CN219302572U - 一种多路同步输出脉冲电流注入源 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于仪器仪表技术领域，公开了一种多路同步输出脉冲电流注入源，控制机箱通过通讯光纤与远程的控制计算机连接，所述控制机箱通过连接线路连接有数控高压源和触发开关，所述控制机箱、数控高压源和触发开关通过连接线路分别与注入源连接；所述注入源通过连接线路连接有电流测量传感器，所述电流测量传感器通过连接线路连接有数字存储示波器；所述注入源设置有多套，每套注入源分别连接有一个放电开关；单独的一套注入源外侧设置有一个独立机箱。本实用新型每套注入源主电路均配备一只开关，开关采用充气结构，目的是保证小结构，低电感，气体开关由高压电信号触发，开关的分散性需要极小。

Description

一种多路同步输出脉冲电流注入源

技术领域

本实用新型属于仪器仪表技术领域，尤其涉及一种多路同步输出脉冲电流注入源。

背景技术

目前，脉冲电流注入(PCI，PulsedCurrentInjection)技术发展源于对强电磁脉冲环境在电子系统及器件上效应的研究。强电磁脉冲环境，一般主要指高空核爆电磁脉冲(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。这些电磁环境为瞬态脉冲环境，电场强度高，脉冲上升沿快，持续时间短，产生的电磁频谱宽，瞬间辐射出去的能量大，作用范围也比较大。

强电磁脉冲环境对电子系统的作用，一般通过传导耦合、辐射耦合两种方式实现。电磁脉冲能量作用在电子系统上，在器件与电路中产生脉冲大电流与高电压，会引起工作状态干扰与功能损坏。破坏主要是针对半导体器件与集成电路芯片，干扰脉冲会引起存储器数据丢失，传输数据出错，设备功能紊乱，误触发，设备工作性能降低、重新启动，以及暂时停止工作等问题。能量太高时，产生功能损坏，包括部件或回路间的高压电击穿、半导体PN结或器件烧毁、氧化层介质击穿、集成电路烧毁，造成永久失效。

对电子系统、设备进行电磁脉冲敏感性研究的试验手段主要包括两类：辐射环境测试与电流注入测试。辐射环境测试，即利用模拟器与天线等在被测试设备周围产生与实际应用条件相类似电磁环境。这种方法的特点是：测试环境接近于真实情况，可以研究电子系统在电磁环境下的耦合、传导、泄漏等各种响应，对于飞机、车辆等大型设备也可以进行整体测试。难点在于对于不同的电磁环境标准，需要建造各种类型的模拟器，包括有界波电磁脉冲，辐射波电磁脉冲，自由场连续波辐照、微波暗室等；对于辐射环境要求很高，在测试区域电磁环境要达到很高的场强、且有好的一致性，技术难度会很大，主要以电场参数为指标，由于磁场分量不同的原因，与真实情况会有所不同，建立辐射环境以及进行实验的费用巨大。电流注入方式是用电流注入来替代辐射场照射，采用脉冲功率技术，模拟产生出与辐射环境感应电流等效的脉冲电流，将其注入到被测试设备上。电流注入技术用于电子系统与设备的电磁脉冲敏感性测试。其特点在于：1)对实验环境要求低，不需要大型的电磁场辐射模拟装置，试验简便实用，费用低；2)注入参数容易控制，重复性好，数据准确性高；3)技术上可以产生较高幅度的脉冲电流；4)较容易在被测试设备上注入幅度、波形满足要求的电流，降低了辐射环境下对信号源和模拟器的要求。因此，传导电流注入技术一直作为电磁环境中电子系统性能测试的重要手段。

单一的脉冲电流注入源已有现成产品，但随着这一方面研究的深入，对于注入源提出更高的要求，例如需要考核多路脉冲电流同时注入被测物，而这一方面各个科研机构并无相关设备，本实用新型就提供了一种全新的同步输出脉冲电流注入源。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的脉冲电流注入源无法将多路脉冲电流同时注入被测物，这就产生了两个问题：1.实际应用场合有可能数次强电磁干扰同时发生，多路脉冲同时注入被测物，这种情况现有设备无法满足测试条件；2.有可能真实的脉冲电流幅值非常大，但由于脉冲注入设备电压及电流的限制，单台设备无法做的太大(较大的体积会增加内部电感及分布参数，无法调制出正确波形)，对于较高的电流幅值，只能采用同步叠加的方式。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种多路同步输出脉冲电流注入源。

