CN111721984B - 一种多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置。该装置中的主放电回路包括并联的多组充电电容和并联的多组功率电感,所述多组充电电容与所述多组功率电感整体上构成串联关系,每一组充电电容和每一组功率电感所在支路上分别单独设置有相应的放电开关;每一组充电电容与所述多组功率电感相接的一端还另分出单独的支路经相应的隔离开关接至主放电回路的高压正极输入端,所述多组功率电感的另一端依次经可调电阻模块、负载后,与所述多组充电电容的另一端、以及主放电回路的高压负极输入端共同接地。本发明可实现同一负载情况下不同指标要求的输出波形,以及同一输出波形指标要求下负载变化时保持输出波形不变。

Description

一种多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置
技术领域
本发明涉及一种双指数脉冲电流注入装置。
背景技术
强电磁脉冲环境如高空电磁脉冲(HEMP)、高功率微波(HPM)、超宽带辐射(UWB)、以及自然环境中雷电电磁脉冲(LEMP)、静电放电(ED)等具有着电场强度高,脉冲前沿快,持续时间短,频谱范围宽的特点,通过传导耦合、辐射耦合两种方式对电子系统产生影响,对其工作状态造成干扰或损坏。对电子系统电磁敏感性研究的试验手段包括辐射环境测试和电流注入测试,其中电流注入测试对试验环境要求低,不需要大型的电磁场辐射模拟装置,试验简便实用,费用低,是电子系统性能测试的重要手段。
目前脉冲电流注入源多为单一模式,且当端接负载发生变化时输出波形容易发生畸变,因此为了模拟与辐射环境感应电流等效的脉冲电流,探究影响电子系统的具体波形指标参数(主要是前沿、半宽、峰值),需要设计一种参数程控可调的双指数脉冲电流注入源。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种多参数简便可调的双指数脉冲电流注入装置。
为了实现上述目的,本发明给出以下技术方案:
一种多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,包括高压电源、主放电回路和控制单元;所述高压电源的高压正、负极输出端分别与主放电回路充电电容正、负极输入端连接;所述主放电回路包括并联的多组充电电容和并联的多组功率电感,所述多组充电电容与所述多组功率电感整体上构成串联关系,每一组充电电容和每一组功率电感所在支路上分别单独设置有相应的放电开关(S11、S12……S15,S21、S22……S25);每一组充电电容与所述多组功率电感相接的一端还另分出单独的支路经相应的隔离开关(S01、S02……S05)接至主放电回路的高压正极输入端,所述多组功率电感的另一端依次经可调电阻模块、负载后,与所述多组充电电容的另一端、以及主放电回路的高压负极输入端共同接地;所述多组功率电感与可调电阻模块之间的结点还引出一个支路,经陡化电容Cp以及开关S3接地;所述控制单元根据输出波形指标要求(前沿、半宽、峰值)以及负载参数,通过控制各个放电开关、隔离开关、开关S3的状态并调节可调电阻模块,以配置脉冲源回路参数(电容、电感、电阻),产生所需的双指数脉冲电流。
上述的多组充电电容、多组功率电感,每一组可以是一个元器件,也可以是多个相同元器件的并联或串联。
进一步地,该装置还包括负载测量模块(如阻抗测试仪),用于测量负载参数并送入控制单元,控制单元根据负载参数控制所述脉冲源回路参数,从而在负载变化时保持输出波形不变。或者,当用户已知负载参数时,也可以由用户直接输入负载参数。
进一步地,针对确定的负载,控制单元根据输出波形指标要求(前沿、半宽、峰值),调整相应脉冲源回路参数,从而实现同一负载情况下不同指标的输出波形。
进一步地,陡化电容Cp以及各个放电开关、隔离开关、开关S3和可调电阻模块的器件选型,满足消除主回路集成化带来自感增加而导致的波形畸变。
进一步地,所述多组充电电容的电容量不同,所述多组功率电感的电感量不同。根据需要,可以单独选择导通一路电容、一路电感,还可以闭合若干组开关实现若干路并联电容、若干路并联电感导通。
进一步地,该装置还包括电容电压采集单元,用于采集各组充电电容的充电电压;控制单元根据所述充电电压调节高压电源的输出。
进一步地,该装置还包括程控终端、电流测量传感器和数字存储示波器,所述电流测量传感器用于检测负载端的输出电流信号,并转换为数字存储示波器能够识别的电压信号,由所述数字存储示波器显示、记录并上传至程控终端;程控终端的指令输出端与所述控制单元连接。
进一步地,所述程控终端与控制单元、程控终端与数字存储示波器、数字存储示波器与电流测量传感器之间的通讯均采用光纤隔离模块进行隔离。
进一步地,所述程控终端还设置有对应于高压电源接口的紧急停止开关,用于在紧急情况时切断高压电源。
进一步地,所述主放电回路置于高压机柜内,所述可调电阻模块采用可调公共电阻的形式置于高压机柜外部。
进一步地,所述放电开关为直流耐压20kV以上的真空高压开关,其自身结构电感约50nH。
