一種用于干擾試驗的高壓脈沖模擬器設(shè)計

摘要：通過原理分析、工程計算和建模，設(shè)計一種高壓脈沖模擬器，用于模擬電磁環(huán)境中瞬時高壓信號的干擾試驗。該高壓脈沖模擬器利用高壓真空繼電器進行極性轉(zhuǎn)化，高壓水銀開關(guān)實現(xiàn)放電。經(jīng)測試，該高壓脈沖模擬器實現(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

中圖分類號：TP271;TP277 文獻標志碼：A 文章編號：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)備等測試會更加嚴格，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，實現(xiàn)方式簡單；2）固態(tài)開關(guān)串并聯(lián)方式[2]，可實現(xiàn)高壓脈沖，但設(shè)計復雜，不利于工程應用；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現(xiàn)的波形。

基于文獻[1]的技術(shù)原理，本文設(shè)計一種利用高壓真空繼電器進行極性轉(zhuǎn)化，高壓水銀開關(guān)實現(xiàn)放電的雙極性高壓脈沖模擬器，實現(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)計的高壓脈沖模擬器利用放電回路的相位延時網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生相位延遲、輸出端疊加反相信號，最終獲得輸出脈沖信號，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)合形成短路保護電路；CS為儲能電容，是放電時的高壓電源；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，終端電阻RLOAD與延時線纜（本文用同軸線纜作為延時線纜）的特性阻抗相等，終端電阻RLOAD的電壓是正的1/2高壓；同時，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)延時線纜向高壓電源CS方向反射；當反射電信號到達充電電阻RI（170 kΩ）時，RI阻抗遠大于延時線纜阻抗，形成第二次反射，以負的1/2高壓向終端電阻RLOAD方向反射；當?shù)诙畏瓷潆娦盘柕竭_終端電阻RLOAD時，與原來的正1/2高壓抵消，形成一個完整的方波[6]。方波寬度等于電信號在延時線纜上來回反射的時間，改變延時線纜長度可改變方波寬度。

電信號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，設(shè)傳輸介質(zhì)的相對介電系數(shù)為ε，則電信號的傳播速度為\"3\"/（\"10\" √（\"ε\" ））m/ns。傳輸延時公式為

式中：L為延時線纜的長度，單位m；ε為同軸線纜的相對介電系數(shù)。

2" 硬件設(shè)計

基于上述原理設(shè)計合適的傳輸延時網(wǎng)絡(luò)，使延時達到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，延時線纜長度為207 m。延時反射波的路徑為先到源端再到負載端，所以實際延時線纜的長度為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)、儲能模塊、延時線纜和放電模塊、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撲結(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行正負電壓切換，耐壓為12kV，控制電壓為24V[11]。

2.4儲能模塊

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

2.5延時線纜和放電模塊

延時線纜和放電模塊是高壓脈沖模擬器的核心。延時線纜用于電信號的反射和延時，與儲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。其主要控制時序為：首先，控制升壓模塊進行升壓；然后，根據(jù)實際產(chǎn)生正或負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)進行放電，產(chǎn)生高壓脈沖，同時對過載和短路進行保護控制。

高壓脈沖模擬器硬件的設(shè)計關(guān)鍵是延時線纜布設(shè)。根據(jù)公式（2）的計算，產(chǎn)生1 μs的延時需要同軸線纜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)計要求。

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

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，同層中每圈對應的同軸線纜的繞線圓尺寸如表1所示。

由表1計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，整個線圈的剖面取整數(shù)尺寸為462 mm×72mm。整個同軸線纜布設(shè)后，整體外形尺寸長寬高為462mm×462mm×72 mm。

高壓脈沖模擬器機箱的外觀尺寸為適用標準機柜尺寸，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，余下的機箱空間足夠放置其他模塊。

3波形測量與實驗分析

對高壓脈沖模擬器進行波形測量與實驗分析。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)計要求：上升沿2ns（±20%），脈寬1μs（±20%），幅值1.5 kV（±20%），驗證了本文設(shè)計的高壓脈沖模擬器是可行的，具有工程實用性。

4結(jié)論

本文設(shè)計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網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)1 μs脈寬，1.5kV脈沖輸出。本文設(shè)計方法具有工程易實現(xiàn)、成本較低、可靠性和安全性高等特點，為實驗室針對特定要求的脈沖測試提供了一種思路和方向。

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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