電電流一次放電時間極短約為40μs的速度，而且變化很快[1]。同時，雷電也表現出較為強大的沖擊波，這也為測試研究帶來很大的困難。脈沖電流是很快的一次性暫態量，而且電流幅值較大，當采集測試時，對測試設備元器件要求較高。因此，脈沖電流測控技術在對于雷電流這樣大電流沖擊時出現的危害是具有很大的研究意義[1-2]。

1 總體設計方案

1kA脈沖電流發生器是由單片機控制系統、充電回路電路、放電回路、放電采集電路以及液晶顯示模塊所組成。整個系統通過單片機控制 IGBT開關閉合時間以及其斷開時間來控制整個電路的充電模塊和放電模塊，以達到充放電電壓、幅值可調的目的。最后再通過采集電路進行采集輸入單片機，并顯示在液晶屏上。脈沖電流發生器測控系統結構框圖如圖1所示。

圖1 脈沖電流發生器系統總體設計

整個脈沖電流測控系統包括控制模塊、采集模塊和充放電的主電路模塊。系統可分為充電和放電兩個過程，充電過程為：220V的交流電通過整流橋及濾波后產生 300V的直流電源，通過按鍵向單片機發送調節開關閉合時間以及發送充電指令，單片機接受到指令后控制前級充電開關閉合，由 IGBT控制的直流電源向儲能電容開始充電，直到單片機按指令時間停止對電容充電，自動斷開前級開關，停止充電。隨即單片機對后級開關發出指令，閉合開關，使得儲能電容開始放電，在后級放電電路中，采用的是RLC回路，在通過負載很小的電阻時，產生一個瞬態的沖擊電流，通過參數調整可產生一個8/20μs脈沖波形。經采集電路采集信號后，由單片機A/D轉換輸出給液晶顯示電路并顯示在液晶屏幕上其檢測到的波形、幅值、上升沿時間和半波時間等參數。

2 硬件設計

2.1 直流電源設計

主回路中分為兩個主要部分：充電電路以及放電回路。充電電路中為了給儲能電容充電，需要直流電源為其充電。如圖2所示，采用單相橋式整流電路整流后為儲能電容充電，其構成的原則就是可以保證在充電回路中負載上的電壓和電流方向保持一致。在相同情況下，對二級管的要求是一樣的，但單相橋式整流法要比半波整流電路輸出電壓高、效率高、脈動波動小等，所以選擇了單相橋式整流電路。R12的作用是為了起到一個限流作用，防止過大電流對前級IGBT造成毀壞。

圖2 主電路原理圖

主電路，Q11與Q12均為IGBT開關，C12為儲能電容，R15為試樣電阻，L11為放電電路中的諧振電感。電路上電之前，處于初始狀態，儲能電容C12兩端電壓為0，開關Q11與Q12處于斷開狀態，當S1閉合后這時的電路將由單片機控制完成。

當電路上電后，利用按鍵設置好充電時間，然后按下充電按鈕，單片機接受到設置的參數信號后，會發出一個高電平信號，控制充電回路中的 IGBT開關閉合，使得充電回路導通，從而讓整流后的直流電源對儲能電容C12開始充電。當充電時間達到預設值后，單片機會發出一個低電平使得開關 Q11斷開，此時整個充電過程結束。

當Q11斷開后，單片機會間隔 50μs對開關Q12發出一個高電平，使其閉合，從而開始后級回路中的放電過程。同理，當放電結束后，也就是C12兩端電壓為0時，單片機會在指定足夠長的時間后變成低電平，使其后級驅動開關 IGBT斷開，這是整個過程就結束了。

2.2 單片機電路

如圖3所示，P10口作為 A/D采集所用，P11和P12作為給控制開關輸出高低電平，當輸出高電平時開關閉合，當輸出低電平時開關斷開。S1是設置充電時間按鍵，S2是確認按鍵。J12是單片機的下載端口。

圖3 單片機電路

在這里特別說明一點，單片機使用的是30M的晶振，這樣對于STC12C5A60S2單片機來講，可以大大提高其采樣率，理論計算采樣率為350kHz，采樣周期則為2.8μs，為之后采集波形帶來了一定程度上的方便，但對于8/20μs波形來講依舊還是太大，無法精確采集，仍會產生較大的誤差，在程序中采用插值法來減少這樣所帶來的誤差。

2.3 采樣電路

如圖4所示的采樣電路，由于放電回路中瞬時電流太大，不易采集測量，這是利用線圈感應的方式把大電流感應成小電流，再測量負載兩端的電壓大小即可。由于本次設計要求最大電流為 1000A，所以經過計算利用銅線自制一個空心線圈。由于計算的比例是 1∶2000，購買一個電流互感器更為方便。

圖4 采樣電路

采樣電路中負載選用的是10的電阻，所以當最大電流1kA經過時，R13上的電壓只有5V，此時才可以輸入單片機選用的A/D中，經過單片機的采樣與計算再輸出顯示。

3 軟件設計

通過單片機控制充放電時間來控制充電電壓大小，以達到后級電流可調的目的，再利用采集電路對放電回路中的負載進行電參數采集，然后送給單片機進行運算，最后在液晶顯示屏上顯示所需要的數據。軟件設計的主函數流程圖如圖5所示。

圖5 主函數流程圖

4 演示結果與分析

實物圖如圖6所示。右下方模塊是單片機電路，包括單片機最小系統及液晶顯示模塊；而右上方為采樣電路部分，左側是一自制電源，通過變壓器將220V電壓轉成15V和5V電壓供給電路。

圖6 實物展示

圖7 控制電壓

單片機控制充放電開關是通過輸出一個高低電平來控制通斷的，如圖7所示，左側的圖顯示為充電狀態，右側的圖顯示為放電狀態。單片機輸出5V的高電平則表示開關閉合，輸出 0V的低電平則表示為開關斷開。

波形及參數測試如圖8所示，液晶顯示屏在前端丟失了部分波形，沒有采集顯示出來；而采集到的電參數，像幅值、半波時間以及上升沿時間是與實際上存在一定的誤差。在這里對這樣的結果進行簡單分析：波形部分，認為產生丟失波形的原因有兩個，其一是使得單片機判斷出現波形時的算法還有待改進；其二是雷電波形發生的時候有一定的干擾； 電參數部分，幅值、上升沿時間以及半波時間的確定存在一定的誤差，這來源于 51單片機的缺陷，采樣率依舊比較低，采樣周期只有2.8μs，對于產生的8/20μs波形來說依舊略大，無法更精細地判斷，導致產生一定誤差。

圖8 波形及參數測試

5 結論

雷電釋放瞬間會產生較大的脈沖電流，放電一次時間很短，約在 40μs左右，本文主要針對 1kA電流的脈沖電流發生器展開研究，對如何控制和采集脈沖電流的問題提出了利用STC12C5A60S2的單片機來實現的設計方案。因此對于脈沖電流測控技術的研究對于預防雷電產生的影響具有較大的現實意義。

[1] 鄭建毅, 何聞. 脈沖功率技術的研究現狀和發展趨勢綜述[J]. 機電工程, 2008, 25(4): 1-4.

[2] Abdullin E N. A current pulse generator with an intermediate storage for inductive-resistive load operation. instruments and experimental techniques[J].2011, 54(4): 504-510.