電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的設(shè)計(jì)

吳仕兵， 王 佳， 何海國， 朱 曄， 陳 超， 陸云鳳

(國網(wǎng)浙江長興縣供電公司， 浙江 長興 313100)

電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的設(shè)計(jì)

吳仕兵， 王 佳， 何海國， 朱 曄， 陳 超， 陸云鳳

(國網(wǎng)浙江長興縣供電公司， 浙江 長興 313100)

研制一臺(tái)電快速瞬變脈沖群發(fā)生器用于變電站二次電子設(shè)備脈沖群抗擾度試驗(yàn).通過理論推導(dǎo)和Pspice仿真研究確定放電主回路的參數(shù)；采用高頻逆變升壓和直流倍壓相結(jié)合的方式研制出電壓在0.1 kV～4.5 kV±5%范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的高壓程控電源；利用STM32芯片輸出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)并設(shè)計(jì)出IGBT驅(qū)動(dòng)電路.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的脈沖群發(fā)生器輸出波形參數(shù)符合電磁試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以作為電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)的模擬信號(hào)發(fā)生器.

變電站； 脈沖群抗擾度試驗(yàn)； 主回路； 高壓程控電源； 驅(qū)動(dòng)電路

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，變電站內(nèi)采用的弱電設(shè)備及系統(tǒng)越來越多,如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制和繼電保護(hù)系統(tǒng)等.為了提高二次設(shè)備的電磁兼容性能，除了降低一次設(shè)備對(duì)二次設(shè)備的影響外，還需要二次設(shè)備自身具有一定的抗電磁干擾能力[1].電快速瞬變脈沖群發(fā)生器模擬由開關(guān)操作引起的電快速暫態(tài)過電壓，可以用于檢驗(yàn)二次系統(tǒng)設(shè)備抗瞬變脈沖的能力，試驗(yàn)用發(fā)生器輸出波形性能的好壞對(duì)整個(gè)電快速瞬變脈沖群抗干擾度的試驗(yàn)效果有著至關(guān)重要的影響[2].

本文在脈沖波形理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，采用Pspice仿真研究主電路參數(shù)和寄生參數(shù)對(duì)輸出波形的影響，確定發(fā)生器波形形成的電路元件參數(shù)；研制電壓在0.1 kV～4.5 kV±5%范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的高壓程控電源；利用STM32芯片的PWM輸出模式產(chǎn)生方波信號(hào)，研制脈沖群發(fā)生器高壓電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；對(duì)發(fā)生器人機(jī)交互模塊、顯示控制模塊和其他輔助電路進(jìn)行設(shè)計(jì).總體來說，設(shè)計(jì)的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器可以完成基本的抗擾度試驗(yàn).電快速脈沖群發(fā)生器的設(shè)計(jì)對(duì)研究高壓脈沖群產(chǎn)生技術(shù)和研制更先進(jìn)的發(fā)生器具有非常重要的意義.

1 發(fā)生器整體框架的設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)整體架構(gòu)中(圖1)，采用SM5964芯片作為控制系統(tǒng)的核心，其主要功能有：①通過MAX531芯片設(shè)定高壓程控電源的輸出值；②傳遞頻率控制字、波形存儲(chǔ)器的信息給具有ARM內(nèi)核的STM32芯片；③通過MAX721芯片控制數(shù)碼管顯示來自用戶按鍵的信息；④保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行.系統(tǒng)的工作過程是：通過人機(jī)接口模塊實(shí)現(xiàn)用戶信息的輸入，包括電壓值、頻率控制字等信息設(shè)定高壓程控電源輸出值、脈沖群重復(fù)頻率等，并用數(shù)碼管顯示；通過SM5964芯片控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高壓電源的輸出，同時(shí)給STM32芯片傳輸控制命令，實(shí)現(xiàn)電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的形成，最終觸發(fā)開關(guān)有序地開關(guān)，在脈沖形成電路的輸出端輸出高壓脈沖群波.

2 發(fā)生器主電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)最新的IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)中給出的電壓歸一化情況下單個(gè)高壓脈沖的要求，其中高壓脈沖上升沿達(dá)到3.5 ns～6.5 ns，脈沖寬度在35 ns～65 ns范圍內(nèi).根據(jù)電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的工作原理建立高壓主電路等效模型(圖2)，電路中主要元件有充電電阻Rc、儲(chǔ)能電容Cc、信號(hào)形成回路(包括阻抗匹配電阻Rm、隔直電容Cd、脈沖持續(xù)時(shí)間形成電阻Rs)，電路中電感L是由線路寄生電感和開關(guān)電感產(chǎn)生的.

根據(jù)電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的工作原理在Pspice中建立高壓主電路等效模型，并在此基礎(chǔ)上利用電網(wǎng)絡(luò)分析法進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到的輸出波形數(shù)學(xué)解析式如下，從而確定電路的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Cc、Rc、Rs[3].

Us(t)=A(e-at-e-bt)，

其中，

a+b=Rs/L，ab=(1/Rs+1/Rc)Rs/LC，A(b-a)=URs/LCRc.

