機載設(shè)備雷電防護試驗發(fā)生器設(shè)計

劉帥，楊蘭均，莊偉春，王維，黃東，黃易之

(西安交通大學(xué) 飛機雷電防護實驗室，西安710049)

在現(xiàn)代航空航天技術(shù)中，復(fù)合材料的大量采用造成了飛機內(nèi)部更為惡劣的電磁環(huán)境，對機載電氣/電子系統(tǒng)或設(shè)備的雷電防護能力提出了更高的要求［1-3］.機載電子設(shè)備雷電防護試驗，又稱為雷電感應(yīng)瞬態(tài)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(shè)備的損傷容限，其試驗波形和試驗等級直接決定設(shè)備的雷電防護設(shè)計.因此，有必要進(jìn)行引腳注入試驗發(fā)生器的設(shè)計.

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

1 引腳注入試驗波形

RTCA/DO-160G標(biāo)準(zhǔn)［4］對機載電子設(shè)備雷電間接效應(yīng)引腳注入試驗的瞬態(tài)信號發(fā)生器的輸出特性作了明確的規(guī)定，其輸出端開路狀態(tài)下的輸出電壓(Voc)和輸出端短路狀態(tài)下的輸出電流(Isc)應(yīng)滿足一定的幅值和波形參數(shù)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(shù)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(shè)計原理

傳統(tǒng)的組合波開路電壓和短路電流規(guī)定了波形的視在波前時間［5-12］，而 RTCA/DO-160G 標(biāo)準(zhǔn)［4］規(guī)定了波形的峰值時間.使用傳統(tǒng)通用組合波電路設(shè)計引腳注入試驗波形發(fā)生器時，首先需要將峰值時間轉(zhuǎn)換為視在波前時間，同時還需滿足開路電壓半峰值時間應(yīng)遠(yuǎn)大于視在波前時間.因此，使用通用組合波電路設(shè)計的結(jié)果誤差比較大，且較為繁瑣.本節(jié)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(shè)計電路，并提出以峰值時間/半峰值時間為目標(biāo)參數(shù)的設(shè)計方法，避免了峰值時間向視在波前時間的轉(zhuǎn)換.

2.1 波形4/5A/5B發(fā)生器設(shè)計

機載電子設(shè)備雷電防護引腳注入試驗波形4/5A/5B的波形發(fā)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(guān).輸出端開路狀態(tài)時，由C-L-R1在R1兩端形成開路電壓波.輸出端短路狀態(tài)時，由C-L-R1∥R2在R2支路形成短路電流波.當(dāng)R2?R1時，開路電壓波形和短路電流波形基本一致.R2的值應(yīng)等于發(fā)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(zhì)是線性RLC沖擊電流發(fā)生回路［13-14］，設(shè)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(shù)ξ有關(guān).通過MATLAB數(shù)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(guān)，其關(guān)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(fā)生器電路圖Fig.3 Circuit diagram of waveform 4/5A/5B generator

圖4 I*m與ξ的關(guān)系Fig.4 Relation between I*mand ξ

圖5 T*1與ξ的關(guān)系Fig.5 Relation between T*1and ξ

圖6 T2/T1與ξ的關(guān)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(fā)生器的設(shè)計，根據(jù)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(shù)，因而有多個解，設(shè)計時可根據(jù)R2的值給R1賦值，然后聯(lián)立方程組求解.

2.2 波形3發(fā)生器設(shè)計

機載電子設(shè)備雷電防護引腳注入試驗波形3的波形發(fā)生器原理電路如圖7所示.當(dāng)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(fā)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(shè)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(shù)δ=R/(2L1)，設(shè)計方程組為

該方程組有3個獨立的方程、4個未知數(shù)而有多個解，設(shè)計時可根據(jù)L2的值給L1賦值，然后聯(lián)立方程組求解.

3 設(shè)計結(jié)果

3.1 波形3設(shè)計結(jié)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(dāng)微調(diào)，即可得波形3初步設(shè)計結(jié)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(fā)生器輸出端需有兩根引線引出，以便發(fā)生器校準(zhǔn)或者連接受試設(shè)備，所以輸出端不可避免地存在一定的雜散參數(shù)［15］.

