CN104639109B - 尖峰脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

一种卫星导航技术领域的尖峰脉冲发生器，包括：可调高压源模块、高压高速大电流电子开关模块、尖峰脉冲形成模块、相位采样模块、人机界面模块和主控制模块，主控制模块输出控制指令分别至可调高压源模块和尖峰脉冲形成模块、输出导通指令至高压高速大电流电子开关模块，可调高压源模块依设定的电压向尖峰脉冲形成模块中的储能电容充电，高压高速大电流电子开关模块依设定的时间控制储能电容放电生成脉冲波。本发明输出电压可达1800V，其脉冲的上升沿和宽度以及波形等完全符合标准GB/T15527‐1995，波形满足GB/T15540‐1995要求。

Description

尖峰脉冲发生器

技术领域

本发明涉及的是一种卫星导航技术领域的电子设备，具体是一种用于北斗卫星导航系统部件电源线瞬变测试的尖峰脉冲发生器。

背景技术

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。随着导航系统的发展，其导航产品深入我们的生活，其产品的安全可靠性也已是我们需要面对的课题，电磁兼容是其中一项。

国内的电磁兼容起步比较晚，目前主要借鉴国外的标准和一些成熟的经验。其国产测试设备也主要是一些如雷击，脉冲群等常用设备，不能满足一些特定领域中电子电器产品对电磁兼容测试需求，目前这些产品主要依赖于进口，其供货周期长，价格高。对北斗导航系统电子产品电磁兼容测试，其测试仪器设备也主要依赖于进口，国内没有相应的厂家生产。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103997252A公开(公告)日2014.08.20，公开了一种高频高压脉冲发生电路，包括一倍压整流电路，一滤波电路、一放电开关和一高压变压器，其中：所述倍压整流电路连接在DC/DC电源高频变压器和滤波电路之间，用于将变压器输出的方波电压进行倍压处理；所述滤波电路的输入端连接倍压整流电路的输出端；所述放电开关串联于滤波电路的输出端和高压变压器的初级线圈之间；所述高压变压器的初级线圈连接在所述放电开关和电源地之间，次级线圈与负载相连，所述高压变压器用于将低压脉冲信号转换为高压脉冲信号。该技术中的脉冲输出是靠脉冲变压器耦合完成，由于受变压器体积、生产工艺、成本、应用环境等因素影响，变压器输出功率有限，其单个输出脉冲能量小，不能满足一般EMC电源线抗扰度测试需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种尖峰脉冲发生器，应用电容储能，在微秒级完成释放，脉冲上升沿时间100ns(最大幅值的10％到90％)，持续时间10μs(最大幅值的50％到50％)，脉冲重复频率10Hz～100Hz连续可调，输出脉冲最大幅值100～1800V连续可调。波形参数完全符合标准GB/T15527‐1995，波形满足GB/T15540‐1995。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：可调高压源模块、高压高速大电流电子开关模块、尖峰脉冲形成模块、相位采样模块、人机界面模块和主控制模块，其中：人机界面模块接收工作参数设置并将工作指令传输至主控制模块，主控制模块向人机界面模块输出仪器工作状态数据以实现显示刷新，主控制模块另外输出控制指令分别至可调高压源模块和尖峰脉冲形成模块、输出导通指令至高压高速大电流电子开关模块，可调高压源模块依设定的电压向尖峰脉冲形成模块中的储能电容充电，高压高速大电流电子开关模块依设定的时间控制储能电容放电生成脉冲波，相位采样模块将采集到的待测设备电源的相位信息输出至主控制模块，使得高压高速大电流电子开关模块将脉冲波叠加于待测设备的对应相位。

所述的可调高压源模块输出电压幅值0～1800V可调，全程精度控制在5％以内。

所述的高速电子开关模块采用过驱动原理，导通延迟时间小于50纳秒，电流可达150A，耐压超过2500V。

所述的尖峰脉冲形成模块采用LC振荡原理和高速半导体器件实现，该尖峰脉冲形成模块包括：储能单元、振荡单元、上升沿形成单元和极性切换单元，其中：储能单元分别与振荡单元以及高压高速大电流电子开关模块相连，当高压高速大电流电子开关模块收到导通指令时控制储能单元向振荡单元放电以形成所需脉冲的形状和半宽，振荡单元和上升沿形成单元连接并由上升沿形成单元对输出脉冲波进行上升沿滤波，上升沿形成单元和极性切换单元连接并由极性切换单元完成脉冲的正负极性输出。

所述的储能单元的输出端设有放电单元，使得尖峰脉冲形成模块在不工作时通过放电单元将储能单元内的电荷卸载。

所述的相位采样模块通过对正弦交流电的过零点探测，然后通过计算得出正弦交流电的相位。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明输出脉冲示意图。

图3为尖峰脉冲形成模块单元结构图.

