一種用于干擾試驗(yàn)的高壓脈沖模擬器設(shè)計(jì)

摘要：通過原理分析、工程計(jì)算和建模，設(shè)計(jì)一種高壓脈沖模擬器，用于模擬電磁環(huán)境中瞬時(shí)高壓信號(hào)的干擾試驗(yàn)。該高壓脈沖模擬器利用高壓真空繼電器進(jìn)行極性轉(zhuǎn)化，高壓水銀開關(guān)實(shí)現(xiàn)放電。經(jīng)測試，該高壓脈沖模擬器實(shí)現(xiàn)了ns級上升沿，脈寬1μs，帶載50Ω，幅值1.5 kV的高壓脈沖輸出。

關(guān)鍵詞：安全測試；電磁環(huán)境；高壓脈沖；模擬器；干擾試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP271;TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-2605（2023）06-0005-04

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.06.005

Design of a High-voltage Pulse Simulator for Interference Testing

YANG Maochang1PAN Shaoci2

（1.GuangdongZhongzhi Testing Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510663，China

2.Institute of Electronic Products and Electrical Appliances， Guangdong Academy of Sciences，Guangzhou 510400， China）

Abstract：Design a high-voltage pulse simulator through principle analysis， engineering calculation， and modeling to simulate interference tests of instantaneous high-voltage signals in electromagnetic environments. The high-voltage pulse simulator utilizes a high-voltage vacuum relay for polarity conversion and a high-voltage mercury switch for discharge. After testing， the high-voltage pulse simulator has achieved a ns level rising edge and a pulse width of 1 μs. High-voltage pulse output with a load of 50 Ω and an amplitude of 1.5 kV.

Keywords：security testing; electromagnetic environment; high-voltage pulse; simulator; interference test

0引言

許多工業(yè)和商用設(shè)備，如電梯、空調(diào)、燈具、影視設(shè)備等，出廠前都要進(jìn)行安全測試和可靠性測試。尤其是涉及公共安全的設(shè)備，如電梯、消防設(shè)備、公共電力設(shè)備等測試會(huì)更加嚴(yán)格，需通過接近方波的、伏秒積大于1 kVμs的高壓脈沖干擾測試。目前，高壓脈沖產(chǎn)生的方式主要有：1）可控雙極性方式[1]，通過可控高壓開關(guān)切換極性產(chǎn)生高壓脈沖，實(shí)現(xiàn)方式簡單；2）固態(tài)開關(guān)串并聯(lián)方式[2]，可實(shí)現(xiàn)高壓脈沖，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用；3）磁壓縮高壓脈沖方式[3]，可產(chǎn)生陡峭上升沿窄脈寬脈沖，但僅適用于

脈寬為100ns以內(nèi)的高壓脈沖；4）Marx壓縮高壓脈沖方式[4-5]，可產(chǎn)生ns級上升沿、上百千伏的高壓脈沖，但脈寬波形不適合本文要實(shí)現(xiàn)的波形。

基于文獻(xiàn)[1]的技術(shù)原理，本文設(shè)計(jì)一種利用高壓真空繼電器進(jìn)行極性轉(zhuǎn)化，高壓水銀開關(guān)實(shí)現(xiàn)放電的雙極性高壓脈沖模擬器，實(shí)現(xiàn)ns級上升沿，脈寬1μs，帶載50Ω，幅值1.5kV的高壓脈沖輸出。

1高壓脈沖發(fā)生原理

高壓脈沖模擬器是一種通過特殊開關(guān)將高壓直流電源轉(zhuǎn)換為脈沖輸出的電源。本文設(shè)計(jì)的高壓脈沖模擬器利用放電回路的相位延時(shí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生相位延遲、輸出端疊加反相信號(hào)，最終獲得輸出脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示。

圖1中，RI為充電電阻，與控制電路結(jié)合形成短路保護(hù)電路；CS為儲(chǔ)能電容，是放電時(shí)的高壓電源；LCOAX為輸出電感，C1和C2為對地電容，LCOAX、C1、C2組成同軸線纜的等效參數(shù)網(wǎng)絡(luò)；RLOAD為脈沖輸出端，外接被測試設(shè)備。

