陳 超 ，周先春 ，2，3

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044；3.東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096）

基于PSPICE軟件的多級SPD仿真與實(shí)際沖擊實(shí)驗(yàn)對比分析

陳 超1，周先春1，2，3

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044；3.東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096）

針對國內(nèi)實(shí)際運(yùn)用于電涌保護(hù)器 （SPD）的沖擊平臺較少，從而增加了對電涌保護(hù)器一系列研究困難的情況，利用PSPICE仿真軟件采用組合波對多級SPD線-地、線-線兩種工作模式下的殘壓以及通流量進(jìn)行測試，測試結(jié)果并與實(shí)際沖擊平臺下測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出仿真沖擊試驗(yàn)最終的最大殘壓值與最大通流容量較實(shí)際測量更為理想，但是總體上講兩者差距并不大，實(shí)際沖擊試驗(yàn)結(jié)果對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，充分說明了PSPICE仿真沖擊試驗(yàn)的可行性。因此，在缺乏實(shí)際沖擊工作平臺的情況下，可以采用PSPICE仿真軟件建立合適的電路仿真模型，用來對電涌保護(hù)器進(jìn)行測試研究。

PSPICE；仿真SPD；殘壓；通流量

0 引言

由于高層建筑物的逐漸增多，導(dǎo)致雷擊建筑物的概率不斷提高，直接造成了建筑物內(nèi)部敏感電子設(shè)備的損害越來越多。因此，對雷電過電壓的防護(hù)越來越引起人們的重視，而對雷電過電壓進(jìn)行防護(hù)的主要器件為電涌保護(hù)器（SPD），所以有必要對電涌保護(hù)器的組成部件以及性能進(jìn)行研究。

國內(nèi)有學(xué)者對多種防雷器件之間的能量的配合進(jìn)行了研究，蕭贊亮[1]基于氣體放電管的工作特性，利用PSPICE軟件建立了氣體放電管的仿真模型，并對仿真模型進(jìn)行了沖擊擊穿電壓進(jìn)行了研究。李清泉等[2]根據(jù)傳輸線波過程理論，研究了壓敏電阻以及氣體放電管兩者配合情況下的能量傳輸情況。李祥超等[3]對由限壓型元件構(gòu)成的電涌保護(hù)器進(jìn)行了研究，研究表明，通過多級并聯(lián)后會增加電涌保護(hù)器的通流量。王蕙瑩等[4]人根據(jù)波的傳輸線理論對電涌保護(hù)器的能量配合進(jìn)行了研究。楊仲江等[5]利用熱穩(wěn)定試驗(yàn)箱以及壓敏電阻直流參數(shù)儀，對限壓型SPD的耐受能力進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)MOV在交直流電壓下的耐受能力與熱容量和散熱能力有關(guān)。張欣等[6]利用工頻電壓耐受下的氧化鋅壓敏電阻沖擊老化試驗(yàn)，研究了不同沖擊電壓作用下氧化鋅壓敏電阻老化情況。杜志航等[7]對壓敏電壓配合使用時(shí)老化、劣化進(jìn)行了研究。顏湘蓮等[8]對MOV在線監(jiān)測進(jìn)行了分析研究。國內(nèi)還有一些學(xué)者[9-16]采用靜態(tài)參數(shù)來判定壓敏電阻劣化程度以及對壓敏電壓在沖擊作用下其他特性進(jìn)行了分析研究。

就目前，國內(nèi)實(shí)際運(yùn)用于電涌保護(hù)器（SPD）的沖擊平臺較少，從而增加了對電涌保護(hù)器一系列研究的困難，因此需要一款軟件，構(gòu)建合適的電路來對電涌保護(hù)器的沖擊性能進(jìn)行研究。本文利用PSPICE仿真軟件，構(gòu)建沖實(shí)驗(yàn)仿真電路來對電涌保護(hù)器的沖擊性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果并與實(shí)際沖擊平臺下的結(jié)果進(jìn)行對比，從而找出適用于對電涌保護(hù)器進(jìn)行研究的仿真模型。

1 多級SPD仿真電路模型沖擊試驗(yàn)平臺

ORCAD PSPICE Release是一款用于電路沖擊仿真實(shí)驗(yàn)的用途較廣的電子線路仿真軟件，PSPICE軟件使用簡單、試驗(yàn)平臺收斂性好，仿真能力快速、準(zhǔn)確。圖1為使用PSPICE軟件搭建的1.2/50 μs、8/20 μs組合波沖擊源，用于對多級SPD進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

圖1 組合波PSPICE仿真回路圖Fig.1 Combination wave PSPICE simulation circuit diagram

根據(jù)GB18802.1-2011標(biāo)準(zhǔn)，組合波的1.2/50 μs開路電壓波波頭、波尾偏差要求分別為±30%、±20%；8/20 μs短路電流波波頭、波尾偏差均為±10%。從圖2所示的PSPICE仿真波形中可以看出該次組合波沖擊源達(dá)到了要求。

圖2 組合波仿真波形Fig.2 Combination wave simulation waveform

多級SPD仿真試驗(yàn)原理框圖如圖3所示，根據(jù)圖3在PSPICE中搭建多級SPD仿真電路進(jìn)行試驗(yàn)，并規(guī)定沖擊激勵最低沖擊電壓為0.1 kV，同時(shí)考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程，將電壓抬升級差設(shè)置為0.1 kV。

