CN200982998Y

CN200982998Y - 一种冲激电流发生器

Info

Publication number: CN200982998Y
Application number: CN 200620126249
Authority: CN
Inventors: 张南法; 张敏; 张梅
Original assignee: CHANGZHOU CHUANGJIE LIGHTNING PROTECTION Co Ltd
Current assignee: CHANGZHOU CHUANGJIE LIGHTNING PROTECTION Co Ltd
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2016-10-27

Abstract

本实用新型涉及一种冲激电流发生器，尤其是一种输出电流仅由电感泄能形成的高峰值长持续时间冲激电流发生器，它主要用于模拟雷电直接效应或其他类似高能电流效应的试验。发生器由充电电源的正、负极连接储能电容器的两端，波形电感与储能电容器并联，电容放电开关串接在储能电容器和波形电感形成的回路上，电流控制器件串接在波形电感与被测试物形成的回路上，所述的电流控制器件为续流二极管、空气放电间隙、晶闸管和氢闸管中的一种，本实用新型具有：1)提高储能电容，降低充电电压；2)使用大电感量与高等效电阻被测试物匹配；3)输出电流波波形质量高；4)制造成本和维护费用低；5)安全性好。

Description

一种冲激电流发生器

技术领域

本实用新型涉及一种冲激电流发生器，尤其是一种输出电流仅由电感泄能形成的高峰值长持续时间冲激电流发生器，它主要用于模拟雷电直接效应或其他类似高能电流效应的试验。

背景技术

随着人类社会的日趋信息化，信息技术产品快速渗透到国民经济、国防安全和人民生活的各个方面，在用产品的数量快速增加。

现代信息技术产品的基础是集成电路芯片，在芯片集成度越来越高，功能越来越强大的同时，它内部的线条和线条的间距却越来越细微，结果导致它耐受浪涌电流/电压的能力越来越低，对电冲激更加敏感。因此由于浪涌电流/电压导致的损坏事件也呈快速上升的趋势。而信息和网络产品是现代社会的大脑和神经，它们的故障所带来的经济，政治，或军事损失往往很大。这一客观形势推动了防雷和防过电压技术和产品的迅速发展，在这个技术领域中模拟雷电直接效应的冲激电流发生器占有重要地位。

依据技术标准GB18802.1/IEC61643-1/的规定，模拟雷电直接效应的冲激电流发生器的输出电流应符合以下要求：峰值Ip为规定值的±10％，峰点时间t_f≤50μS，电荷量Q＝0.5I_p(AS)，(Ip-kA)，比能W/R＝0.25I_p ²(KJ/Ω)，(Ip-kA)，目前都用峰点时间t_f≤50μS，半峰值时间大体为350μS的指数下降电流波作为这样的冲激电流。产生这种冲激电流的波形电路，以前都采用所谓“Crowbar电路”见附图1的电路原理图和附图2的Crowbar电路工作波形图。

Crowbar电路的工作过程是这样的：首先给储能电容C充电，在t_o时刻使球隙G1点火导通，电容C通过电感L₁，L₂的放电电流同时流过试样DUT，这个电流从0开始上升，电容C的电场能量转变为电感的磁场能量。L₂是主电感，L₁用来校正波形，它远小于L₂。当电容C放电时，L₂两端电压为A(+)，B(-)。在t₁时刻，电容C的电荷全部放完，C上的电压降到0，于是电感产生反电势，L₂上的电压变为A(-)，B(+)，这个电压推动电流继续流动，电感的磁场能量开始泄放。就在这时，使球隙G2点火导通，G2将电容C短路(故名Crowbar)，这样L₂-DUT构成一个简单的“电感-电阻”泄放电路，放电过程取决于时间常数(L₂/r)(这个r是指包括DUT等效电阻在内的电感泄能回路电阻)。从上面的分析可以看出，电场能量转变为磁场能量过程中的电流，就是DUT电流的波前时间。

Crowbar电路有两个主要缺点：第一，它只适用于导通时等效阻抗很低的气体放电管和空气间隙等元器件，当被试负载为压敏电阻器时，因其导通时等效阻抗高，输出电流波形严重偏离规定值；第二，它的工作电压很高，例如当输出10/350-100kA时要求充电电压100kV，球隙G1触发回路200kV，球隙G2为300kV。