在高壓開關(guān)（放電開關(guān)）閉合時(shí)，終端電阻RLOAD與延時(shí)線纜（本文用同軸線纜作為延時(shí)線纜）的特性阻抗相等，終端電阻RLOAD的電壓是正的1/2高壓；同時(shí)，在高壓開關(guān)（放電開關(guān)）閉合的瞬間，回路阻抗從開路變?yōu)榻K端電阻RLOAD（50Ω），終端電阻RLOAD的電壓（正的1/2高壓）經(jīng)延時(shí)線纜向高壓電源CS方向反射；當(dāng)反射電信號(hào)到達(dá)充電電阻RI（170 kΩ）時(shí)，RI阻抗遠(yuǎn)大于延時(shí)線纜阻抗，形成第二次反射，以負(fù)的1/2高壓向終端電阻RLOAD方向反射；當(dāng)?shù)诙畏瓷潆娦盘?hào)到達(dá)終端電阻RLOAD時(shí)，與原來的正1/2高壓抵消，形成一個(gè)完整的方波[6]。方波寬度等于電信號(hào)在延時(shí)線纜上來回反射的時(shí)間，改變延時(shí)線纜長度可改變方波寬度。

電信號(hào)在真空中的傳播速度為光速\"3\"×〖\"10\" 〗^\"8\" m/s，即0.3 m/ns。在其他傳輸介質(zhì)中傳播時(shí)，設(shè)傳輸介質(zhì)的相對介電系數(shù)為ε，則電信號(hào)的傳播速度為\"3\"/（\"10\" √（\"ε\" ））m/ns。傳輸延時(shí)公式為

式中：L為延時(shí)線纜的長度，單位m；ε為同軸線纜的相對介電系數(shù)。

2" 硬件設(shè)計(jì)

基于上述原理設(shè)計(jì)合適的傳輸延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，使延時(shí)達(dá)到μs級別。本文的同軸線纜材料為特氟龍，相對介電系數(shù)為2.1，公式（1）可簡化為

由公式（2）可知，若輸出1 μs脈寬的高壓脈沖，延時(shí)線纜長度為207 m。延時(shí)反射波的路徑為先到源端再到負(fù)載端，所以實(shí)際延時(shí)線纜的長度為207/2=103.5 m。

高壓脈沖模擬器主要包括電源模塊、升壓模塊、高壓開關(guān)、儲(chǔ)能模塊、延時(shí)線纜和放電模塊、控制電路等，電路模型如圖2所示。

2.1電源模塊

電源模塊為高壓脈沖模擬器的供電電路，包括兩部分：1）高壓脈沖模擬器的控制電路、高壓開關(guān)和放電模塊中高壓水銀開關(guān)的供電，采用符合3C認(rèn)證的AC/DC開關(guān)電源，功率為100W，輸出直流電壓為24V/12V/5V；2）升壓模塊的供電，采用符合3C認(rèn)證的AC/DC開關(guān)電源，功率為300W，輸出直流電壓為24V[7-8]。這兩部分相互獨(dú)立。

2.2升壓模塊

升壓模塊為高壓脈沖模擬器產(chǎn)生高壓電源，采用雙管正激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過變壓器一級升壓，四級倍壓整流升壓到開路電壓3kV。倍壓整流二極管為高壓硅堆二極管，耐壓為10kV；電容為22nF、10kV的陶瓷電容[9-10]。

2.3高壓開關(guān)

高壓開關(guān)采用JPK-23陶瓷高壓真空繼電器進(jìn)行正負(fù)電壓切換，耐壓為12kV，控制電壓為24V[11]。

2.4儲(chǔ)能模塊

儲(chǔ)能模塊用于高壓脈沖儲(chǔ)能，主要包括170kΩ的充電電阻RI和6.2μF、6kV的儲(chǔ)能電容CS[12]。

2.5延時(shí)線纜和放電模塊

延時(shí)線纜和放電模塊是高壓脈沖模擬器的核心。延時(shí)線纜用于電信號(hào)的反射和延時(shí)，與儲(chǔ)能模塊和放電模塊產(chǎn)生高壓脈沖；放電模塊采用12kV耐壓的高壓水銀開關(guān)[11]。

2.6控制電路

控制電路采用STC32G12K128單片機(jī)作為主控芯片，用于控制升壓模塊、高壓開關(guān)和放電模塊。其主要控制時(shí)序?yàn)椋菏紫龋刂粕龎耗K進(jìn)行升壓；然后，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)生正或負(fù)脈沖來控制高壓開關(guān)選擇極性；最后，控制放電模塊的高壓水銀開關(guān)進(jìn)行放電，產(chǎn)生高壓脈沖，同時(shí)對過載和短路進(jìn)行保護(hù)控制。

