应用于浪涌抗扰度试验的组合波发生器的设计

应用于浪涌抗扰度试验的组合

波发生器的设计

王玉峰，邹积岩，李红春，周正阳

大连理工大学（大连116024）

摘 要：根据IEC61000-4-5和GB17626.5, 研究了一种用于浪涌抗扰度试验的组合波发生器。通过计算回路参数及仿真，此组合波发生器能够产生1.2/50sμ的开路电压波和8/20sμ的短路电流波。本文采用新颖的开关电源

方式设计直流高压电源，用点火球隙作高压开关制作一台组合波发生器，用无感电阻分压器和同轴电缆示波

器测量输出电压和电流波形，符合浪涌抗扰度试验的要求。

关键词：组合波发生器浪涌抗扰度试验开路电压波短路电流波

Abstract:The combination wave generator for surge immunity test is studied according to IEC61000-4-5and

Gb17626.5.The voltage wave of open circuit is 1.2/50 sμ

and the current wave of short circuit is 8/20

sμ

,

which are generated by the combination wave generator through calculating and simulating circuit parameters. The combination wave generator, which is composed of a novel DC high-voltage supply in switching-power mode、ignition gap and pulse forming network, complies with surge immunity test through measuring with non-inductive resistance divider and coaxial oscilloscope.

1 引言

雷击会在电网或通信线路上产生能量极高的暂态过电压或过电流，如果措施不当，经常会烧毁电子元器件，破坏设备。工频高压试验的目的在于为产品的安全需要而验证设备的绝缘保护能力，试验时设备通常不接电源]1[。而实际运行中设备都通电，因此，除对设备进行工频高压试验外还要根据IEC 和GB标准的要求进行雷电浪涌抗扰度试验（原理框图见图1），以检验设备在实际运行中抗干扰能力。

浪涌抗扰度试验主要是模拟雷击和开关操作引起的干扰电压和电流，需要能够产生0.5～4kV连续可调，1.2/50sμ开路电压波和0.25～2kA连续可调，8/20sμ短路电流波的组合波发生器。

图1 浪涌抗扰度试验原理图

本文根据IEC61000-4-5和GB17626.5，计算了组合波发生器的回路参数并仿真了电路，制作了一台符合浪涌抗扰度试验要求的组合波发生器。

2 电路拓扑

图2中，组合波发生器电路结构由充电回路和脉冲形成回路两部分构成。充电回路包括直流高压

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电源、充电电阻和储能电容，脉冲形成回路由储能电容、高压开关和脉冲形成网路构成。电路工作时，直流高压电源通过充电电阻向储能电容C充电至电源电压U。然后，高压开关S闭合，储能电容通过

图2 组合波发生器电路原理图 图3 改进后组合波发生器拓扑图

脉冲形成网路放电，即可在Rm上得到1.2/50sμ开路电压波或短路Rm得到8/20sμ短路电流波。按IEC61000-4-5和GB17626.5的要求，各部分参数如下：直流高压电源0～4kV连续可调， C＝10μF，Rc＝ 40kΩ，Rs＝30Ω，Rr＝1.4Ω，Rm＝50Ω，Lr＝6.5μH。高压开关S为点火球隙，为解决点火电路与主电路的共地问题，将组合波发生器电路原理图做了改动，改进后电路拓扑结构见图3。

3 直流高压电源的设计

图4 直流高压电源电路图 图5 驱动电路

本文采用半桥逆变式开关电路，如图4所示。交流电压首先经过整流滤波电路变成脉动的直流电压，然后送到高频变换部分，进行功率变换，其核心是高频功率开关元件Mosfet (IRF460)。它将脉动直流电压斩成高频方波，并由高频变压器转换成所要求的电压的方波，最后将这一方波电压经整流、滤波、倍压得到所需要的直流电压。

高频功率开关元件（IRF460）驱动以TL494为核心控制单元，如图5]2[。TL494是美国德州仪器公司生产的电压驱动型脉宽调制器，它的输出三极管可接成共发射极和射极跟随器两种方式，因而可以选择双端推挽输出或单端输出，在推挽输出方式时，它的两路驱动脉冲相差180度，而在单端方式时，其两路驱动脉冲为同频同相。]3[本文采用推挽输出方式控制功率开关器件，把TL494的振荡频率设为100k，它的两个输出三级管以50k的振荡频率交替输出信号。当输出信号为高电平时，光藕（6N137）不工作，光藕输出信号为高电平，在经过反相器，则输出信号G为低电平，功率开关器件截止；当输出信号为低电平时，光藕中的发光二极管发光，光藕导通，光藕输出低电平信号，经反相器反相后，输出高电平信号G驱动功率开关元件工作。光藕除了起抑制干扰和保护控制单元TL494

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的作用外，还用两套独立的电源系统对驱动信号进行电隔离。

与传统的经过工频变压器升压后整流得直流高压电源的方式相比，本文这种无工频变压器的开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点。

4 点火球隙

本文组合波发生器中的高压开关为三电极场畸变开关——点火球隙，点火球隙由阳极、阴极和触发极构成，阳极和阴极与主电路相连，触发极靠近阴极，阳极和阴极用空心铜球、触发极用熔点高的钢针制作，阳极用螺丝固定，阴极开了一个槽，可以自由调节两极之间的距离，如图6所示。球隙开关的工作原理是靠触发极输出高压负脉冲，使触发极和阴极之间电离放电，阴极与触发极导通后等电位，阳极与阴极间的电场发生畸变，使整个球隙导通。因此，使触发极输出高压负脉冲的触发电路(图7)是制作点火球隙的关键部分]4[。

如图7所示，点火球隙的触发电路由触发脉冲形成回路和续流回路构成，当SCR被触发时，电容C1经SCR开关、电阻和点火线圈的原边放电形成单脉冲，在点火线圈的付边形成高压负脉冲触发点火球隙，电容C2经高压硅堆在阴极和触发极形成续流回路以确保球隙开关导通。SCR的触发电路为达林顿结构（图8），开关S闭合，T1导通，T2导通，触发SCR。

图6 点火球隙

图7 点火球隙的触发电路

图8 SCR的触发电路

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