图4为实施例中尖峰脉冲形成模块电路示意图。

图5为实施例控制流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：0～1800V可调高压源模块、高压高速大电流电子开关模块、尖峰脉冲形成模块、相位采样模块、人机界面模块和主控制模块，其中：人机界面模块接收工作参数设置并将信息传输至主控制模块；主控制模块向人机界面模块输出仪器工作状态以显示刷新，主控制模块另外分别输出控制指令至0～1800V可调高压源模块和尖峰脉冲形成模块、输出导通指令至高压高速大电流电子开关模块；在主控制模块的协调控制下，0～1800V可调高压源模块依设定的电压向尖峰脉冲形成模块中的储能电容充电；设定时间到后储能电容则通过高压高速大电流电子开关模块迅速放电，和尖峰脉冲形成模块共同形成所需脉冲波；相位采样模块与主控制模块相连，并输出采集到的待测设备电源的相位信息，在有同步要求时，高压高速大电流电子开关模块导通将脉冲波叠加于待测设备电源不同相位上。

本装置输出脉冲波形如图2所示，脉冲上升沿时间100ns(最大幅值的10％到90％)，持续时间10μs(最大幅值的50％到50％)，脉冲重复频率10Hz～100Hz连续可调，输出脉冲最大幅值100～1800V连续可调。上升时间、持续时间、最大幅值的误差控制在±10％。输出脉冲正负极性可调，具有和被测试仪器电源同步功能，脉冲可以叠加于被测试品电源任意相位上。

为了满足上述脉冲需求，需要设计一款输出电压可调，电压全程范围精度控制在5％以下的高压电源，还需解决高压(电压达2500V)、大电流(瞬态电流可达100A以上)、快速(上升沿达100ns)的电子开关。加强对元器件的选择，以使仪器在不同温度、湿度、电压、电流下的性能参数都满足测试需求。

如图3所示，所述的尖峰脉冲形成模块采用LC振荡原理和高速半导体器件实现，该尖峰脉冲形成模块包括：储能单元、振荡单元、上升沿形成单元和极性切换单元，其中：储能单元分别与振荡单元以及高压高速大电流电子开关模块相连，当高压高速大电流电子开关模块收到导通指令时控制储能单元向振荡单元放电以形成所需脉冲的形状和半宽，振荡单元和上升沿形成单元连接并由上升沿形成单元对输出脉冲波进行上升沿滤波，上升沿形成单元和极性切换单元连接并由极性切换单元完成脉冲的正负极性输出。

所述的储能单元的输出端设有放电单元，使得尖峰脉冲形成模块在不工作时通过放电单元将储能单元内的电荷卸载。

如图4所示，为尖峰脉冲形成模块的具体电路实现，所述的尖峰脉冲形成模块包括：六个电阻R1～R6、两个二极管D1、D2、两个电感L1、L2、四个电容C1～C4以及三个继电器RL1～RL3，其中：滤波电容C1的负极为公共地，正极通过串联的第一、第二电阻R1、R2和储能电容C2的一端连接，储能电容C2另一端接地，第一继电器RL1的一端接于R1和R2之间，另一端接地，串联的第一、第二二极管D1、D2与第三电容C3并联，第三电容C3与第四电阻R4并联，第三电阻R3的一端依次串联第三电容C3、第一电感L1以及高压高速大电流电子开关模块S1，第三电阻R3的另一端接地，第二电感L2、第五电阻R5、第六电阻R6以及第四电容C4的一端依次串连且第二电感L2的一端与高压高速大电流电子开关模块S1的输出端相连，第四电容C4的另一端接地，并联的第二、第三继电器RL2、RL3分别连接于第五电阻R5和地点位之间进行极性切换。

所述的尖峰脉冲形成模块中电容第一电容C1并连于0～1800V可调高压源模块U1的正负极之间，可调高压源模块U1的负极为公共地，高压高速大电流电子开关模块S1的输入端与尖峰脉冲形成模块中第二电容C2正极相连，输出端与尖峰脉冲形成模块中的第一电感L1相连。

所述的0～1800V可调高压源模块U1的电压0～1800V可调，精度全程控制在5％以内，该可调高压源模块U1以恒流的方式向滤波电容C1充电，该滤波电容C1取值较大，工作时约需2～3秒充电时间，主要作用是提高输出脉冲的精度和稳定度，减小脉冲对高压源的影响。

所述的第一继电器RL1为常闭继电器，仪器不工作时闭合，滤波电容C1和储能电容C2中储存的电荷通过第一继电器RL1和第一第二电阻R1、R2得以泄放。工作后，第一继电器RL1断开，0～1800V可调高压源模块U1向储能电容C2充电，该储能电容C2同时也是波形形成电容，与第一电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三电容C3、第四电阻R4、第三电阻R3、第二电感L2、第五电阻R5、第六电阻R6以及第四电容C4构成脉冲形成电路。

