CN113049906A - 一种用于感性耦合装置性能参数的评价方法 - Google Patents

Abstract

一种用于感性耦合装置性能参数的评价方法，本发明通过评价感性耦合装置的散射参数S₂₁和耦合效率η，在低频段，耦合装置的效率主要由在磁芯的初始磁导率下初级回路自电感决定；在中频段较为平坦，可以用于定义频带范围；在高频带，效率主要受绕组杂散参数和磁芯高频下迅速衰减的磁导率影响，本发明应用于非饱和状态下的感性耦合装置性能参数的评价，在计算后应根据伏秒积公式验证耦合装置磁芯是否饱和等，适合大范围的推广和应用。

Description

一种用于感性耦合装置性能参数的评价方法

技术领域

本发明涉及一种用于感性耦合装置性能参数的评价方法，具体涉及一 种用于脉冲电流注入试验系统中感性耦合装置性能参数的评价方法。

背景技术

已知的，在脉冲电流注入试验系统中，电流注入耦合模型是系统中非 常重要的一部分，脉冲源输出的电流需要通过耦合装置进入被测试设备的 线缆上。但是GJB8848规范中并未对耦合模型的方案提出具体要求等，那 么如何提供一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型就成了本领 域技术人员的长期技术诉求，而在感性耦合模型中用于感性耦合装置性能 参数的评价方法是其中的重点，以满足PCI注入试验的需求等。

发明内容

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于感性耦合装置 性能参数的评价方法，本发明能较好的对感性耦合装置性能参数进行评 价，满足本领域技术人员的使用需求等。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于感性耦合装置性能参数的评价方法，所述评价方法具体包括 如下步骤：

第一步、评价散射参数S₂₁：

首先感性耦合装置的三端口网络模型中三个端口依次为感性耦合装 置的脉冲馈入端口和两个注入回路端口，对于感性耦合装置的三端口网络 模型，散射矩阵表示为：

上述散射矩阵考虑三端口模型的互易性(S12＝S21，S13＝S31，S23 ＝S32)和对称性(S22＝S33)，以及在耦合过程中端口2和端口3的电动 势关系(S12＝-S13)，耦合装置的链参数矩阵为：

由三端口模型的端口特性关系可知I₂＝-I₃，Z₂＝Z₃，其中Z₂、Z₃为端 口2和端口3的端口阻抗，三端口模型能够完整地反映注入耦合过程和三 个端口间的散射关系，其中散射系数S₂₁能够用于衡量耦合装置将入射脉冲 耦合到端口2的能力；

第二步、评价耦合效率η：

耦合效率η即有无耦合装置前后耦合到注入回路的功率之比，用于衡 量耦合装置的效率，P_C为有耦合装置时耦合装置耦合到注入回路的总功 率，P_0C为无耦合装置时注入回路总功率：

根据链参数矩阵表达形式，当注入回路阻抗为Z_L时，耦合装置的输入 阻抗表示为：

若V_RF为源电动势，R_S为源阻抗，则有无耦合装置时注入回路的总功率 表示为：

耦合效率则为：

在电容放电型脉冲源中，V_RF为电容初始电压，可知源阻抗为：

在上述的物理量中，耦合效率受到激励脉冲源阻抗的影响，无法剥离 脉冲源而对耦合装置进行单独评价。

所述的用于感性耦合装置性能参数的评价方法，所述散射参数需知道 被注入线缆的尺寸。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明通过评价感性耦合装置的散射参数S₂₁和耦合效率η，在低频 段，耦合装置的效率主要由在磁芯的初始磁导率下初级回路自电感决定； 在中频段较为平坦，可以用于定义频带范围；在高频带，效率主要受绕组 杂散参数和磁芯高频下迅速衰减的磁导率影响，本发明应用于非饱和状态 下的感性耦合装置性能参数的评价，在计算后应根据伏秒积公式验证耦合 装置磁芯是否饱和等，适合大范围的推广和应用。

附图说明

图1为本发明中感性耦合装置的三端口网络模型；

图2为本发明实施例中某典型的商用感性耦合装置的频域参数；

图3为本发明实施例中某典型的商用感性耦合装置的另一频域参数；

图4为本发明实施例中负载上的注入电流；

图5为本发明实施例中S₂₁参数；

图6为本发明实施例中耦合效率；

图7为本发明实施例中负载上注入电流对比；

图8为本发明实施例中初级绕组电压对比；

图9为本发明实施例中负载注入电流时域波形；

图10为本发明实施例中耦合装置S₂₁散射参数；

图11为本发明实施例中耦合装置的计算效率；

图12为本发明实施例中2.5kA脉冲源通过感性耦合装置注入电流波 形；

图13为本发明实施例中2.5kA脉冲源通过感性耦合装置注入电流实 测波形和仿真波形对比。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面 的实施例；

