CN109490591B - 高稳定性雷电冲击模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高稳定性雷电冲击模拟器，包括充电单元、储能单元、间隙开关单元、至少一个第一调波电阻、第二调波电阻、电感、非间隙型自适应Crowbar开关单元和待测物载台，所述充电单元连接到储能单元，串联的非间隙型自适应Crowbar开关单元、第二调波电阻与储能单元并联且位于电感与串联连接的间隙开关单元、第一调波电阻之间；所述间隙开关单元包括间隔排列的高压电容侧导电盘、高压电感侧导电盘和低压导电盘。本发明可利用较小的电容实现输出长波尾波形，可应用于I类雷电波形，长波尾冲击电流波，形成峰值震荡，波形比较光滑。

Description

高稳定性雷电冲击模拟器

技术领域

本发明涉及电涌保护器测试技术领域，尤其涉及一种高稳定性雷电冲击模拟器。

背景技术

雷电是自然界中的一种自然放电现象。雷电发生后，通过静电感应和电磁感应的作用，通信线路中将形成雷电过电压。高稳定性雷电冲击模拟器主要应用于模拟雷电流的发生器，以产生大电流长持续时间的脉冲电流波形，主要用于模拟I级雷电（直接雷电）电流波形10/350μs，飞机直接雷电效应测试波形A分量、D分量，以及功率电源10/1000μs等长波尾波形的发生器。

目前市场上的高稳定性雷电冲击模拟器主要有两种，一种是基于传统技术的CRL放电回路，另一种是使用间隙型Crowbar开关进行延长波尾的Crowbar放电回路，

第一种方案原理如附图1所示，使用传统的CRL放电回路，即通过大电容储能，瞬间通过电感和调波电阻释放，形成大电流的输出波形，但该方法主要依靠回路中的电阻R形成过阻尼放电回路，回路阻抗大，缺点是需要大容量的储能电容C，

第二种方案如附图2所示，其大大降低了储能电容的容量，其工作原理如图2所示，主电容器C充满电后，首先触发G1开关，当放电电流达到峰值时，高压脉冲发生器输出高压点火信号击穿G3并使G2导通，此时G2开关将电容C、电阻R1短路，电感L1电流最大通过被试品EUT、间隙开关G2构成续流泄放回路，受EUT和回路阻抗的影响，L上的电荷缓慢释放，从而实现流过EUT的长持续时间波形。

（1）、发生器的控制更复杂，需要同时控制两套发生器（高稳定性雷电冲击模拟器和冲击电压发生器）的触发系统，使冲击电压发生器延后冲击电流一定的时间，时间控制要准确，否则容易出现放电失败现象，控制难度大；

（2）、多个球距控制，整套系统需要控制除本套触发器外，需要控制G2三球运动和G3的耦合球隙，以及冲击电压发生器本体的触发球隙，协调难度大；

（3）、调试波形困难，波尾长度是由Crowbar储能电感L1大小控制，但不同的被试品其负载阻抗不同，导致波尾持续时间波动较大。

发明内容

本发明目的是提供一种高稳定性雷电冲击模拟器，该高稳定性雷电冲击模拟器可利用较小的电容实现输出长波尾波形，可应用于I类雷电波形10/350us，陡波冲击电流波形1/10us，长波尾冲击电流波10/1000μs，以及直接雷电（或间接雷电）效应波形的A波（6.4/69μs）、D波（3.2/34.5μs），提高电容利用效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高稳定性雷电冲击模拟器，包括充电单元、储能单元、间隙开关单元、至少一个第一调波电阻、第二调波电阻、电感、非间隙型自适应Crowbar开关单元和待测物载台，所述充电单元连接到储能单元，串联的非间隙型自适应Crowbar开关单元、第二调波电阻与储能单元并联且位于电感与串联连接的间隙开关单元、第一调波电阻之间；

