軌道車輛用傳感器浪涌防護(hù)淺析

0 引言

傳感器作為一種重要的檢測(cè)儀器，在軌道車輛上大量應(yīng)用，傳感器可靠性是軌道車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器遭受來(lái)自環(huán)境和電路的浪涌干擾的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生且不可預(yù)測(cè)，易導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定性和精度降低，進(jìn)而引起系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)異?；蚩刂飘惓！８愀獾那闆r是，因浪涌干擾能量密度大，傳感器直接損壞，從而造成系統(tǒng)故障，帶來(lái)?yè)p失或造成安全隱患。因此，在軌道交通領(lǐng)域，傳感器應(yīng)通過(guò)浪涌抗擾度試驗(yàn)已經(jīng)是基本要求。

1傳感器浪涌干擾的特點(diǎn)

傳感器浪涌干擾是指由于電路中的電感、電容等元器件和電路本身的自感和互感作用，當(dāng)附近發(fā)生雷電，在系統(tǒng)的電源線上產(chǎn)生干擾時(shí)，產(chǎn)生瞬間的高幅值電壓或電流，又在傳感器供電線上感應(yīng)產(chǎn)生短暫的、高幅值的電壓或電流干擾。浪涌干擾具有以下特點(diǎn)：

1）短暫性：傳感器浪涌干擾作用時(shí)間很短，一個(gè)浪涌脈沖一般在幾十微秒級(jí)別。

2）高峰值：傳感器浪涌干擾的峰值可達(dá)幾千伏甚至更高。

3）低頻率：浪涌波形的上升沿不是很陡，不含有很高的頻率。

4）高能量：試驗(yàn)的短路電流可達(dá)上千安。傳感器浪涌干擾具有短暫性、高峰值等特點(diǎn)，容易對(duì)傳感器輸出信號(hào)造成干擾和破壞，從而損壞傳感器的功能或降低傳感器的穩(wěn)定性和精度。

2傳感器浪涌抗擾度試驗(yàn)要求分析

傳感器浪涌抗擾度通過(guò)浪涌抗擾度試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按GB/T17626.5—2019《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)》執(zhí)行。連接到電源線和短距離信號(hào)互連線的端口適應(yīng)的浪涌試驗(yàn)波形如圖1、圖2所示。

圖1是浪涌發(fā)生器的輸出端開(kāi)路狀態(tài)時(shí)的電壓波形，圖2是浪涌發(fā)生器的輸出短路時(shí)的電流波形。電壓波形適用于檢驗(yàn)受試設(shè)備的電源線和信號(hào)線與外殼之間的絕緣程度，也就是本文后面提到的線對(duì)地浪涌；電流波形適用于檢驗(yàn)受試設(shè)備電纜入口處的浪涌防護(hù)器件對(duì)浪涌的承受能力，就是本文后面提到的線對(duì)線浪涌。

下面以 1.2/50μs 電壓波形為例進(jìn)行波形分析。

對(duì)于 1.2/50μs 波形，其函數(shù)描述2為：

式中： V（t） 為雷電電壓； V_p 為電壓峰值；波形系數(shù)包括補(bǔ)償系數(shù)k、波前系數(shù) τ_1? 波長(zhǎng)系數(shù) τ₂ ，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已給出。

對(duì)公式（1）進(jìn)行傅里葉變換，得出幅值頻譜：

式中： V（ω） 為頻譜電壓幅值; α 為第一拐點(diǎn)角速度， β 為第二拐點(diǎn)角速度， 為角頻率。

當(dāng) ω=0 時(shí)，電壓幅值為：

幅值頻譜的第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)頻率為：

第一拐點(diǎn)頻率由波長(zhǎng)系數(shù)決定，第二拐點(diǎn)頻率由波前系數(shù)決定 （1.2/50μs 波形的波長(zhǎng)系數(shù)為 68.22μs ，波前系數(shù)為 0.4047μs ，兩者相差100倍以上）。

浪涌脈沖的上升時(shí)間在 1μs 以上，時(shí)間較長(zhǎng)，脈寬較寬，幅值頻譜表明浪涌呈現(xiàn)低頻特性，第二拐點(diǎn)以下的低頻能量占比約 99% ，對(duì)電路的干擾以傳導(dǎo)為主。干擾影響主要體現(xiàn)在過(guò)高的差模電壓幅度導(dǎo)致輸入器件擊穿損壞，或過(guò)高的共模電壓導(dǎo)致線路與地之間的絕緣擊穿。因器件擊穿后阻抗很低，浪涌發(fā)生器產(chǎn)生的大電流隨之使器件過(guò)熱損壞。