下面举一例说明用Crowbar电路试验压敏电阻器时所面临的困难：例1，被试负载为压敏电阻器，要求电流峰值Ip＝20kA，在试验电流下被试压敏电阻器的等效阻抗约0.3Ω。采用附图1的Crowbar电路：(1)，计算电感L2

电感L2经被试负载的泄放电流

i (t) = I_{P} \cdot \exp (- t \frac{r}{L})

估算电流i(t)回路中的电阻r，它是被试物等效电阻(约0.3Ω)，电感L2的电阻(假定为0.02Ω)，以及间隙G2的等效电阻，连接线电阻和接点电阻等的总和，这里假定r＝0.35Ω。因为电流的半峰值时间约为350μS，即t＝350μS时i(t)＝0.5Ip。

将这些数据代入

i (t) = I_{P} \cdot \exp (- t \frac{r}{L})

式可得L₂＝177μH。

(2)，计算储能电容C

因为峰点时间

t_{f} = 1.57 \sqrt{(L_{1} + L_{2}) C}

电容量C＝0.41t_f ²/(L₁+L₂)

若取(L₁+L₂)＝190μH，且t_f＝50μS，代入C＝0.41t_f ²/(L₁+L₂)式，可得C＝5.4μF

(3)，计算充电电压Uo

Uo = I_{p} \cdot \sqrt{L / C}

将Ip＝20kA，L＝190μH，C＝5.4μF代入

Uo = I_{p} \cdot \sqrt{L / C}

式，可得Uo＝118kV.这个电压比起以Ip＝100KA电流试验气体放电器件时的充电电压(100kV)还高。这样高的电压，一般试验室是难以实现的。

上述例子告诉我们，在Crowbar电路中，由于电感量是由被试物的等效电阻决定的，设计者没有选择的余地，而电容量又受到峰点时间t_f的制约，不能选用较大的数值，因而L-C回路的特性阻抗

数值高，迫使我们不得不用高充电电压，特别是当被试物是压敏电阻器等高等效电阻元件时，充电电压高到一般试验室难以接受的程度。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有Crowbar冲激电流发生器只能试验气体放电管和空气间隙等电压开关特性元器件，不能以大放电电流试验压敏电阻器等电压钳位特性元器件，以及工作电压太高，难以在一般企业试验室实施等缺点，提供一种能方便地与各种电压钳位特性元器件相匹配的长持续时间冲激电流发生器，同时将这种发生器的工作电压降低到一般企业试验室易于实施的程度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种一种冲激电流发生器，用于对被测试物形成一冲激电流，包括有充电电源、储能电容器、电容放电开关、波形电感和电流控制器件，充电电源的正、负极连接储能电容器的两端，波形电感与储能电容器并联，电容放电开关串接在储能电容器和波形电感形成的回路上，电流控制器件串接在波形电感与被测试物形成的回路上。

进一步说：1)所述的电流控制器件为续流二极管，或者是空气放电间隙、晶闸管和氢闸管中的一种；当电流控制器件为空气放电间隙、晶闸管和氢闸管中的一种时、使所述电流控制器件触发导通的触发电路的启动信号，为电容放电的延时信号或波形电感的反电势。2)所述的电容放电开关为空气放电间隙、晶闸管、氢闸管、接触器和继电器中的一种。

下面对本技术方案的原理作进一步说明，其工作过程是首先由充电电源对储能电容器充电，将能量存入储能电容器；然后接通电容放电开关，储能电容器向波形电感放电，电容器的电场能量变成电感的磁场能量；再由波形电感向被试物或包含被试物的网路放电。由于电流控制器件的控制作用，储能电容器的放电电流不能进入被测试物，被测试物的电流只是波形电感的泄能电流。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种冲激电流发生器的突出优点是：由于被试物中的电流不包括储能电容器的放电电流，因而该电流的峰点时间不受电容器电容量的制约，故可以使用大的电容量和低的充电电压。充电电压的降低不仅大大降低了生产成本和维护费用，提高了操作安全性，而且由于降低了放电时的电压变化速率(dv/dt)，避免了输出电流波上的寄生振荡，改善了波形质量。进一步可概括为如下五个方面的效果，1)储能电容器的电容量可以提高10倍左右，这样在所储能量的焦耳数相同的条件下，充电电压就可以降低到1/3以下