所述的滤波电容C1通过第二电阻R2向储能电容C2充电，由于滤波电容C1容值远大于储能电容C2，储能电容C2上的电压很快和滤波电容C1一致，一定时间后，高压高速大电流电子开关模块S1动作，储能电容C2通过第一电感L1、第一和第二二极管D1、D2、第三电阻R3放电，形成如图2波形的上半部分。下半部分时，由于第一和第二二极管D1、D2的存在，振荡回路发生了变化，第一电感L1储存的能量通过高压高速大电流电子开关模块S1、储能电容C2、第三电阻R3、第三电容C3组成的回路释放，形成了如图2波形的下半部分。

第五和第六电阻R5、R6、C4是波形的上升沿形成回路。通过调整回路各器件参数，使输出波形满足其要求。第二和第三继电器RL2、RL3共同承担了输出脉冲极性变换的任务。

尖峰脉冲形成模块主要采用LC振荡原理，0～1800V高压源向储能电容C2充电蓄能，一定时间内通过高压高速大电流电子开关向电感L放电。通过在LC回路中串入合适电阻、电容、高速半导体器件修正，得到参数符合GB/T15527‐1995，波形符合GB/T15540‐1995的脉冲。

Claims (4)

1.一种尖峰脉冲发生器，其特征在于，包括：可调高压源模块、高压高速大电流电子开关模块、尖峰脉冲形成模块、相位采样模块、人机界面模块和主控制模块，其中：人机界面模块接收工作参数设置并将工作指令传输至主控制模块，主控制模块向人机界面模块输出仪器工作状态数据以实现显示刷新，主控制模块另外输出控制指令分别至可调高压源模块和尖峰脉冲形成模块、输出导通指令至高压高速大电流电子开关模块，可调高压源模块依设定的电压向尖峰脉冲形成模块中的储能电容充电，高压高速大电流电子开关模块依设定的时间控制储能电容放电生成脉冲波，相位采样模块将采集到的待测设备电源的相位信息输出至主控制模块，使得高压高速大电流电子开关模块将脉冲波叠加于待测设备的对应相位；

所述的尖峰脉冲形成模块采用LC振荡原理和高速半导体器件实现，该尖峰脉冲形成模块包括：储能单元、振荡单元、上升沿形成单元和极性切换单元，其中：储能单元分别与振荡单元以及高压高速大电流电子开关模块相连，当高压高速大电流电子开关模块收到导通指令时控制储能单元向振荡单元放电以形成所需脉冲的形状和半宽，振荡单元和上升沿形成单元连接并由上升沿形成单元对输出脉冲波进行上升沿滤波，上升沿形成单元和极性切换单元连接并由极性切换单元完成脉冲的正负极性输出；

所述的尖峰脉冲形成模块包括：六个电阻R1～R6、两个二极管D1、D2、两个电感L1、L2、四个电容C1～C4以及三个继电器RL1～RL3，其中：滤波电容C1的负极为公共地，正极通过依次相连的第一、第二电阻R1、R2与储能电容C2的一端连接，储能电容C2另一端接地，第一继电器RL1的一端接于R1和R2之间，另一端接地，串联的第一、第二二极管D1、D2与第三电容C3并联，第三电容C3与第四电阻R4并联，第三电阻R3的一端依次串联第三电容C3、第一电感L1以及高压高速大电流电子开关模块S1，第三电阻R3的另一端接地，第二电感L2、第五电阻R5、第六电阻R6以及第四电容C4的一端依次串连且第二电感L2的一端与高压高速大电流电子开关模块S1的输出端相连，第四电容C4的另一端接地，并联的第二、第三继电器RL2、RL3分别连接于第五电阻R5和地点位之间进行极性切换。

2.根据权利要求1所述的尖峰脉冲发生器，其特征是，所述的可调高压源模块的电压0～1800V可调，精度全程控制在5％以内，该可调高压源模块以恒流的方式向储能单元充电。

3.根据权利要求1所述的尖峰脉冲发生器，其特征是，所述的储能单元的输出端设有放电单元，使得尖峰脉冲形成模块在不工作时通过放电单元将储能单元内的电荷卸载。

4.根据权利要求1所述的尖峰脉冲发生器，其特征是，所述的第一继电器RL1为常闭继电器，滤波电容C1和储能电容C2中储存的电荷通过第一继电器RL1、第一和第二电阻R1、R2得以泄放；工作时第一继电器RL1断开，可调高压源模块U1向储能电容C2充电以形成脉冲波。