太陽模擬器大功率短弧氙燈放電特性試驗測試

寧娟，邵靜怡，顧志飛，劉高同

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

太陽模擬器是空間環境模擬設備的主要組成部分，為航天器提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準直穩定的光輻照。在航天器真空熱環境試驗中，太陽模擬器是最真實準確的熱流模擬手段[1]，應用太陽模擬器可以高精度地完成航天器熱平衡試驗。太陽模擬器設備關鍵技術之一是對光源的控制，由于衛星的高精密和衛星試驗的嚴謹，對于太陽模擬器光源的穩定性、可靠性和安全性方面，都提出了很高的要求。氙燈通過其光譜與太陽光譜接近、發光效率高且光色接近日光等優異性能，成為太陽模擬器首選光源。

傳統氙燈分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈，其中，短弧氙燈廣泛應用于太陽模擬器領域。國內外對脈沖氙燈放電研究較多，例如趙友全[2]利用量子理論以及氣體放電理論分析了脈沖氙燈放電過程。王磊[3]通過脈沖氙燈放電仿真和試驗得到放電電流和燈光波形圖，分析實驗結果從而估出了回路電感和電路阻抗等一些無法測定的參數。李麗[4]對脈沖氙燈在不同的工作電壓和極間距情況下進行測試，得出脈沖氙燈發光量隨極間距加長而變小，隨外加電壓提高而增大，脈沖氙燈的效率隨著工作電壓的增加和極間距的縮短而增加的結論。R. H. Dishington 等人[5]對脈沖氙燈整個放電過程中的伏安特性關系進行了公式模擬和誤差修正，對脈沖氙燈放電過程進行了定量描述。目前現有文獻鮮有對短弧氙燈放電特性的介紹。文中主要對太陽模擬器大功率短弧氙燈放電原理及其工作過程中的放電特性進行了研究與分析，設計了短弧氙燈放電特性測試方法，然后通過理論計算和實際測試驗證了氙燈電源初始電流對短弧氙燈放電特性的影響，并采用增設優化電路的方法對其放電特性進行改善，有利于增強太陽模擬器氙燈驅動運行的可靠性，對太陽模擬器研制提供技術保障。

1 大功率短弧氙燈放電原理

氙燈內部充滿氙氣，在自由狀態下其兩端電阻非常高。要保證氙燈正常點燃，首先氙燈兩極需要施加啟動電壓，燈內大量的電子、正離子等帶電粒子被外場加速。當帶電粒子受外場力而從陰極向陽極運動時，與其他原子相碰撞，在碰撞過程中，帶電粒子的動能就轉換成能量，使得其他原子激發，進一步加熱陰極，加速氙燈啟動。然后再提供瞬時觸發電壓，用高頻高壓脈沖擊穿氙燈陰陽極之間的惰性氣體，氙燈進入電流擊穿階段，放電電流逐漸增加，直至形成弧光放電電流。氙燈兩端電壓開始急劇下降，電流繼續增加，此時氙燈進入電壓擊穿階段，呈現負阻特性。弧光放電電流增加到最大之后，開始逐漸下降，氙燈電壓跌至最低點后，開始緩慢上升，氙燈進入正常的弧光放電狀態[6-7]。氙燈內部結構原理如圖1 所示。本次測試采用德國OSRAM 公司的XBO 10000 W/HS OFR 氙燈進行試驗，該氙燈的最大功率為10 000 W，冷卻方式為風冷[8]。

圖1 氙燈內部結構原理Fig.1 Schematic diagram of internal structure of xenon lamp

研究短弧氙燈工作過程中的放電特性，對于提高氙燈點燃成功率非常重要[9]，而氙燈供電電源的內部結構及參數是影響短弧氙燈弧光放電特性的重要因素，從而也影響了氙燈的點燃過程。這對太陽模擬器研制有著重要的意義，因為氙燈點燃過程的可靠性直接決定了太陽模擬器設備點燈系統的工作狀況。

2 短弧氙燈點燃電路放電特性測試方法

短弧氙燈點燃電路主要由工作電源、觸發器、氙燈、保護電容、觸點開關組成，如圖2 所示。首先由工作電源為氙燈提供開路電壓，加速氙燈啟動，并進入弧光放電過程。然后點動觸點開關S1，觸發器接通220 V AC 交流電，并產生瞬時高壓，擊穿氙燈陰陽極之間的惰性氣體，點燃氙燈。氙燈觸發后，工作電源電壓降至氙燈正常工作電壓，電路通過電容C1對系統進行絕緣保護，其作用是利用電容隔直流通交流的器件特性，觸發器觸發后為氙燈提供一個點燃回路，可以確保氙燈可以正常點燃。選用KEYSIGHT N8952A 電源進行測試，該電源具有輸出功率可以靈活調整的特點，在低電流時輸出更高電壓，或在低電壓時輸出更大電流，都由最大額定輸出功率來限制，這樣僅使用單臺電源就可以滿足電源額定電壓高于氙燈開路電壓的要求。

圖2 短弧氙燈點燃電路Fig.2 Ignition circuit of short arc xenon lamp

3 電源初始電流對短弧氙燈放電影響

選用KEYSIGHT N8952A 電源進行放電特性試驗，測試電源初始電流對短弧氙燈放電特性的影響。首先將N8952A 點燈電壓設定為150 V，電流設定為70 A，進行3 次測試，2 次點燈成功，1 次點燈失敗。選擇其中一次點燈成功的曲線進行分析，如圖3a 所示。電流谷值維持在4 A，電流谷值持續時間約2.6 ms。然后維持電源設定電壓150 V 不變，將初始電流提高至120 A，進行3 次測試，均點燈成功。選擇其中一次點燈成功曲線進行分析，如圖3b 所示。電流谷值維持在48 A，電流谷值持續時間約1 ms。