本发明具有以下优点:
本发明的双指数波脉冲电流注入源采用一种新的电路拓扑结构及分级调整方式,即采用不同的电容和电阻构成放电回路,通过高压切换开关选择具体回路充电。并且,考虑到外界负载变化情况下仍需保证输出波形的参数,采用公共电阻的方式通过引出高压机柜外部,可避免产生较大回路电感的问题,极大提高了设备的灵活性。通过该电路拓扑结构,实现了双指数波形各参数可调(实现同一负载情况下不同指标要求的输出波形,同一输出波形指标要求下负载变化时保持输出波形不变),大大提升了输出脉冲大电流工作状态的灵活性。
本发明尤其适用于20kV及以上高压脉冲电流注入源,其中采用陡化电容以及低电感元器件(电阻、开关等)可消除主回路集成化带来自感增加而导致波形畸变的问题。
附图说明
图1为双指数脉冲波形(单个脉冲)的示意图。
图2为本发明一个实施例的各功能部分之间关系示意图。
图3为本发明一个实施例的具体拓扑结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例进一步详述本发明。
本发明提出一种多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,这里的参数主要是指双指数波脉冲电流的峰值、前沿和半宽。具体定义可参见图1:
峰值,即图中纵坐标100%的电流值;
前沿,即从10%峰值到90%峰值的时间;
半宽,即从波峰前的50%峰值到波峰后的50%峰值的时间。
该多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置的一个实施例的各功能部分之间关系如图2所示:
1)程控终端:用户可通过程控终端对控制单元下达指令,并获得数字存储示波器上传的数据,实现程控可调功能。具体可采用大屏幕显示器+工业控制计算机方案,可以完成所有控制功能和测量功能的检测、设置及动作,人机界面旁边放置“紧急停止单元”,遇到紧急情况(如充电电压显示错误、非正常放电)时,可通过按下“紧急停止开关”切断数控高压源电源。
2)控制单元:采用可编程控制器+数/模(模/数)单元的方式完成整个系统的逻辑和信号处理功能。
3)注入源主回路:注入源主回路基于RLC回路设计,可靠稳定且易于控制,不同电压等级采用不同的结构回路,注入源主回路的设计要求是:尽所有可能减小回路电感,结构尽量紧凑,结构设计需避免分布参数的影响,回路器件的选择以高耐压、极低电感、小尺寸为标准。对于高电压注入源回路,宜放置在高绝缘气体容器中。
4)数控高压电源:采用数字量控制的高频高压电源,体积小,安全性较高,由高压线直接输出至注入源主电路,为了防止脉冲电流对数控高压源的影响,可以增加特殊的隔离保护措施;另外,还相应配置电容电压采集单元:用于采集注入源主回路中各组充电电容的充电电压,控制单元根据所述充电电压调节高压电源的输出。
5)负载测量模块(如阻抗测试仪),用于测量负载参数并送入控制单元,控制单元根据负载参数控制注入源主电路中的回路参数(电容、电阻、电感),从而在负载变化时保持输出波形不变。
6)电流测量传感器:将注入源电流输出信号转换为示波器能够识别的电压信号。
7)数字存储示波器:接受电流测量传感器传来的信号并进行显示、记录,并上传至工业控制计算机。
本实施例的多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置的具体拓扑如图3所示:
主放电回路的高压正极输入端+HV、高压负极输入端-HV与高压电源相应的高压正、负输出端连接;主放电回路包括并联的五个充电电容C1~C5和并联的五个功率电感L1~L5,五个充电电容与五个功率电感整体上构成串联关系,每个充电电容和每个功率电感所在支路上分别单独设置有相应的放电开关S11~S15,S21~S25;每个充电电容与功率电感相接的一端还另分出单独的支路经相应的隔离开关S01~S05接至主放电回路的高压正极输入端,五个功率电感的另一端依次经可调电阻模块、负载后,与五个充电电容的另一端、以及主放电回路的高压负极输入端共同接地;五个功率电感与可调电阻模块之间的结点还引出一个支路,经陡化电容Cp以及开关S3接地。
主放电回路中的触发开关(包括隔离开关和放电开关),根据不同的电压等级采用不同的高压开关,要求放电间隙小(导通电感小),稳定可靠;其中放电开关为直流耐压高达20kV的真空高压开关,其自身结构电感约50nH。
回路电阻(可调电阻模块)在拓扑结构以及安装位置方面与主放电回路有明确的分割,采用了公共电阻的方式引出高压机柜外部,具体可采用电磁阀控制的机械转盘来实现电阻可调。
陡化电容Cp主要用于生成前沿小于10ns的脉冲波形,由于脉冲源集成了多组电路元件,其自身杂散电感较高,在生成快前沿波形时,需要接通陡化电容Cp
控制单元通过控制隔离开关S01~S05的通断来选择不同的充电电容,并同时控制放电开关S11~S15、S21~S25的通断,最终确定回路参数(电容、电阻、电感);主放电回路中,除了多组电容、电感、电阻、隔离开关、放电开关以及陡化电容Cp外,还包括回路自身杂散电感(L0、Lp)等。
