方波冲击电流发生器的仿真与设计

欧阳宏志，杨文军，尹相辉

(南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001)

冲击电流发生器是高电压技术应用的重要设备之一.标准的冲击电流分为2类，一类为指数型，另一类为方波.方波冲击电流常用于冲击电流测量系统标定、过电压保护器件的长期耐受能量水平以及飞行器雷电环境测试等，是高电压测试和脉冲功率应用中常用的波形.产生标准方波电流的方法主要有：1)采用模拟电路或数字电路产生方波，并用功率器件放大.因功率器件的限制，此法仅适用于小电流情形.2)以同轴电缆或脉冲电容器作为储能元件，结合开关器件，产生电流阶跃.根据传输线理论，当方波脉宽较大时，需要的电缆长度很长，这是不现实的.3)利用电感的续流特性，直接用整流的方法得到恒定电流，再用开关进行截断，得到所需方波电流.但因单相整流的脉动较大，一般会采用三相可控整流拓扑，这造成了电路的复杂性.4)使用集中参数元件(电阻、电容和电感)代替较长的传输线，形成链式网络，从而产生方波脉冲.当冲击电流峰值不大时，该方法简单且易于实现，较适合工程实际.然而，当链式元件数量较多时，参数计算会比较复杂.本文通过计算机软件仿真，探寻集中参数法中元件的参数对方波脉冲质量的影响规律，并设计与实现所需的冲击电流发生器.

1 集中参数链式方波冲击电流发生器原理

1.1 方波波形参数

对避雷器阀片、浪涌保护器(surge protective devices, SPD)和压敏电阻器进行能量耐受测试时，需要使用2 ms的方波冲击电流，其波形基本参数如图1所示.其中，对于电流峰值Im、峰值持续时间Td和峰值总持续时间Tf、过冲和反极性振荡等参数，有关标准规定：Im和Td的容许偏差为0～+20%；Tf≤1.5Td；过冲、反极性振荡与峰值的比值要求在10%以内[1-2].

图1 方波冲击电流波形

1.2 电路原理及分析

传输线的波动过程可以产生方波.集中参数元件(如电感、电容)组成的梯形网络常被用来模拟传输线以产生方波.如图2所示，由10个LC元件构成链路，近似模拟传输线，由集中参数代替分布参数，同时实现储能功能.其中，靠近负载的L1为首链电感，靠近电源的L10为末链电感，但其电感值不能一样，否则过冲不达标[3].

图2 方波冲击电流电路原理

根据电网络理论，当电阻负载等于线路的波阻抗时，其峰值持续时间为

由式(1)可得总电容为

总电感为

电流峰值为

该电路的工程设计步骤如下：①根据负载R0阻值，由式(2)求出总电容量；②由式(3)求出回路总电感；③依据所需冲击电流值，由式(4)计算出电容器上的充电电压；④参考电容器上的充电电压，选择变压器的变比和容量[4].

为简便计算，取图3所示2级LC链路进行分析，同时考虑电感的内阻.运用拉普拉斯算法，并结合结点电压分析法，可得

图3 2级LC链路结构

显然，式(5)是个4阶方程，可利用有限差分法或Matlab软件求解.但因理想方波的像函数

所以该电路不可能直接产生理想的方波，只有通过选择合适的级数和电路元件参数来逼近方波.

2 仿真设计

方波发生器元件较多，手工计算复杂，通过计算机仿真可以迅速调整元件的参数，并预估元件参数对波形的影响[5].本文以2 ms 1 000 A方波作为设计目标，在Multisim 14.0软件里进行仿真研究，探讨影响其波形的因素.假定负载电阻为4 Ω，链路数设为10，经公式(2)计算，得电容值为27.8 μF；首链电感取780 μH，其余电感取445 μH，则末端电容器预置充电电压为8 kV.

2.1 充电电压对电流波形的影响

将充电电压从6 kV调至10 kV，分别取5个不同电压值进行仿真测试，结果如图4所示.由图4可知，电流峰值与电容的充电电压成正比关系，即充电电压越高，电流峰值越大；峰值持续时间保持不变.这与理论分析结果一致.

图4 充电电压对方波的影响

2.2 级数对电流波形的影响

保持电路的其他参数不变，分别对8，10和12这3个链路级数的电路进行仿真测试，其结果如图5所示.

由图5可知，链路数越少，峰值持续时间越短.这是因为，各链路LC元件对应着波形上的一小段，链路数越多，相当于传输线越长，电磁波传播的时间就越久.由图5还可知，10链路波形的过冲和振荡最小，波形质量最好；8和12链路波形质量较差，这与未调整LC的数值有关；8链路波形的上升时间和下降时间都较短；3种情况下的电流峰值基本不变[6].