本发明所述的一种用于感性耦合装置性能参数的评价方法，所述评价 方法具体包括如下步骤：

第一步、评价散射参数S₂₁：

首先感性耦合装置的三端口网络模型如图1所示，三个端口依次为感 性耦合装置的脉冲馈入端口和两个注入回路端口，对于感性耦合装置的三 端口网络模型，散射矩阵表示为：

上述散射矩阵考虑三端口模型的互易性(S12＝S21，S13＝S31，S23 ＝S32)和对称性(S22＝S33)，以及在耦合过程中端口2和端口3的电动 势关系(S12＝-S13)，耦合装置的链参数矩阵为：

由三端口模型的端口特性关系可知I₂＝-I₃，Z₂＝Z₃，其中Z₂、Z₃为端 口2和端口3的端口阻抗，三端口模型能够完整地反映注入耦合过程和三 个端口间的散射关系，其中散射系数S₂₁能够用于衡量耦合装置将入射脉冲 耦合到端口2的能力；

第二步、评价耦合效率η：

耦合效率η即有无耦合装置前后耦合到注入回路的功率之比，用于衡 量耦合装置的效率，P_C为有耦合装置时耦合装置耦合到注入回路的总功 率，P_0C为无耦合装置时注入回路总功率：

根据链参数矩阵表达形式，当注入回路阻抗为Z_L时，耦合装置的输入 阻抗表示为：

若V_RF为源电动势，R_S为源阻抗，则有无耦合装置时注入回路的总功率 表示为：

耦合效率则为：

在电容放电型脉冲源中，V_RF为电容初始电压，可知源阻抗为：

在上述的物理量中，耦合效率受到激励脉冲源阻抗的影响，无法剥离 脉冲源而对耦合装置进行单独评价。所述散射参数需知道被注入线缆的尺 寸。

本发明中感性耦合装置在设计时，感性耦合装置的频带宽度由散射参 数S₂₁衡量，一般地，感性耦合装置的频域参数如图2、图3所示。在低频段， 耦合装置的效率主要由在磁芯的初始磁导率下初级回路自电感

决定； 在中频段较为平坦，可以用于定义频带范围；在高频带，效率主要受绕组 杂散参数和磁芯高频下迅速衰减的磁导率影响。为满足工作频带上限20 MHz的指标要求，应选择相对磁导率较高的磁性材料(如锰锌铁氧体或镍 锌铁氧体)，在绕制绕组时应紧贴磁芯，减小杂散参数对耦合装置高频响 应的影响。该感性耦合装置的长度确定为750mm，通过计算研究磁芯材料、 磁芯匝数等对耦合波形的影响。

选取磁芯材料：

分别选择锰锌铁氧体和镍锌铁氧体材料，注入脉冲波形为2.5kA下脉 冲源输出的标准波形，对耦合装置在负载上的注入电流及频域参数进行了 计算，绕组匝数选为1匝，负载Z_L1和Z_L2均为10Ω，施加电压为150kV，计 算结果如图4、图5、图6所示；

由图4、图5、图6可知，锰锌铁氧体耦合装置在低频段的耦合效率更 高，但在高频段不及镍锌铁氧体，在时域波形上，锰锌材料的脉宽更宽， 但镍锌材料的峰值稍高，另一方面，锰锌材料的可用磁感应强度更高，抗 饱和能力较强，综合考虑本发明所要求的频带范围峰值电流等参数，本耦 合装置主要采用锰锌铁氧体材料来设计。

磁芯匝数选取：

感性耦合装置的磁芯有效截面积、匝数、磁性材料有效磁感应强度等 决定了饱和时伏秒积达到的上限，而实际伏秒积主要受注入回路负载、耦 合装置耦合效率决定，使用锰锌铁氧体材料，分别计算了匝数为2匝和1 匝时感性耦合装置注入到负载的注入电流，负载Z_L1和Z_L2均为10Ω。施加 电压为150kV。

由图7可知，对于不同匝数的绕组，时域波形上主要体现在耦合脉冲 的脉宽差别，注入到负载上的峰值电流差别不大，这是因为注入回路负载 等效到初级绕组回路的阻抗差异。由图8可知，匝数2的耦合装置其初级绕 组伏秒积比匝数1的耦合装置大得多，此时该装置显然更容易饱和。这是 因为注入回路负载与初级回路的等效电阻之比为(N₂/N₁)²，故匝数为2时绕 组上的分压更大，而伏秒积的上限与N₁为正比例函数关系，因此在不改变 磁芯尺寸或材料的情况下，提高绕组匝数会削弱抗饱和能力。综上，该耦 合装置的匝数选为1匝。