采用單一變量法和Pspice仿真優(yōu)化主電路的部分輔助參數(shù)，如陡化電容，并且分析線路寄生電感對(duì)脈沖群發(fā)生器輸出波形的影響[4-5]，最后根據(jù)模型的建立和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)出合理的主電路，見圖3.

其中：R1為充電限流電阻，控制高壓電源對(duì)儲(chǔ)能電容的充電速度，限制回路電流；電容C1～C6為波形發(fā)生電路的主電容，具體采用瓷片電容，其具有高頻特性、頻率一致性較好等特點(diǎn)；電容C7和R2組成積分電路，讓波形前沿變緩，脈沖波形形狀是由電阻R3與儲(chǔ)能電容相配合決定的.

C9和R4組合的主要作用有兩個(gè)：一是阻抗匹配；二是隔直作用，串接在電路中起微分作用.C10并接在波形回路輸出極，起積分作用，抬高波形輸出尾部，增加波形能量以加強(qiáng)信號(hào)的干擾強(qiáng)度.因?yàn)槊}沖群發(fā)生器產(chǎn)生波形為高壓納秒級(jí)脈沖，故所采用的電阻和電容的要求相對(duì)較高.電阻值的大小與電壓、頻率無關(guān)，寄生電感以及分布電容都要盡可能?。辉O(shè)計(jì)中采用金屬膜電阻，具有固有電感小、高頻響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)；電容在滿足耐壓的條件下，固有電感要盡可能小，本設(shè)計(jì)中采用無感電容.

3 高壓程控電源的設(shè)計(jì)

高壓直流電源采用SM5964單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，其原理如圖4所示.

通過電源模塊將220 V的交流輸入整流輸出為24 V直流電源，再通過高頻變壓器逆變升壓為高頻高壓，設(shè)計(jì)中采用電壓型單端正激逆變方式，幅度放大40倍，最后通過電容和二極管組合進(jìn)行直流整流升壓，形成直流高壓作用于脈沖群的主回路.逆變控制模塊還包括采樣電路，采樣逆變模塊的輸出與系統(tǒng)設(shè)置的電壓值進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)高頻變壓器原邊電壓的大小，使得輸出電壓在0.1 kV～4.5 kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)[6].

4 發(fā)生器放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本文的放電開關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整體框架原理圖如圖5，以單片機(jī)和STM32F103系列芯片為核心，提高了高頻信號(hào)輸出穩(wěn)定性和智能性.

通過按鍵和顯示模塊修改驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和脈沖寬度，CPU響應(yīng)給STM32系列的ARM處理器芯片傳輸命令，使ARM處理器芯片輸出符合頻率要求和脈寬的控制信號(hào)，然后通過合適的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大和光電隔離，最終達(dá)到對(duì)IGBT開關(guān)的控制[7-8].為了達(dá)到輸出頻率、占空比可調(diào)，同時(shí)使輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)高速穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生需要包括以下三方面工作：

4.1 STM32處理器的PWM輸出

該設(shè)計(jì)對(duì)TIM1、TIM2、TIM4定時(shí)器進(jìn)行控制，設(shè)定STM32芯片中TIM1的工作模式為PWM輸出模式，同時(shí)設(shè)定主從模式以便和TIM4配合達(dá)到PWM的使能和關(guān)閉.設(shè)定TIM1作為主從模式，其輸出作為TIM4的輸入，從而TIM4作為計(jì)數(shù)模式，當(dāng)計(jì)滿75個(gè)脈沖時(shí)關(guān)閉TIM1.TIM4工作在從模式，計(jì)數(shù)75個(gè)脈沖后進(jìn)入中斷關(guān)閉.TIM2定時(shí)器工作在輸出比較模式，即以基準(zhǔn)時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)器CLK，當(dāng)計(jì)數(shù)值與 CCR1_Val相同時(shí)產(chǎn)生中斷，先設(shè)定TIM2CLK為100 kHZ，當(dāng)CCR1_Val為30 000時(shí)即滿300 ms產(chǎn)生一次中斷.通過三個(gè)定時(shí)器TIM1、TIM2、TIM4的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)輸出75個(gè)頻率占空比可調(diào)的方波，并且75個(gè)方波的周期為300 ms.利用74LVC1G08邏輯門芯片控制發(fā)生器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出的持續(xù)時(shí)間.

定時(shí)器TIM1配置的程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示.

4.2 高壓電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

IGBT器件用于電力電子的高壓場(chǎng)合，其驅(qū)動(dòng)電路和控制電路也采用體積小、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)的光耦隔離方式，同時(shí)光耦隔離方式不限制輸出脈寬.光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路主要包括光耦隔離部分、功率放大部分以及輔助電路部分[9，10].本文的IGBT電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖7所示.圖中輸入端信號(hào)來自STM32芯片輸入的PWM數(shù)字信號(hào)，通過邏輯與門芯片74LVC1G08實(shí)現(xiàn)波形輸出時(shí)間的控制，輸出的信號(hào)分別通過高速光耦隔離器件6N137，光電轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)到2 MHz，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，最后通過功率放大電路達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT電子開關(guān)的PWM模擬信號(hào).