图5 链路级数对方波的影响

2.3 首链电感对电流波形的影响

由于各链路的LC元件对应着方波的各个时间段，所以首链和末链的元件对方波上升沿和下降沿起着决定性作用[7].在300～1 000 μH中取5个不同的首链电感值进行电路电流测试，结果如图6所示.从图6可发现，首链电感主要影响波形的上升沿和过冲振荡，对反极性振荡影响不大；电感量越小，前沿越陡，过冲越大.因此，首链电感要尽量设计得大一些.

图6 首链电感对方波的影响

2.4 末链电感对电流波形的影响

保持电路的其他参数不变，在300～1 000 μH中同样取5个不同的末链电感值进行测试，结果如图7所示.

由图7可知，末链电感主要影响波形的下降沿和反极性振荡，对正极性振荡几乎没影响；电感量越大，后沿越平，反极性振荡越大.所以末链电感要尽量设计得小一些.

图7 末链电感对方波的影响

2.5 电感内阻对电流波形的影响

电感内阻是发生器内部的主要耗能部件，其对波形的影响不可忽视.将电感内阻从0～1 Ω非均匀地取5个数值进行仿真，结果如图8所示.

图8 电感内阻对方波的影响

由图8可知，电感内阻主要影响波形的平顶降落，内阻越大，平顶降落越大.当电感内阻为0.5 Ω时，约有10%的平顶降落；当电感内阻增至1 Ω时，波形已严重失真，此时电容已经过阻尼放电，严重影响了放电效率.因此，在工程设计中需要严格控制电感的内阻，精选合适的线圈长度和直径比例[8].

2.6 电容值对电流波形的影响

电容器在发生器中一般是固定的，但由于其出厂时有一定的容差，所以观察其对波形的影响是很有必要的.考虑电容值有±10%的容差，取5个不同的数值点进行测试，结果如图9所示.

图9 电容值对方波的影响

从图9不难发现，电容值越大，电流的峰值略微增加，峰值的持续时间也随之延长.这是因为，电容值越大，时间常数就越大，充放电时间越长，储能更多，波形持续时间也越长[9].

2.7 负载电阻对电流波形的影响

将负载电阻在2～6 Ω中取5个不同值，对电路进行测试，结果如图10所示.

图10 负载电阻对方波的影响

从图10可以看出，电流峰值与负载电阻成反比关系，即负载电阻越大，电流峰值越小；负载电阻越大，峰值持续时间越短；当负载电阻很小时，阻抗已经失去匹配，反极性振荡严重，波形是不达标的.因此，如果被试品的阻抗是变动的，则需要调节回路的电感使波形达到要求.

3 实测结果及工程设计要点

软件仿真只能确定主回路的电路参数，实际系统还包括控制电路、测量电路等部分[10].本文所设计的系统包括波形发生器主回路、用于实验参数设置和流程控制的PLC控制单元、触发单元、电压显示与比较单元、电压电流传感器，以及示波器与计算机组成的波形采集和数据处理单元(含人机界面控制).系统结构如图11所示.

图11 系统结构

实测结果如图12所示.其中，波形1是采集的方波电流；波形2是磁场探头测得的方波电流的微分信号(该信号经过处理后可用于电磁环境方面的研究).

图12 实测电流波形

由图12可知，与软件仿真结果相比，实测结果的平顶降落偏大，但其余指标吻合得很好，达到了设计要求.

在实际电路制作过程中，有以下注意事项：

1)电感设计.由于电感的电阻对波形影响很大，而且会降低系统的效率，所以要想方设法减小电感电阻(导线截面尽可能大一些)，使电感耗能小于系统充电能量(即电容总储能)的5%.为了限制在波形峰值始、末端的振荡，还需要调节发生器首末两端的电感，并给电感并联电阻以补偿因电感量变化而引起的波形失真.

2)阻抗匹配.负载电阻和网络的波阻抗必须匹配，否则会产生反射波，影响波形质量和能量效率.根据IEC和国标对振荡的有关规定，只要R/Z的数值在0.82～1.22，就能满足要求.

3)电磁防护.冲击电流发生器本身就是一个强大的电磁骚扰源，且方波的频谱范围很宽，它造成的辐射干扰对测控单元影响很大.所以，要从多方面对系统进行防电磁干扰的设计，如电源的隔离、合理接地、电缆的合理布线、软件设置看门狗等.

4 结语

本文对链式方波冲击电流发生器的原理进行了详细阐述，重点对影响方波波形的电路参数进行了仿真分析，并设计了一个2 ms的方波发生器装置.研究发现，利用仿真软件进行数值分析可以迅速确定各元件参数的准确数值；如何确定各级电感量的值和优化电感内阻是发生器制作的关键；阻抗匹配和电磁防护也是冲击电流发生器设计制作过程中需要考虑的问题.