浪涌要求，對(duì)于安裝于軌道車輛轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)附近的傳感器，按GB/T17626.5—2019[1]附錄C安裝類別為4類：互連線按戶外電纜沿電源電纜敷設(shè)，并且這些電纜被作為電子和電氣線路的電氣環(huán)境，浪涌電壓不超過(guò) 4kV ，按試驗(yàn)等級(jí)4，即開(kāi)路試驗(yàn)電壓線對(duì)線為 2kV 、線對(duì)地為 4kV;1.2/50μs 組合波發(fā)生器，有效輸出阻抗為2 Ω 。試驗(yàn)方法：按GB/T17626.5—2019[1]從試驗(yàn)等級(jí)中較低等級(jí)開(kāi)始進(jìn)行，直到規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)，施加在直流電源端和互連線上的浪涌脈沖次數(shù)為正、負(fù)極性各5次，連續(xù)脈沖間的間隔不超過(guò) 1min 。這個(gè)試驗(yàn)方法很重要，是浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)容易忽視的問(wèn)題，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)上似乎沒(méi)問(wèn)題，試驗(yàn)時(shí)卻通不過(guò)。

3滿足浪涌抗擾度要求應(yīng)采取的措施

根據(jù)浪涌脈沖的低頻特點(diǎn)，采用限幅、泄放能量的浪涌抑制器件來(lái)抑制浪涌低頻能量，而高頻成分的干擾，通過(guò)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化、線路布局優(yōu)化、接地方式優(yōu)化、屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)等解決。本文主要分析低頻干擾部分的應(yīng)對(duì)措施。

很多傳感器本身結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小，無(wú)法安裝尺寸相對(duì)較大的專用浪涌抑制部件，因此如何在傳感器小空間內(nèi)有效防范浪涌干擾已經(jīng)成為當(dāng)下的一個(gè)難題。線對(duì)地電壓浪涌可以通過(guò)增加傳感器的絕緣防護(hù)來(lái)解決，本文討論線對(duì)線電流浪涌的防護(hù)方法。

按常規(guī)方法，通過(guò)在傳感器電路入口處布置浪涌抑制器件對(duì)電壓進(jìn)行鉗位，打開(kāi)電流通道泄放浪涌能量，從而保護(hù)傳感器后級(jí)電路。常用的浪涌抑制器件有氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制管（簡(jiǎn)稱TVS）[3]等。實(shí)際應(yīng)用中，壓敏電阻的鉗位因子（鉗位電壓與擊穿電壓之比）太高，鉗位電壓普遍過(guò)高，無(wú)法保護(hù)后級(jí)電路；氣體放電管擊穿電壓偏高，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，擊穿保持電壓過(guò)低，后級(jí)電路無(wú)法正常工作。因此，本文討論采用TVS進(jìn)行傳感器浪涌防護(hù)的情況，目前大容量的貼片型TVS產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)成熟。

傳感器要求在直流 12～24V 電源下能正常工作，傳感器內(nèi)部電路元件正常使用電壓的絕對(duì)最大額定值為 40V 。選用TVS時(shí)，幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)該關(guān)注，選擇不當(dāng)，均可能導(dǎo)致傳感器的浪涌防護(hù)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。首先，TVS的觸發(fā)（擊穿）電壓 V_BR 和反向關(guān)斷電壓 V_R 須高于 24V ，以保證在電源電壓最大至24V時(shí)，浪涌防護(hù)器件處于高阻狀態(tài)，電路能正常工作；而當(dāng)發(fā)生浪涌，TVS擊穿，觸發(fā)浪涌電流泄放時(shí)，最大鉗位電壓不能超過(guò)后級(jí)器件的最大額定值 40V ，否則多次浪涌波峰過(guò)后，電路中電源最大額定值不到40V的器件會(huì)因?yàn)槔擞糠雷o(hù)鉗位電壓過(guò)高而發(fā)生損壞；浪涌峰值電流不應(yīng)超過(guò)TVS的最大峰值脈沖電流 I_PPM ，否則TVS器件將過(guò)熱燒毀。另外，應(yīng)注意TVS的結(jié)電容，高頻電路應(yīng)考慮其影響。

按GB/T17626.5—2019[1]，傳感器工作電壓為24V ，在直流 60V 以內(nèi)，傳感器端口歸為互連線，傳感器采用屏蔽電纜，單端接地，非對(duì)稱線，浪涌耦合配置選擇GB/T17626.5—2019[1中的“圖9\"，如圖3所示。