所述间隙开关单元包括间隔排列的高压电容侧导电盘、高压电感侧导电盘和低压导电盘，此高压电容侧导电盘、高压电感侧导电盘和低压导电盘之间通过绝缘支撑杆定位连接，一电容侧放电球安装于高压电容侧导电盘上，一电感侧放电球安装于高压电感侧导电盘上，所述电容侧放电球与电感侧放电球相向设置且之间留有间隙；

所述非间隙型自适应Crowbar开关单元包括高压快速脉冲半导体组件和支撑架，所述高压快速脉冲半导体组件由第一二极管、第二二极管和连接板组成，此第一二极管、第二二极管分别安装于连接板上、下侧且与连接板电连接的第一二极管、第二二极管各自一端的极性相反，所述连接板位于第一二极管、第二二极管上、下侧的中部固定有一换向转轴，此换向转轴两端均通过轴承座安装于支撑架上；

所述第一二极管、第二二极管中一个二极管另一端连接到第二调波电阻一端，所述第一二极管、第二二极管中另一个二极管另一端连接到待测物载台的低压端和间隙开关单元的低压导电盘；

所述间隙开关单元的高压电感侧导电盘连接到电感一端和第二调波电阻另一端，所述间隙开关单元的低压导电盘连接到待测物载台的低压端，所述电感另一端作为用于连接待测物载台的高压端的高压输出端；

所述电容侧放电球、电感侧放电球均为半球形状；所述第一调波电阻为线状电阻。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1. 本发明高稳定性雷电冲击模拟器，其波形输出效率高与现有的RCL放电回路相比，可大幅度提高电容利用率，用较少的电容可以实现更大的长波尾波形。按照以C=40uF，充电电压为100kV为例，使用现有放电回路形成10/350波形，需要回路电阻R1约14Ω，调波电感L1约30uH，可输出约7kA的10/350us波形，而使用本发明通过调波电阻R1=0.5Ω，调波电感10uH，波尾电阻20mΩ。可输出约100kA10/350us波形。

本发明高稳定性雷电冲击模拟器，其操作简单，减少试验失败率，克服了现有间隙型Crowbar技术使用三间隙开关结构，必须配套一台高电压冲击电压发生器来进行三间隙开关的触发导通，其输出电压一般高于主电流发生器的充电电压的2倍且稳定性比较差等缺陷，其采用本发明非间隙型自适应Crowbar开关单元包括高压快速脉冲半导体组件和支撑架，所述高压快速脉冲半导体组件由第一二极管、第二二极管和连接板组成，无需另外的冲击电压发生器，发生器避免了出现失控现象，成功率几乎为100%。

本发明高稳定性雷电冲击模拟器，其输出波形光滑、峰值无震荡，现有技术中G2开关的导通需要高电压的冲击电压发生器来进行触发，而该部分能量会叠加在放电回路中，将导致在波峰处形成震荡，而本发明开关不会形成峰值震荡，波形比较光滑。