從表1 可以看出，電源電流設定值在70 A 和120 A 兩種情況下對觸發后電流到達峰值的時間和電流峰值的影響不大，而對比電流谷值和電流谷值持續時間在兩種情況下卻有明顯差別。電流谷值和電流谷值持續時間是氙燈能否正常點燃的關鍵因素，電流谷值持續時間相對越短越好，電流谷值相對越高越好。這表明電弧的能量大，不易熄滅，更有利于氙燈點燃。

圖3 N8952A 氙燈放電特性Fig.3 Discharge characteristic of xenon lamp on N8952A

表1 N8952A 初始電流70 A 和120 A 對氙燈放電特性影響測試結果對比Tab.1 Comparison on effect of initial current of 70 A and 120 A of N8952A on discharge characteristics of xenon lamp

在氙燈未觸發前，氙燈內高壓氣體處于未電離狀態[10-11]，電源內部電容C為充滿電的狀態。當點擊觸發按鈕后，觸發器產生一個高壓脈沖，擊穿氙燈內部氣體，氙燈瞬間短路，形成電流回路，電流立即增大，電容迅速放電，產生放電電流I1，電壓U1開始下降，通過氙燈的電流I3=I1+I2，電流達到峰值，電容C完成放電后開始充電（如圖4 所示電路）。

在設定電流為70 A 的情況下，圖3 氙燈放電特性曲線所對應的試驗測試數據見表2。由表2 可知，在電流谷值持續時間為2596 μs，電壓變化為32.2 V，N8952A 電源輸出端的內部電容C為5400 μF，根據式（1）可得I4=67 A。

在電容C充電時，I2=I3+I4，已知I2=70 A，可得I3=3 A。由此可知電源的供電電流幾乎都用于電源內部電容C充電，故余留給氙燈的電流值很小。如果適當增大設定電流值到120 A，則電源產生電流除了給電源內部電容充電外，還夠維持氙燈正常點燃。對于不同的電源結構還需要具體分析，文中提供了一種理論方法可以對電源的初始電流進行估算。

圖4 氙燈電源點燃過程電流流向Fig.4 Current diagram in the ignition process of the xenon lamp

表2 N8952A 初始電流70 A 氙燈放電特性測試數據Tab.2 Test data on the discharge characteristics of the xenon lamp at 70 A initial current of N8952A

4 設計優化電路改善氙燈放電特性的方法

通過優化電路設計來改善氙燈放電特性，完成對氙燈進入電流擊穿階段后形成的穩定弧光放電電流特性的優化。在電路中新增電容C2和可調電阻R，在電源電流除了給電源內部電容C1充電外，不夠維持氙燈正常點燃的情況下，通過電容C2對氙燈進行持續供電，從而維持氙燈的正常點燃電流。電容C2選擇與電源輸出端內部電容大小相近、耐壓性能相同的電解電容，選用電容C2為5000 μF，另新增一個可調電阻R用于分擔一部分電壓，可以減緩電容C2的放電速率。當C1已經放電結束，開始充電時，電容C2仍能夠繼續給氙燈供電。優化后的電路如圖5所示。

圖5 氙燈放電特性測試優化后電路Fig.5 Optimized circuit diagram on the discharge characteristic of the xenon lamp

設定氙燈電源的初始電流為60 A，初始電壓為150 V，經調節測試，當電阻R調節到1.5 ? 時，氙燈放電優化輸出曲線如圖6 所示。電流I6基本維持在60～70 A 左右，電弧能量平穩，且電流下降后仍處于較高水平，沒有出現明顯電流谷值，非常利于氙燈穩定點燃。

圖6 優化后的氙燈放電特性輸出曲線Fig.6 Optimized output curve on the discharge characteristic of the xenon lamp

對比圖3 和圖6 三條曲線在弧光放電電流達到最低點后，電流的最大值、最小值、平均值，可以得出電流達到谷值時間之后時間內弧光放電電流的穩定度，見表3。

表3 電流達到谷值時間之后時間內弧光放電電流的穩定度Tab. 3 Stability of arc discharge current after T1min

由表3 可見，在初始電流為70 A 和120 A 兩種情況下，電流達到谷值之后時間內弧光放電電流的穩定度分別為1.8616 和0.9867，而將初始電流降低到60 A，并增加改善電路后，穩定度卻達到了0.5409。可見通過優化電路可以達到改善短弧氙燈弧光放電電流穩定性的目的，通過新增的阻容電路可以維持住電弧能量，使氙燈在點燃過程中不宜熄滅，可實現氙燈穩定點燃。

5 結語

隨著我國航天技術的發展，太陽模擬器的應用越來越廣泛，如何增強氙燈驅動可靠性成為太陽模擬器光源驅動領域關注的焦點[12-13]。文中首先對大功率短弧氙燈的放電過程進行了分析，提供了短弧氙燈點燃電路放電特性測試方法，然后根據氙燈電源初始電流對短弧氙燈點燃的影響進行了試驗分析。在初始電流為70 A 和120 A 兩種情況下的弧光放電電流到達谷值以后的電流穩定度分別為1.8616 和0.9867，采用增設電容電阻優化電路的方法對短弧氙燈放電特性進行了改善，將初始電流降低到60 A 而穩定度可達到0.5409。改善后的電路基本達到氙燈放電理想狀態，該試驗為增強太陽模擬器氙燈光源穩定性[14]提供了試驗支持。