(1 / \sqrt{10} = 0.32);

2)可以使用大电感量来与高等效电阻被试物匹配，解决了Crowbar电路难以试验高等效电阻被试物的问题；3)储能电容器开始放电时刻的电压变化速度(du/dt)低，输出电流波上没有寄生振荡，波形质量高；4)制造成本和日常运行维护费用低；5)安全性好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是现有Crowbar电路原理图。

图2是Crowbar电路工作波形图。

图3是本实用新型的电路原理图。

图4是本实用新型的电路工作波形图。

图5是本实用新型的具体实施例一的电路原理图。

图6是本实用新型的具体实施例二的电路原理图。

具体实施方式

下面对照附图3的原理框图和附图4的工作波形图对本实用新型作具体说明，首先由直流充电电源给储能电容C充电到电压Uo，(假定极性为上正下负)，Uo的数值是依据被试物DUT的阻抗和所要求的电流峰值来确定的。

在t_o时刻接通开关K，电容C向波形电感L放电，由于电流控制器件KI的阻隔作用，C的放电电流不能进入DUT，在此过程中电流i_L从0开始上升，电压u_L(极性为上正下负)从Uo开始下降。在t₁时刻，电容C上储存的电荷全部放完，u_c＝u_L＝0，i_c＝i_L＝Ip，即电流达到最大值。

在t₁时刻电感L产生反电势，u_L反向(极性为上负下正)，电感给电容器反充电，此时电流控制器件KI对电感L的泄放电流是短路的，由于DUT和KI的阻抗远小于电容C的阻抗，因而电感的泄能电流i_L大体上就是i_DUT，而电压u_L则由被试物DUT的阻抗特性所决定，这一过程一直进行到电感L的泄放电流i_L小于KI的维持电流时才终止。附图4中的工作波形图表示的是DUT为钳位特性元件的情况。

从附图3和4的电路图和i_DUT波形图可以看出，由于i_DUT只是电感的泄能电流，它的上升前沿主要由电感L的分布电容和被试物DUT的输入电容量所决定，不受储能电容C的制约，因而可以使用大的电容量C，低的工作电压。

下面再介绍两种具体实施方法：

实施例1

附图5是本实用新型的一个实施例，在本例中电流控制器件KI是续流二极管D，图中DUT是被试物，L是波形电感，C为储能电容器，K是储能电容器的放电开关，充电电源为任意形式的直流可调电源。工作时先由充电电源给C充上要求的电压Uo，然后按动启动按键AN，通过控制电路KZ使开关K1接通，，电容C向电感L放电，待C上所储电荷放完后，电感L产生反电势时，推动一个电流流过被试物DUT和续流二极管D，该电流的波形由电感L和DUT的阻抗特性所决定。

实施例2

附图6是本实用新型的另一个实施例，在本例中电流控制器件KI是触发球隙G2，电容放电开关是触发球隙G1。按动启动按键AN，触发电路Tr1输出一个点火脉冲给G1，于是G1击穿导通，电容C向电感L放电，待C上所储电荷放完后，电感L产生反电势，这个反电势使触发电路Tr2输出一个点火脉冲给G2，于是G2击穿导通，电感L推动一个电流流过被试物DUT和球隙G2，形成要求的电流波。图中的二极管D阻隔电容C的放电电压进入Tr2。

Claims

1、一种冲激电流发生器，用于对被测试物形成一冲激电流，其特征是，包括有充电电源、储能电容器、电容放电开关、波形电感和电流控制器件，充电电源的正、负极连接储能电容器的两端，波形电感与储能电容器并联，电容放电开关串接在储能电容器和波形电感形成的回路上，电流控制器件串接在波形电感与被测试物形成的回路上。

2、根据权利要求1所述的一种冲激电流发生器，其特征是：所述的电流控制器件为续流二极管。

3、根据权利要求1所述的一种冲激电流发生器，其特征是：所述的电流控制器件为空气放电间隙、晶闸管和氢闸管中的一种，使所述电流控制器件触发导通的触发电路的启动信号，为电容放电的延时信号或波形电感的反电势。

4、根据权利要求1所述的一种冲激电流发生器，其特征是：所述的电容放电开关为空气放电间隙、晶闸管、氢闸管、接触器和继电器中的一种。