對于圖7所示波形3發(fā)生器，輸出端雜散參數(shù)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(shù)百nH量級，雜散電容一般在pF量級.輸出端短路狀態(tài)下，由于輸出支路有串聯(lián)電感L2，當(dāng)存在引線電感時，可根據(jù)引線電感適當(dāng)?shù)販p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(tài)下，考慮雜散電容的波形3發(fā)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(fā)生器等效電路Fig.8 Equivalent circuit of waveform 3 generator considering stray capacitance

回路參數(shù)采用上述初步設(shè)計結(jié)果，雜散電容取5pF，電容器充電電壓設(shè)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(nèi)波形高頻振蕩較為嚴(yán)重.為了降低雜散電容對開路電壓波形的影響，在波形3發(fā)生器電路輸出端并聯(lián)電阻Rs，電阻值的選取應(yīng)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(shè)計電路及電路參數(shù)如圖10所示.

圖10 波形3發(fā)生器電路及參數(shù)Fig.10 Circuit and parameters of waveform 3 generator

根據(jù)圖10所示發(fā)生器電路，采用PSpice進(jìn)行波形3等級3引腳注入試驗波形校準(zhǔn)仿真，仿真時電容充電電壓為613V.在理論計算與仿真的基礎(chǔ)上，搭建波形3發(fā)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(jié)果如表2所示，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相近，設(shè)計結(jié)果滿足RTCA/DO-160G標(biāo)準(zhǔn)［4］的要求.

表2 波形3仿真與試驗結(jié)果Table 2 Simulation and test results of waveform 3

3.2 波形4/5A/5B設(shè)計結(jié)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(shè)計結(jié)果:C=100 μF，L=1.37 μH，R1=1 Ω，R2=5 Ω.

波形4發(fā)生器輸出端開路狀態(tài)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(dāng)雜散電容達(dá)到20 pF時，對開路電壓波形參數(shù)的影響不到0.1%.短路狀態(tài)下，電流波形為雙指數(shù)波，半峰值時間遠(yuǎn)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(dāng)引線電感為1 μH時，峰值時間增加約4%.因此雜散參數(shù)對波形4的影響可以忽略.

采用PSpice進(jìn)行波形4等級3引腳注入試驗波形校準(zhǔn)仿真，并搭建波形4發(fā)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(jié)果如表3所示，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相近，設(shè)計結(jié)果滿足RTCA/DO-160G標(biāo)準(zhǔn)［4］的要求.由于波形5A/5B與波形4的設(shè)計電路與方法完全一致，所以本文僅對波形4進(jìn)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(shù)對波形5A和5B的影響更小.經(jīng)計算，波形5A設(shè)計結(jié)果為:C=400 μF，L=4.55 μH，R1=0.25 Ω，R2=0.9 Ω;波形 5B 結(jié)果為:C=3 000 μF，L=2.6 μH，R1=0.23 Ω，R2=1 Ω.

采用PSpice進(jìn)行波形5A和5B等級3引腳注入試驗波形校準(zhǔn)仿真驗證，充電電壓分別為410V、330V.仿真結(jié)果見表 4，滿足 RTCA/DO-160G標(biāo)準(zhǔn)［4］的要求.

表3 波形4仿真與試驗結(jié)果Table 3 Simulation and test results of waveform 4

表4 波形5A/5B仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of waveform 5A/5B

4 結(jié)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(shè)計電路，并研究了以峰值時間/半峰值時間為目標(biāo)參數(shù)的設(shè)計方法，提供設(shè)計查閱曲線，方便工程實際應(yīng)用.

2)本文設(shè)計的雷電防護引腳注入試驗瞬態(tài)信號發(fā)生器滿足RTCA/DO-160G標(biāo)準(zhǔn)［4］的要求，可用于機載設(shè)備雷電防護引腳注入試驗.

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