本实用新型是这样实现的，一种多路同步输出脉冲电流注入源设置有：

控制机箱；

所述控制机箱通过通讯光纤与远程的控制计算机连接，所述控制机箱通过连接线路连接有数控高压源和触发开关，所述控制机箱、数控高压源和触发开关通过连接线路分别与注入源连接；

所述注入源通过连接线路连接有电流测量传感器，所述电流测量传感器通过连接线路连接有数字存储示波器。

进一步，所述注入源设置有多套，每套注入源分别连接有一个放电开关。

进一步，单独的一套注入源外侧设置有一个独立机箱。

进一步，所述注入源设置有腔体和位于腔体内部的主电路，腔体和主电路为同轴结构，且腔体内部的绝缘材料均为小介电常数。

进一步，所述注入源的主电路为RLC放电回路，设置有相连接的主电容器、放电开关、电阻和电感。

进一步，所述放电开关采用场畸变气体开关，设置有主电极、触发电极与外围结构，主电极、触发电极与外围结构采用同轴结构。

进一步，所述场畸变气体开关的触发模块采用自主设计的同步触发模块。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本实用新型所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，多路脉冲电流同步的难点是场畸变气体开关的同步以及场畸变气体开关的分散性和一致性，描述如下：

本实用新型每套注入源主电路均配备一只开关，开关采用充气结构，目的是保证结构紧凑，低电感，气体开关由高压电脉冲信号触发，开关的分散性需要极小，且多路触发用高压脉冲信号必须做到同步，本实用新型专利通过设计特殊的脉冲变压器实现了多路触发信号的同步输出，设计良好的开关和触发系统保证了多路脉冲电流注入源的同步输出。

第二，本实用新型所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：首次提出多路脉冲电流注入的思路，并通过专门设计的分散性极小的高压场畸变开关和同步触发信号发生器实现了多路脉冲电路注入源的同步输出。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的多路同步输出脉冲电流注入源的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的单路脉冲电流注入源的原理框图；

图3是本实用新型实施例提供的注入源的主电路原理图；

图4是本实用新型实施例提供的注入源的内部结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的触发开关的结构原理图；

图6是本实用新型实施例提供的多路注入电路示意图；

图7是本实用新型实施例提供的单路注入源主电路的仿真电路示意图；

图8是本实用新型实施例提供的单路电流输出电流波形图；

图9是本实用新型实施例提供的开关理想化的并联输出仿真电路图；

图10是本实用新型实施例提供的图9电路的仿真输出波形图；

图11是本实用新型实施例提供的开关不同步触发时的并联输出电路图；

图12是本实用新型实施例提供的图11的输出波形图；

图中：1、控制机箱；2、数控高压源；3、同步触发器；4、单个注入源主体；5、被测物；6、控制计算机；7、腔体；8、主电容器；9、电阻；10、放电开关。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了使本领域技术人员充分了解本实用新型如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的多路同步输出脉冲电流注入源中的控制机箱1通过通讯光纤与远程的控制计算机6连接，所述控制机箱1通过连接线路连接有数控高压源2和触发开关3，所述控制机箱1、数控高压源2和触发开关3通过连接线路分别与注入源4连接；注入源4通过连接线路连接有电流测量传感器，所述电流测量传感器通过连接线路连接有数字存储示波器。

如图3和图4所示，本实用新型实施例中的注入源4设置有腔体7和位于腔体7内部的主电路，腔体7和主电路为同轴结构，且腔体7内部的绝缘材料均为小介电常数。所述注入源4的主电路为RLC放电回路，设置有相连接的主电容器8、放电开关10、电阻9和电感。

如图5所示，为放电开关的结构示意图，本实用新型实施例中的放电开关由于要满足低延时，高响应的要求，还具有工作电压范围大、寿命长、工作电压稳定性高等特性，只能采用应用于脉冲功率领域的场畸变气体开关，场畸变气体开关的主电极与触发电极采用黄铜材料，主电极、触发电极与外围结构采用同轴结构，可以减小电极电阻和电感对开关工作的影响，主电极间距小于3mm，在较高的SF6气压下，可满足DC120kV的耐压需求。