高壓脈沖模擬器硬件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是延時(shí)線纜布設(shè)。根據(jù)公式（2）的計(jì)算，產(chǎn)生1 μs的延時(shí)需要同軸線纜103.5m。根據(jù)常用同軸線纜尺寸表（RG系列），選擇同軸線纜RG-8，其外徑為10.3 mm，耐壓為10 kV，滿足設(shè)計(jì)要求。

同軸線纜設(shè)計(jì)為圓形布設(shè)，如圖3所示，線纜線圈剖面示意圖如圖4所示。考慮到高壓脈沖模擬器為試驗(yàn)測試設(shè)備，外觀尺寸不能太大，同時(shí)繞線后方便調(diào)整線纜長度，故設(shè)計(jì)為圓形繞線。

設(shè)定同軸線纜繞圈最小直徑為349 mm，平均直徑為400 mm，最大直徑為462 mm。根據(jù)圓周長公式，同層中每圈對應(yīng)的同軸線纜的繞線圓尺寸如表1所示。

由表1計(jì)算得到單層同軸線纜的總長度為15274mm；同軸線纜布設(shè)的層數(shù)為103500/15274=6.77，取整7層；線圈的截面尺寸為126.3mm×72.1 mm。如圖4所示，整個(gè)線圈的剖面取整數(shù)尺寸為462 mm×72mm。整個(gè)同軸線纜布設(shè)后，整體外形尺寸長寬高為462mm×462mm×72 mm。

高壓脈沖模擬器機(jī)箱的外觀尺寸為適用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜尺寸，高度為6U（1U為44.4 mm），則高壓脈沖模擬器長、寬、高為480 mm×480 mm×266 mm。同軸線纜繞線后的尺寸為462 mm×462 mm×72 mm，即使考慮布設(shè)同軸線纜間有空隙，余下的機(jī)箱空間足夠放置其他模塊。

3波形測量與實(shí)驗(yàn)分析

對高壓脈沖模擬器進(jìn)行波形測量與實(shí)驗(yàn)分析。測量設(shè)備為190～202帶寬200MHz的示波器、THDP0100高壓探頭和50Ω負(fù)載。其中，高壓探頭電壓衰減比為1000∶1，示波器輸入端電壓比設(shè)置為1000∶1。

高壓脈沖輸出波形測量參數(shù)如表2所示，測試波形如圖5、6所示。

由圖5、6可知，高壓脈沖模擬器產(chǎn)生的高壓脈沖符合參數(shù)設(shè)計(jì)要求：上升沿2ns（±20%），脈寬1μs（±20%），幅值1.5 kV（±20%），驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的高壓脈沖模擬器是可行的，具有工程實(shí)用性。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種高壓脈沖模擬器，用于電子設(shè)備的高壓脈沖干擾測試。該高壓脈沖模擬器采用同軸線纜組成的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)1 μs脈寬，1.5kV脈沖輸出。本文設(shè)計(jì)方法具有工程易實(shí)現(xiàn)、成本較低、可靠性和安全性高等特點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)室針對特定要求的脈沖測試提供了一種思路和方向。

參考文獻(xiàn)

[1]張碩，聶鵬飛，龐存鎖，等.可控雙極性高壓脈沖超聲激勵(lì)電源設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2022（3）：17-23.

[2]施陽杰.基于固態(tài)開關(guān)串并聯(lián)的脈沖電源研制[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2022.

[3]寇科男，劉冬，金晗冰，等.電磁脈沖模擬器快前沿高壓脈沖源設(shè)計(jì)[J].安全與電磁兼容，2022（5）：34-39+52.

[4]趙寬祥.基于Marx的全固態(tài)倍頻高壓脈沖電源技術(shù)的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2022.

[5]姚學(xué)玲，焦梓家，孫晉茹，等.一級Marx壓縮的高穩(wěn)定納秒脈沖電源的設(shè)計(jì)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2023，35（6）：101-109.

[6]趙虹兵.脈沖發(fā)生器信號(hào)合成模塊設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2016.

[7]李心怡.基于APFC的雙管正激變換器設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)，2021.

[8]王瑞東.正激式有源箝位電壓模開關(guān)電源的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2021.

[9]楊衛(wèi)悅.高壓直流電源設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2022.

[10]易磊.一種高效率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2022.

[11]賀增輝.便攜式高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2022.

[12]周任暉.直流高壓電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)[D].沈陽：沈陽師范大學(xué)，2023.

作者簡介：

楊茂昌，男，1972年生，本科，高級工程師，主要研究方向：電力設(shè)備檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)。E-mail： 13903015705@139.com

潘少祠，男，1981年生，本科，工程師，主要研究方向：電子技術(shù)和測控技術(shù)。E-mail：13710081297@139.com