4.3 高壓開關(guān)主電路的設(shè)計(jì)

本文使用的IGBT開關(guān)是德國公司生產(chǎn)的HTS 50-12型號(hào)的固態(tài)開關(guān)，它主要用于高壓開關(guān)的快速切換.在瞬時(shí)波形的應(yīng)用中要求有極快速的上升沿，同時(shí)HTS 50-12擁有很短的恢復(fù)時(shí)間、高重復(fù)頻率以及低抖動(dòng)誤差，它的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)在大范圍的電壓運(yùn)行下保持穩(wěn)定性.

IGBT開關(guān)主電路的設(shè)計(jì)如圖8所示，IGBT的控制端連接著7個(gè)可用的外接端口.其中，端口1輸入為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即由STM32芯片產(chǎn)生并且經(jīng)過光耦隔離出來的PWM方波.信號(hào)的連接線通過恰當(dāng)?shù)钠帘?，并且通過50 Ω電阻接地.端口2連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)的地，端口4連接5 V電源的地，二者連接在一起，而5 V的電源電壓從端口3接入.為了降低對(duì)地的耦合，端口3和端口4之間并聯(lián)合適的電容.由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)是高頻的方波信號(hào)，端口5和端口7串接電容，本電路中端口5串接100 μf/25 V的電容，端口7串接10 μf/400 V的電容.為了減少開關(guān)上升沿的時(shí)間，要減小寄生電感和分布電容的大小，同時(shí)整個(gè)電路板的布局要足夠?qū)捯詼p少寄生電感的影響.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成各個(gè)子模塊調(diào)試工作的基礎(chǔ)上，將顯示控制模塊、高壓主回路和高壓電源模塊等裝備成一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備.裝配系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造如圖9(A)所示，其中圖左上部位置所示電路板為帶有電子開關(guān)IGBT的高壓主回路，下部位置主要是電源模塊，即為顯示控制板提供5 V、12 V的低壓，也為主放電回路提供千伏級(jí)別的高電壓.整個(gè)發(fā)生器輸出波形測(cè)試平臺(tái)如圖9(B)所示，輸出波形通過500∶1的衰減器傳輸至帶寬為350 MHz的示波器進(jìn)行測(cè)量，顯示出高壓脈沖群的時(shí)間參數(shù)和幅值參數(shù).

結(jié)合脈沖波形圖，制作出程控電源電壓和脈沖重復(fù)頻率均有變化的部分脈沖群參數(shù)的數(shù)據(jù)見表1.

表 1 發(fā)生器輸入輸出參數(shù)表

設(shè)計(jì)的脈沖群發(fā)生器樣機(jī)輸出波形可以實(shí)現(xiàn)頻率在2.5 kHz～1 600 kHz可調(diào)、幅值在0～4.5 kV可控，發(fā)生器輸出高壓波形的上升沿在3.5 ns～6.5 ns，脈沖寬度在35 ns～65 ns，符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)利用設(shè)計(jì)的發(fā)生器樣機(jī)完成電快速瞬變脈沖群電磁干擾的試驗(yàn).

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的脈沖群發(fā)生器輸出波形上升沿、半寬以及周期等參數(shù)均符合電磁干擾試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸出脈沖群頻率從2.5 kHz～1 600 kHz可調(diào)，波形幅值從100～4 500 V可控.發(fā)生器樣機(jī)可以穩(wěn)定、可靠地提供高壓脈沖群，可以作為對(duì)變電站二次設(shè)備進(jìn)行電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)的模擬器.

[1] 全國無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，全國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)匯編[M]．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

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OntheDesignofElectricalFastTransientBurstGenerator

WU Shibing, WANG Jia, HE Haiguo, ZHU Ye, CHEN Chao, LU Yunfeng

(State Grid Zhejiang Changxing Power Supply Company, Changxing 313100, China)

This paper develops the electrical fast transient burst generator used for testing the capability of secondary electronic equipment against transient pulse in the transformer substations. The main circuit parameters are determined by the theoretical deduction and the Pspice simulation; Secondly, this paper puts forward a high voltage programmable power supply which can be continuously adjusted in the range of 0.1 kV～4.5 kV±5% by the combination of the high frequency inverting and the double voltage rectification. Finally, it designs a IGBT drive circuit by using the outputting the pulse drive signal with the STM32 chip. The experimental results show that the parameters of the high voltage pulse group conform to the requirements of electromagnetic test standard, and the generator can be used for testing the capability of electronic equipment against transient pulse.

the transformer substations; the capability of electronic equipment against transient pulse; main circuit; the high voltage programmable power supply; the IGBT drive circuit

2017-09-20

吳仕兵，助理工程師，研究方向：變電設(shè)備檢修.E-mail：973614884@qq.com

TM937.3

A

1009-1734(2017)10-0043-06

[責(zé)任編輯吳志慧]