附图说明

图1是现有技术高稳定性雷电冲击模拟器原理示意图一；

图2是现有技术高稳定性雷电冲击模拟器原理示意图二；

图3是本发明高稳定性雷电冲击模拟器电气原理示意图；

图4是本发明高稳定性雷电冲击模拟器中电容器放电电流波形（Icap）；

图5是本发明非间隙型自适应Crowbar开关单元反馈电流波形（Idiode）；

图6是本发明高稳定性雷电冲击模拟器中被试品实际流过的电流波形；

图7是本发明高稳定性雷电冲击模拟器结构示意图；

图8是本发明高稳定性雷电冲击模拟器局部结构示意图一；

图9是本发明高稳定性雷电冲击模拟器局部结构示意图二；

图10是本发明高稳定性雷电冲击模拟器局部结构示意图三；

图11是本发明高稳定性雷电冲击模拟器输出波形图。

以上附图中：1、充电单元；2、储能单元；211、电容器单元；3、间隙开关单元；4、第一调波电阻；5、第二调波电阻；6、电感；7、非间隙型自适应Crowbar开关单元；8、待测物载台；9、高压电容侧导电盘；10、高压电感侧导电盘；11、低压导电盘；12、绝缘支撑杆；13、电容侧放电球；14、电感侧放电球；15、高压快速脉冲半导体组件；151、第一二极管；152、第二二极管；153、连接板；16、支撑架；17、换向转轴；171、定位孔；18、轴承座。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种高稳定性雷电冲击模拟器，包括充电单元1、储能单元2、间隙开关单元3、至少一个第一调波电阻4、第二调波电阻5、电感6、非间隙型自适应Crowbar开关单元7和待测物载台8，所述充电单元1连接到储能单元2，串联的非间隙型自适应Crowbar开关单元7、第二调波电阻5与储能单元2并联且位于电感6与串联连接的间隙开关单元3、第一调波电阻4之间；

所述间隙开关单元3包括间隔排列的高压电容侧导电盘9、高压电感侧导电盘10和低压导电盘11，此高压电容侧导电盘9、高压电感侧导电盘10和低压导电盘11之间通过绝缘支撑杆12定位连接，一电容侧放电球13安装于高压电容侧导电盘9上，一电感侧放电球14安装于高压电感侧导电盘10上，所述电容侧放电球13与电感侧放电球14相向设置且之间留有间隙；

所述非间隙型自适应Crowbar开关单元7包括高压快速脉冲半导体组件15和支撑架16，所述高压快速脉冲半导体组件15由第一二极管151、第二二极管152和连接板153组成，此第一二极管151、第二二极管152分别安装于连接板153上、下侧且与连接板153电连接的第一二极管151、第二二极管152各自一端的极性相反，所述连接板153位于第一二极管151、第二二极管152上、下侧的中部固定有一换向转轴17，此换向转轴17两端均通过轴承座18安装于支撑架16上；

所述第一二极管151、第二二极管152中一个二极管另一端连接到第二调波电阻5一端，所述第一二极管151、第二二极管152中另一个二极管另一端连接到待测物载台8的低压端和间隙开关单元3的低压导电盘11；

所述间隙开关单元3的高压电感侧导电盘10连接到电感6一端和第二调波电阻5另一端，所述间隙开关单元3的低压导电盘11连接到待测物载台8的低压端，所述电感6另一端作为用于连接待测物载台8的高压端的高压输出端。

上述电容侧放电球13、电感侧放电球14均为半球形状。

上述第一调波电阻4为线状电阻。

上述储能单元2由若干个并联的电容器单元211组成，所述第一调波电阻4的数目与电容器单元211的数目相等，每个电容器单元211与一个第一调波电阻4串联。

本发明高稳定性雷电冲击模拟器其工作原理如下：

（1）当电容器C充满电后，通过放电球隙G1放电，此时由于电容器上为正电荷，二极管反向截止不导通，放电回路为C-G1-R1-L1-EUT-C，构成闭合的CRL放电回路；

（2）当放电回路电流达到最大值后，此时电容器电压为零，但回路中由于有电感的存在，因此电感会保持回路的电流使电流流过试品，然后反向为电容充电，但由于二极管的存在会导致电流顺着二极管返回电感，构成由L-EUT-R2-D1-L组成的LR放电回路，直至电感能力全部通过R2消耗完，形成持续波尾；

（3）回路输出波形，其电流测试回路测试点分布图如附图3所示，通过回路仿真，可见电容器放电回路电流（Icap），被试品的电流（Ieut）以及通过二极管的反馈电流（Idiode），（以C=40uF，R1=0.2Ω，L1=10μH，R2=0.02Ω为例）

采用本发明高稳定性雷电冲击模拟器，其波形输出效率高与现有的放电回路相比，可大幅度提高电容利用率，用较少的电容可以实现更大的长波尾波形。按照以C=40uF，充电电压为100kV为例，使用现有放电回路形成10/350波形，需要回路电阻R1约14Ω，调波电感L1约30uH，可输出约7kA的10/350us波形，而使用本发明通过调波电阻R1=0.5Ω，调波电感10uH，波尾电阻20mΩ。可输出约100kA10/350us波形。