场畸变开关本身的特性完全满足三台注入源同步触发的要求，如果触发电路设计合理，开关导通时间可控制在ns量级，所以最重要的还是触发电路的设计，触发电路输出的电压和能量需要足够开关的导通，且必须保证多个开关同时导通。

触发电路的设计在电力电子领域多应用于电子开关的同步触发，即采用一个高压脉变压器，高压脉冲变压器有一个初级绕组，多个次级绕组，初级绕组匝数较少，次级绕组的匝数较多，可以把初级电压升到很高。

假设触发电路初级的脉冲电容器电压为15kV，电路中的高压开关动作后，电容即与开关和绕组形成放电回路，次级也会感应到电压，如匝数比为1:6，则每个次级绕组输出电压均为90kV(理想状态)，而且多个次级绕组输出脉冲应该是完全同步，脉冲变压器输出侧还加入了陡化间隙和陡化电容，目的是让输出脉冲前沿更快。

本实用新型的工作原理是：

1设计要求

1.1输出波形参数要求

表1：输出波形参数

1.2环境适应性要求

1)海拔高度：≤2500m；环境温度：－5℃～+40℃；

2)相对湿度：＜85％(20℃)，无凝露；

3)使用环境：室内，无火灾及爆炸危险；无电连接，均通过光纤隔离；

3)具备远程急停功能(紧急情况下切断注入源电源)；

4)具备完善的远程设备监控功能，操作人员能够在远程计算机实时监控注入源所有工作状态；

5)注入源无裸露高压部分，所有外壳均牢靠接地，不存在触电风险；

6)安装高压警示灯，注入源处于工作状态时警示灯闪亮。

1.4测试便利性要求

1)人机界面：采用远程计算机测控界面，可通过人机界面完成所有控制功能，具备“手动单次”及“自动测试”功能，具备控制单路输出及多路并行输出能力；

2)测试操作：被测品的连接方便快捷；

1.5可靠性及可维护性要求

1)高压充电单元、波形形成单元、开关单元、触发单元均采取模块化设计，方便维护更换；

2)所有控制器件均通过完善的电磁兼容考核。

1.6控制系统功能要求

1)控制方式：通过计算机+控制单元方式，计算机通过光纤隔离系统与控制单元进行数据交换；

2)控制单元：控制单元为独立的一个控制机箱，具备电源隔离及抗电磁干扰能力，控制单元可实现所有注入源的独立及并行输出控制；

3)控制界面：可采用笔记本电脑或者专用的工业控制计算机，控制界面可实现对于脉冲电流注入源的所有控制功能。

2.总体设计方案

在功能上，多路同步输出脉冲电流注入源由以下几个部分构成：

1)人机界面：采用大屏幕显示器+工业控制计算机(笔记本电脑或者一体化工业计算机)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，放置在一只专门定制的控制机箱内；

3)数控高压电源：采用模拟量控制，经特殊设计的高压电源，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，增加了特殊的隔离保护措施；

4)触发单元：采用脉冲放电+脉冲变压器的方式，通过脉冲变压器的耦合，在触发单元的输出端输出多路同步高压脉冲，用于触发多路注入源的内部开关；

6)注入源主电路：单独的一套注入源主电路采用一只独立机箱，根据要求可配备多只注入源主电路机箱，每一套主电路均可独立使用，路器件的选择以高耐压、极低电感、小尺寸为标准，回路所需的电容、电阻都要特殊定制，整套注入源主电路放置在高绝缘气体容器中；

7)主电路开关：每套注入源主电路均配备一只开关，开关采用充气结构，目的是保证小结构，低电感，气体开关由高压电信号触发，开关的分散性需要极小；

8)光纤隔离通讯：人机界面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。人机界面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，人机界面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；

9)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。

每一个注入源采用一个独立的机柜，事实上，也可以将三个注入源放入一个机柜，甚至放入一个腔体，即使这样，也能做到单独控制单独测试，但可能外观和体积会有所增大。

3.主电路设计

3.1单独的注入源主电路

主电路原理为一个典型的RLC放电回路，电容储能后，放电开关动作，电荷经由电阻、电感及外部负载流回电容器，形成一个指数波，波形的上升时间和半峰值时间取决于电容、电感和电阻的参数选择，幅值取决于以上参数确定以后电容器的充电电压。