程控终端与控制单元和数字存储示波器的通讯均采用光纤隔离模块进行隔离,一方面保证了测试人员的绝对安全(与注入源回路没有任何电联接),另一方面,数字存储示波器也处于完全隔离状态(采用独立UPS供电),保证了测量的准确性和安全性。程控终端与控制单元的光纤通讯采用“串口通讯光纤收发器”+“单模光纤”的方式,程控终端与数字存储示波器的通讯采用“RJ45网口光纤收发器”+“单模光纤”的方式,工业控制计算机直接通过IP地址访问示波器,也可采用“usb+光隔离模块”的方式进行通讯。
根据主放电回路的总电阻R、总电感L以及总电容C(含陡化电容Cp),脉冲电流i的时域函数可由下式表达,相应的前沿和半宽可从波形中获得:
Figure BDA0002488029960000041
双指数脉冲波形前沿时间、半峰值时间以及电流输出范围参数程控可调,具体参数如表1及表2所示。
表1:波形参数
Figure BDA0002488029960000051
表2:不同参数的双指数脉冲波(示波器数据)
Figure BDA0002488029960000052
Figure BDA0002488029960000061
注:示波器:Tektronix TDS3032B,带宽300M,采样率:2.5GS/s;电流传感器:PEARSON 6600;倍率:10:1。
本实施例还可结合常规的方波注入源电路以及震荡波注入源电路,构成多波形参数程控可调脉冲电流注入系统,不同波形脉冲注入源通过光纤连接,通过控制机柜接受远程控制计算机程控调节脉冲电流波形选取及参数调整。其中,双指数脉冲波形前沿时间、半峰值时间以及电流输出范围参数程控可调,衰减震荡波频率可调,方波脉宽可调。

Claims (7)

1.一种多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,其特征在于:包括高压电源、主放电回路、控制单元和负载测量模块;
所述高压电源的高压正、负极输出端分别与主放电回路充电电容正、负极输入端连接;所述主放电回路包括并联的多组充电电容和并联的多组功率电感,所述多组充电电容与所述多组功率电感整体上构成串联关系,每一组充电电容和每一组功率电感所在支路上分别单独设置有相应的放电开关;每一组充电电容与所述多组功率电感相接的一端还另分出单独的支路经相应的隔离开关接至主放电回路的高压正极输入端,所述多组功率电感的另一端依次经可调电阻模块、负载后,与所述多组充电电容的另一端、以及主放电回路的高压负极输入端共同接地;所述多组功率电感与可调电阻模块之间的结点还引出一个支路,经陡化电容Cp以及开关S3接地;所述控制单元根据输出波形指标要求以及负载参数,通过控制各个放电开关、隔离开关、开关S3的状态并调节可调电阻模块,以配置脉冲源回路参数,产生所需的双指数脉冲电流;
所述负载测量模块用于测量负载参数并送入控制单元,控制单元根据负载参数控制所述脉冲源回路参数,从而在负载变化时保持输出波形不变;
针对确定的负载,控制单元根据输出波形指标要求,调整相应脉冲源回路参数,从而实现同一负载情况下不同指标的输出波形。
2.根据权利要求1所述的多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,其特征在于:陡化电容Cp以及各个放电开关、隔离开关、开关S3和可调电阻模块的器件选型,满足消除主回路集成化带来自感增加而导致的波形畸变。
3.根据权利要求1所述的多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,其特征在于:所述多组充电电容的电容量不同,所述多组功率电感的电感量不同。
4.根据权利要求1所述的多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,其特征在于:还包括电容电压采集单元,用于采集各组充电电容的充电电压;控制单元根据所述充电电压调节高压电源的输出。
5.根据权利要求1所述的多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,其特征在于:还包括程控终端、电流测量传感器和数字存储示波器,所述电流测量传感器用于检测负载端的输出电流信号,并转换为数字存储示波器能够识别的电压信号,由所述数字存储示波器显示、记录并上传至程控终端;程控终端的指令输出端与所述控制单元连接。
6.根据权利要求5所述的多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,其特征在于:所述程控终端与控制单元、程控终端与数字存储示波器、数字存储示波器与电流测量传感器之间的通讯均采用光纤隔离模块进行隔离。
7.根据权利要求5所述的多参数程控可调的双指数波脉冲电流注入装置,其特征在于:所述程控终端还设置有对应于高压电源接口的紧急停止开关,用于在紧急情况时切断高压电源。
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