圖中CD按GB/T17626.5—2019的\"表 8^′′[1] 選擇GDT（氣體放電管），傳感器的頻率特性不重要時(shí)可選用 0.5μF 電容?？梢钥吹今詈贤返目傠娮铻?142Ω （含信號(hào)發(fā)生器內(nèi)阻 2Ω^? ，可知浪涌峰值脈沖電流I_PPM 不超過(guò) 47.62A（2kV/42Ω. ，未考慮TVS的鉗位電壓和GDT擊穿后維持電壓），這樣可以選擇峰值脈沖功耗 P_PPM 為 3kW 的3.0SMCJ26CA雙向型TVS，參數(shù)如下：擊穿電壓 V_BR 為 28.9～31.9V ，反向關(guān)斷電壓 V_R 為26V，最大峰值脈沖電流 I_PPM 為71.3A，鉗位電壓 V_c （最大峰值電流時(shí)）為 42.1V ，因?yàn)槔擞侩娏鞑怀^(guò)47.62A，遠(yuǎn)低于 71.3A ，鉗位電壓不會(huì)超過(guò) 40V 。這里需要注意的是，以上是常溫參數(shù)。不同的溫度下，TVS關(guān)鍵參數(shù)一峰值脈沖功率與結(jié)溫的關(guān)系曲線如圖4所示。這是器件選型時(shí)容易忽視的一個(gè)重要參數(shù)。

從前面所述浪涌試驗(yàn)方法可知，試驗(yàn)過(guò)程中，傳感器線-線防浪涌TVS會(huì)經(jīng)受從 500V.1kV 到2kV共30次浪涌脈沖，如果浪涌脈沖時(shí)間間隔過(guò)短，電路散熱情況不好，TVS的結(jié)溫會(huì)急劇升高。從圖4中可看出，從 25°C 開(kāi)始，溫度每升高 25°C ，峰值脈沖功率衰減掉額定值的 10% 左右。到結(jié)溫 150°C 時(shí)，峰值功率會(huì)衰減至常溫的 50% 左右，對(duì)于常溫峰值脈沖功耗3kW 的3.0SMCJ26CA，結(jié)溫 150°C 時(shí)，峰值脈沖功耗會(huì)降至 1.5kW ，鉗位電壓不變的情況下，最大峰值脈沖電流 I_PPM 減至35.7A左右，小于試驗(yàn)峰值浪涌電流，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，特殊情況下， 3kW 的TVS存在容量不足的問(wèn)題，這是在進(jìn)行防浪涌設(shè)計(jì)選型時(shí)容易忽略的一個(gè)細(xì)節(jié)。因此，考慮到試驗(yàn)方法以及傳感器實(shí)際運(yùn)用的環(huán)境溫度可能較高，TVS易處于高溫狀態(tài)，需要選用更高容量的 P_PPM 為5kW的5.0SMCJ26CA雙向型TVS，參數(shù)如下：擊穿電壓 V_BR 為 28.9～31.9V 反向關(guān)斷電壓 V_R 為 26V ，最大峰值脈沖電流 I_PPM 為892.5A （8/20μs 脈沖電流），鉗位電壓 V_c （最大峰值電流時(shí)）為 54.4V ，實(shí)際鉗位電壓與之前相同，不會(huì)超過(guò) 40V 。這樣即使結(jié)溫達(dá) 150°C ，也可滿足浪涌要求。試驗(yàn)證明，使用峰值功率 3kW 的TVS時(shí)，到 2kV 浪涌脈沖等級(jí)時(shí)，傳感器出現(xiàn)功能異常故障（TVS擊毀，繼而電路擊毀），而使用 5kW 的器件時(shí)，試驗(yàn)?zāi)茼樌ㄟ^(guò)。

4結(jié)論

TVS的適當(dāng)選型，能較好地解決小空間低電源電壓傳感器的浪涌防護(hù)問(wèn)題，選型應(yīng)遵循的主要原則如下：

1）擊穿電壓VBR和反向關(guān)斷電壓 V_R 應(yīng)高于傳感器的工作電壓，實(shí)際鉗位電壓 V_C， 應(yīng)低于后級(jí)元件的最高耐受電壓。

2）基于浪涌的試驗(yàn)方法，選型應(yīng)考慮多次浪涌沖擊后結(jié)溫升高器件性能降級(jí)的因素，合理選擇器件的峰值脈沖功率容量。

隨著科技發(fā)展日新月異，傳感器產(chǎn)品越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)裝備和生活用品中，為了保證產(chǎn)品的安全性、可靠性，傳感器浪涌抗擾度研究成為當(dāng)前傳感器研究的熱點(diǎn)之一。通過(guò)對(duì)傳感器浪涌干擾的特點(diǎn)分析和測(cè)量，研究抗干擾技術(shù)，進(jìn)行仿真模擬和試驗(yàn)研究，制定和完善傳感器浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，不斷提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，可為傳感器在各個(gè)領(lǐng)域的可靠應(yīng)用提供保障。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]翟毅濤，吳峻，曾曉榮.中低速磁浮列車傳感器防浪涌設(shè)計(jì)及改進(jìn)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（1）：181-184.

[3]楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.