用电设备耐瞬态电压探讨

谭秀萍 刘鸿

如果用电设备在设计和生产中对瞬态电压未有足够重视并采取有效的解决措施，在实际应用中可能会导致用电设备无法正常工作，甚至损坏，进而影响到飞机的正常飞行和战斗力的提高。对于航空电源来说，由于工作状态的变化，瞬态电压的干扰对航空电源设备同样构成威胁。因此，有必要对电子设备的瞬态电压进行分析和探讨，并利用瞬态电压干扰的抑制措施来减少瞬态电压对电子设备的危害。

为了规范用电设备对瞬态电压的适应性，GJBl81—86中对用电设备耐瞬态电压作了明确规定。本文对电子设备中瞬态电压的产生机理和特点进行分析，并结合笔者在多项用电设备抗瞬态电压干扰特性的试验中的经验，为提高用电设备的可靠性，对瞬态电压的抑制措施进行了探讨，以期减小瞬态电压对用电设备的危害。

1瞬态和瞬态电压的产生

1.1瞬态的概念

稳态：供电系统正常的，供电负载是固定的工作状态，在这一工作状态下，系统特性除发生应有的变化外不发生明显的变动。

瞬态：由于工作状态的变化，系统特性发生变动时的状态，瞬态特性往往越出稳态范围并在规定的时间范围内恢复到稳态范围之内。

2瞬态电压的产生

例如在供电系统中进行突加、突卸负载等操作，这些工作状态的变化将使相应汇流条上电压瞬间发生较大变化。随即又进入稳态，这种发生了较大变化的电压即为瞬态电压。瞬态电压一般分为电压浪涌和电压尖峰。

2.1电压浪涌

电压浪涌是飞机电源系统自身调节和校正时引起的电压偏离稳态值的变化，通常电压浪涌持续时间较长(数十毫秒)，电压幅值较小(几伏至几十伏)。电压浪涌包括欠压浪涌和过压浪涌两种。欠压浪涌是指电压瞬间小于稳态值再进入新的稳态，过压浪涌则是电压瞬间大于稳态值再进入新的稳态。

2.2电压尖峰

电压尖峰是电源特性偏离了稳态电压和电压浪涌，在极短的时间内到达峰值。电压尖峰持续时间很短(微秒级)，电压幅值较大(数百伏甚至更高)。

3耐瞬态电压的试验

耐瞬态电压试验是模拟实际的瞬态，利用电压发生器给被试设备施加尖峰电压和过、欠压浪涌，考核被试设备耐瞬态电压的能力。

3.1耐尖峰电压

对采用交，直流系统供电的电子设备，按照1，图的接线进行耐尖峰电压试验，在imin内承受正、负极性尖峰電压各50次，其中尖峰电压发生器性能为(如图1)。

(1)开路电压波形如图2所示。

(2)内阻抗为(50+5)Ω。

进行耐尖峰电压试验的电子设备不应发生任何故障。

3.2耐电压浪涌

对采用交、直流系统供电电子设备，按图3，的接线进行耐过压浪涌和欠压浪涌试验。

(1)耐过压浪涌。

用电设备应经受五次过压浪涌，两次过压浪涌之间的时间间隔为1min。每次过压浪涌方法为：首先电子设备在正常稳态电压下供电，然后使其输入电压增加到下列电压，最后输入电压恢复到正常稳态电压。

交流用电设备：有效值为180V，持续lOOms。

直流用电设备：80V，持续50ms。

过压浪涌后，被试电子设备不应发生故障。

(2)耐欠压浪涌。

用电设备应经受五次欠压浪涌，两次欠压浪涌之间的时间间隔为1min，每次欠压浪涌试验方法为：首先用电设备在正常稳态电压下供电，然后使其输入电压，降低到下列电压，最后输入电压恢复到正常稳态电压。

交流用电设备：有效值为70V，持续50ms。

直流用电设备：SV，持续50ms。

欠压浪涌时，被试电子设备应不中断工作。

4瞬态电压影响的抑制

从系统的角度来看，飞机电源特性是供电系统与用电设备相互作用的结果，瞬态电压影响的抑制也应该从供电系统与用电设备两方面采取措施。

4.1供电系统设计的优化

(1)改进GCU等设备的控制性能和调节时间，提高电源系统自身调节电压的动态品质。尽管随着电子技术的快速发展，以及先进控制理论的运用，发电机控制器的控制性能有了很大的提高，但如何尽可能缩短控制器的调节时间，以及提高控制器调节的稳定性仍然是相关厂家积极探索的课题。

(2)对二次配电系统进行设计时，应尽可能避免频繁通断大功率用电设备与对电压变化敏感的小功率用电设备置于同一供电通道或同一级汇流条。降低这类用电设备输入电源出现较大瞬变的可能性。

(3)对一些关键设备进行不间断供电设计。随着多电飞机(或垒电飞机)概念的提出，多余度不间断供电设计越来越多地应用到先进飞机供电系统中。

(4)足够大的电源系统容量有利于减小通断负载引起的瞬态电压。实际上这也是并联供电系统的一大优点，并联供电相当于增加了单通道的电源容量，有利于改善电源的供电品质。

4.2用电设备设计的完善

在机上实际应用中，对瞬态电压敏感的用电设备多为小功率用电设备，或较大功率用电设备的一部分元件。尽管通过供电系统的设计优化可以消弱瞬态电压产生的不利影响，但谁也不能使机上电源始终处于稳态极限范围内。因此在有关用电设备的电源端采取一定措施以提高其瞬态电压性能是非常必要的。

(1)在直流用电设备电源输入端使用滤波器模块、DC／DC电源模块，(如图4)不少DC／DC模块在短时间内都有较宽输入电源变化范围，有些甚至可以达到直流输入电压为80V时仍能短时间内正常工作，因此优良的电源模块对提高直流用电设备耐瞬态电压性能有重要意义。

(2)在电源输入端增加阻容滤波环节(如图5)，这是一种相对廉价但又十分有效的方法。虽然电压尖峰幅值较大，但其持续时间很短、能量很小，一般采用阻容滤波的方式就足以消除其对用电设备的影响；电容c的选取一耐欠压浪涌为准，电阻R的选取主要是考虑耐过压浪涌时的分压，因此R、C的值应综合考虑过欠压浪涌的影响和用电设备的负载电流大小来确定。

(3)瞬态电压抑制器。

瞬态电压抑制器是普通使用的一种新型高效的电路保护器，一般称为TVS。用来吸收电子设备电源进线上的尖峰脉冲。TVS实际上是一种特殊稳压二极管。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个瞬间大电流，从而把它两端的电压钳制在一个预定的的数值上，保护了后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

(4)上述方法的结合使用。

5结语

从上述分析可以看出，瞬态电压在机上电网中是经常存在的，尤其对用电设备中含有敏感元器件的影响非常严重，特别是高能瞬态脉冲对电子设备中的有源装备威胁更大。为了保障用电设备和飞机飞行安全，降低瞬态电压对用电设备之危害，必须在供电系统和用电设备设计之初就要考虑可能遇到的瞬态电压影响，并进行有效的预防和抑制，防止电子设备在使用过程中由于瞬态电压造成的产品损坏。