本发明高稳定性雷电冲击模拟器，其操作简单，减少试验失败率，克服了现有技术使用三间隙开关结构，必须配套一台高电压冲击电压发生器来进行三间隙开关的触发导通，其输出电压一般高于主电流发生器的充电电压的2倍且稳定性比较差等缺陷，其采用本发明非间隙型自适应Crowbar开关单元包括高压快速脉冲半导体组件和支撑架，所述高压快速脉冲半导体组件由第一二极管、第二二极管和连接板组成，无需另外的冲击电压发生器，发生器不容易出现失控现象，成功率几乎为100%。

现有间隙开关是在开关G1导通后，通过延时一定的时间触发冲击电压发生器以导通G2，实现在波形峰值处触发G2，构成放电回路。但如果G2开关触发时电容器两端电压为0，开关触发的稳定性比较差，容易出现触发失败的情况。而使用二极管的Crowbar开关，发生器避免了出现失控现象，成功率几乎为100%。

本发明高稳定性雷电冲击模拟器，其输出波形光滑、峰值无震荡，现有技术中G2开关的导通需要高电压的冲击电压发生器来进行触发，而该部分能量会叠加在放电回路中，将导致在波峰处形成震荡，而本发明开关不会形成峰值震荡，波形比较光滑。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高稳定性雷电冲击模拟器，其特征在于：包括充电单元（1）、储能单元（2）、间隙开关单元（3）、至少一个第一调波电阻（4）、第二调波电阻（5）、电感（6）、非间隙型自适应Crowbar开关单元（7）和待测物载台（8），所述充电单元（1）连接到储能单元（2），所述第一调波电阻（ 4 ）、间隙开关单元（ 3 ）和储能单元（ 2 ）串联形成第一支路，所述非间隙型自适应 Crowbar 开关单元（ 7 ）和第二调波电阻（ 5 ）串联形成第二支路，所述电感（ 6 ）和待测物载台（ 8 ）串联形成第三支路，所述第一支路、第二支路和第三支路并联；

所述间隙开关单元（3）包括间隔排列的高压电容侧导电盘（9）、高压电感侧导电盘（10）和低压导电盘（11），此高压电容侧导电盘（9）、高压电感侧导电盘（10）和低压导电盘（11）之间通过绝缘支撑杆（12）定位连接，一电容侧放电球（13）安装于高压电容侧导电盘（9）上，一电感侧放电球（14）安装于高压电感侧导电盘（10）上，所述电容侧放电球（13）与电感侧放电球（14）相向设置且之间留有间隙；

所述非间隙型自适应Crowbar开关单元（7）包括高压快速脉冲半导体组件（15）和支撑架（16），所述高压快速脉冲半导体组件（15）由第一二极管（151）、第二二极管（152）和连接板（153）组成，此第一二极管（151）、第二二极管（152）分别安装于连接板（153）上、下侧且与连接板（153）电连接的第一二极管（151）、第二二极管（152）各自一端的极性相反，所述连接板（153）位于第一二极管（151）、第二二极管（152）上、下侧的中部固定有一换向转轴（17），此换向转轴（17）两端均通过轴承座（18）安装于支撑架（16）上；

所述第一二极管（151）、第二二极管（152）中一个二极管另一端连接到第二调波电阻（5）一端，所述第一二极管（151）、第二二极管（152）中另一个二极管另一端连接到待测物载台（8）的低压端和间隙开关单元（3）的低压导电盘（11）；

所述间隙开关单元（3）的高压电感侧导电盘（10）连接到电感（6）一端和第二调波电阻（5）另一端，所述间隙开关单元（3）的低压导电盘（11）连接到待测物载台（8）的低压端，所述电感（6）另一端作为用于连接待测物载台（8）的高压端的高压输出端；

所述电容侧放电球（13）、电感侧放电球（14）均为半球形状；所述第一调波电阻（4）为线状电阻。

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