规格参数和仿真计算结果：

通过以上分析研究，实际采用锰锌154mm×90mm×45mm的磁环，总 长度为665mm(15片)，匝数为1匝，内径满足指标中的尺寸要求。在150 kV/2.5kA脉冲源注入下，负载为1Ω(模拟短路情况下)，对负载上的 短路注入电流进行计算，结果如图9所示。此时负载上的峰值电流为2.15 kA，脉宽665ns，前沿49.5ns，饱和系数为0.75。

对该耦合装置的S₂₁参数和耦合效率进行计算，结果如图10、图11所示， 结果表明：散射参数的3dB频带范围为140kHz–45MHz，可满足电磁脉冲 的工作频带要求。

本发明在实际设计时，将感性耦合装置采用一体式设计的思路，此时 该耦合器的磁环为完整圆环，其优势在于不需要切割磁芯，也不存在对齐 切面，且利于安装和固定，在磁环外包裹尼龙外壳，最外端衬以金属外壳 以保证强度。绕组及高压脉冲线均采用高压线(线径1mm²，150kV直流 耐压)，考虑到入口处的绝缘，绕组和高压脉冲线为同一根连续的高压线， 除脉冲源接口外无高压外露。高压脉冲线为两根硅胶线并列排放，保持特 性阻抗一致，在耦合器入口处采用防水接头固定。耦合器的两端使用尼龙 件固定绕组，防止前后滑动，中间通过一个线槽对绕组进行固定。

感性耦合装置外尺寸为750mm×185mm×185mm；磁芯内直径90mm， 其中可用内径超过75mm，可以容纳超过5根被注入线缆的注入测试。外壳 经过灰色喷塑处理。感性耦合装置输入为两根高压线缆，其中红色线缆连 接至脉冲源的高压输出，黑色线缆接地。

将感性耦合装置连接至脉冲电流源，脉冲电流源输出峰值为2.5kA的 脉冲电流，对一根两边接地的线缆进行注入，测试线缆上被注入电流，测 试波形如图12所示。

为研究实际感性耦合装置的散射参数，将测试波形与仿真结果进行对 比，如图13所示。

由图12测试结果可知，在脉冲源输出峰值2.5kA的短路电流时，感性 耦合装置可以向电缆线上耦合峰值2.03kA、前沿50ns、脉宽660ns的脉 冲电流，无饱和现象和绝缘问题。由图13可知，仿真波形与实测波形吻合 度较高，仅在幅度上由于杂散参数等损耗产生了一定损失，说明仿真模型 与实测情况基本相符。由此可知，该感性耦合装置的3dB频带范围为140 kHz-45 MHz，满足了对注入脉冲波形的频带范围。

查询Montena公司的感性耦合装置产品，可知其3dB频带范围为500 kHz-30 MHz，经过对比可知本发明研制的装置在频带范围核心指标上超过 了Montena公司的产品。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适 宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内 的实施例的所有变化和改进。

Claims (2)

1.一种用于感性耦合装置性能参数的评价方法，其特征是：所述评价方法具体包括如下步骤：

第一步、评价散射参数S₂₁：

首先感性耦合装置的三端口网络模型中三个端口依次为感性耦合装置的脉冲馈入端口和两个注入回路端口，对于感性耦合装置的三端口网络模型，散射矩阵表示为：

上述散射矩阵考虑三端口模型的互易性(S12＝S21，S13＝S31，S23＝S32)和对称性(S22＝S33)，以及在耦合过程中端口2和端口3的电动势关系(S12＝-S13)，耦合装置的链参数矩阵为：

由三端口模型的端口特性关系可知I₂＝-I₃，Z₂＝Z₃，其中Z₂、Z₃为端口2和端口3的端口阻抗，三端口模型能够完整地反映注入耦合过程和三个端口间的散射关系，其中散射系数S₂₁能够用于衡量耦合装置将入射脉冲耦合到端口2的能力；

第二步、评价耦合效率η：

耦合效率η即有无耦合装置前后耦合到注入回路的功率之比，用于衡量耦合装置的效率，P_C为有耦合装置时耦合装置耦合到注入回路的总功率，P_0C为无耦合装置时注入回路总功率：

根据链参数矩阵表达形式，当注入回路阻抗为Z_L时，耦合装置的输入阻抗表示为：

若V_RF为源电动势，R_S为源阻抗，则有无耦合装置时注入回路的总功率表示为：

耦合效率则为：

在电容放电型脉冲源中，V_RF为电容初始电压，可知源阻抗为：

在上述的物理量中，耦合效率受到激励脉冲源阻抗的影响，无法剥离脉冲源而对耦合装置进行单独评价。

2.根据权利要求1所述的用于感性耦合装置性能参数的评价方法，其特征是：所述散射参数需知道被注入线缆的尺寸。

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