对于快沿上升波形来说，影响上升时间和波形的最大因素就是回路电感和分布参数，极小的上升时间对于回路电感要求极高，如对最小的5ns来说，回路电感不能大于150nH，回路电感存在于电容器、电阻、回路连线、放电开关火花中，特殊定制的电阻和电容其自身电感也很难低于数十nH，而回路连线一般也会在数百nH，且放电开关产生的火花电感也较大，所以设计主电路的中心思想是减少电感，需特殊定制所有器件，结构也需非常紧凑。

另外一个重要影响波形参数的方面是回路中的分布参数，主要是无处不在的分布电容，既会影响上升时间，也会影响到前沿的波形，减少分布参数的影响需从结构上解决，且有时还需加入补偿去抵消影响，在设计主电路时，考虑采用同轴结构，且内部绝缘材料(固体及气体)均需保证小介电常数。如果采用同轴结构，主电路器件设想的内部结构如图4所示。

图4中内部器件与腔体形成一个同轴结构，放电开关采用了充入SF6气体的电触发开关。图7为图4结构的仿真电路示意，这种结构的内部电感大约在200uH左右，包括连线电感、电容电感、电阻电感、开关电感等。图8为图7电路的输出波形示意，可看到其满足标准的核电磁脉冲注入电路波形参数要求。

3.2同步输出的实现

如需要多个注入源同时输出，且同时作用在一个被测物上，其理想化的仿真电路如图9所示，就是三套注入源电路的简单并联输出，从图9可以看出，每个注入源内部的开关S的导通时间均设为从0开始，这样相当于3个开关同时导通，图9的输出波形如图10所示。

从图10看到的是两个波形，实际上幅值低的那个波形是3路波形的叠加，由于三个注入源完全相同且同步，其波形重合在一起，幅值高的是图7中流过被测品的电流波形，其形状与单独的脉冲电流源输出波形完全相同，幅值是单独电流源的3倍，即采用此方式，将幅值扩大了三倍。

但图9中的开关同步动作时一个理想状态，实际上不管采用何种开关都无法做到同步输出，即使采用专门设计的高气压电触发开关，其开关导通的分散性也至少在数个ns，如考虑开关的分散性，其电路如图11所示，图11中，开关S的导通时间做了一些调整，开关2和开关3分别比开关1延时4ns和6ns，其余参数完全相同，其输出波形如图12所示。

基于本实用新型专利的多路脉冲注入源测试设备已应用于国防科研领域。

本实用新型实施例解决了以下问题：1.多路核电磁脉冲同时作用于被测物时的相关效应研究；2.大幅值脉冲电流注入到被测物的相关效应研究。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多路同步输出脉冲电流注入源，其特征在于，设置有：

控制机箱；

所述控制机箱通过通讯光纤与远程的控制计算机连接，所述控制机箱通过连接线路连接有数控高压源和触发开关，所述控制机箱、数控高压源和触发开关通过连接线路分别与注入源连接；

所述注入源通过连接线路连接有电流测量传感器，所述电流测量传感器通过连接线路连接有数字存储示波器。

2.如权利要求1所述的多路同步输出脉冲电流注入源，其特征在于，所述注入源设置有多套，每套注入源分别连接有一个放电开关。

3.如权利要求2所述的多路同步输出脉冲电流注入源，其特征在于，单独的一套注入源外侧设置有一个独立机箱。

4.如权利要求1所述的多路同步输出脉冲电流注入源，其特征在于，所述注入源设置有腔体和位于腔体内部的主电路，腔体和主电路为同轴结构，且腔体内部的绝缘材料均为小介电常数。

5.如权利要求4所述的多路同步输出脉冲电流注入源，其特征在于，所述注入源的主电路为RLC放电回路，设置有相连接的主电容器、放电开关、电阻和电感。

6.如权利要求5所述的多路同步输出脉冲电流注入源，其特征在于，所述放电开关采用场畸变气体开关，设置有主电极、触发电极与外围结构，主电极、触发电极与外围结构采用同轴结构。

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