圖3 仿真試驗(yàn)原理框圖Fig.3 Block diagram of the simulation experiment

2 多級SPD殘壓、通流量實(shí)際沖擊試驗(yàn)平臺

為了與上述PSPICE仿真結(jié)果進(jìn)行對比，現(xiàn)依據(jù)GB18802.1-2011對該多級SPD進(jìn)行線-地和線-線模式下的沖擊耐受試驗(yàn)。該部分試驗(yàn)主要利用自行焊接的簡易多級SPD電路進(jìn)行，其中氣體放電管型號為3RM090-8，ZnO壓敏電阻型號為TVR14680，TVS的型號為1.5KE47CA，退耦電感采用順時(shí)針密繞，取值根據(jù)仿真中的計(jì)算結(jié)果分別取為L1+L2＝50 μH，L3+L4＝70 μH，其具體結(jié)構(gòu)如下圖 4。

圖4 多級SPD結(jié)構(gòu)Fig.4 Multi-stage SPD chart

實(shí)驗(yàn)中將沖擊波加在第一級即氣體放電管之上，利用電壓探頭和電流探頭在末級即TVS測量兩種不同模式下的殘壓Ures和通流容量。在線-地模式下主要是對地進(jìn)行浪涌的泄放，因此此模式下的通流容量更大，耐受性能更好。而相比之下線-線模式下對浪涌的吸收主要依靠元器件的吸收性能，通流容量較小。所以在殘壓與通流容量測量過程中，線-地模式和線-線模式下的最低沖擊電壓均設(shè)置為0.1 kV，但在線-地模式下，沖擊電壓較低時(shí)其抬升級差設(shè)定為0.1 kV，隨著沖擊電壓升高將其抬升級差擴(kuò)大到0.5 kV；而在線線模式下，沖擊電壓較低時(shí)其抬升級差設(shè)定為10 V，其級差較線-地模式下小，隨沖擊電壓升高將其抬升級差增大到0.1 kV。兩組測試均在其通流容量發(fā)生明顯下降時(shí)停止測試。波形的采集主要利用的是Tektronix TDS 2022B示波器。

3 多級SPD仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際沖擊實(shí)驗(yàn)對比

分別使用PSPICE仿真軟件以及實(shí)際沖擊平臺，對多級SPD線-地模式和線-線模式下的殘壓Ures和通流容量進(jìn)行測試。

從圖5中可以看出，在線-地模式下，多級SPD在沖擊電壓較小約小于2 kV時(shí)，殘壓與通流容量的仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)基本一致，隨著沖擊電壓的不斷升高仿真與實(shí)測值出現(xiàn)了差異。其中實(shí)際最大殘壓在40～45 kV附近波動，且較仿真最大殘壓40 kV更大；而實(shí)際最大通流容量在3 000 A左右卻比仿真的最大通流容量4 000 A小。且實(shí)際測試中，殘壓與通流容量都在最大值附近起伏較變化大，得到的曲線并不規(guī)則。盡管仿真沖擊試驗(yàn)最終的最大殘壓值與最大通流容量較實(shí)際測量更為理想，但是總體上講兩者差距并不大，且兩組曲線的總體趨勢與仿真沖擊中的結(jié)果相一致，都隨沖擊電壓增大而升高，使仿真得到了驗(yàn)證。

從圖6中可以得到，線-線模式中仿真與實(shí)測曲線的對比與線-地模式下一樣，總體趨勢都隨沖擊電壓的增大而升高。實(shí)際沖擊中的線線模式下的殘壓但在沖擊電壓較小時(shí)，約在0.3～0.6 kV之間，實(shí)際沖擊試驗(yàn)中的殘壓和通流容量均出現(xiàn)較大起伏，特別是殘壓波動較大。而總體上來看，仿真沖擊試驗(yàn)的曲線十分規(guī)則，且最終的最大殘壓值與最大通流容量仍較實(shí)際測量更為理想，但是兩者的差距在較小范圍內(nèi)，依舊可以說明仿真的正確性。

圖5 線-地模式下仿真沖擊與實(shí)際沖擊曲線比較Fig.5 Comparison between simulation impulse curve and actual impulse curve under line-earth mode

4 結(jié)論

利用PSPICE仿真軟件以及實(shí)際沖擊平臺，對多級電涌保護(hù)器線-地、線-線模式下的殘壓以及通流量進(jìn)行測試，得出：在線-地模式下，PSPICE仿真軟件以及實(shí)際沖擊平臺測出的多級SPD在沖擊電壓較小約小于2 kV時(shí)，殘壓與通流容量的仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)基本一致，隨著沖擊電壓的不斷升高仿真與實(shí)測值出現(xiàn)了差異。在線-線模式下，最終的最大殘壓值與最大通流容量仍較實(shí)際測量更為理想，但是兩者的差距在較小范圍內(nèi)，依舊可以說明仿真的正確性。綜上盡管仿真沖擊試驗(yàn)最終的最大殘壓值與最大通流容量較實(shí)際測量更為理想，但是總體上講兩者差距并不大，實(shí)際沖擊試驗(yàn)結(jié)果對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，充分說明了PSPICE仿真沖擊試驗(yàn)的可行性。

圖6 線-線模式下仿真沖擊與實(shí)際沖擊曲線比較Fig.6 Comparison between simulation impulse curve and actual impulse curve under line-line mode

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Comparative Analysis of Practical Impulse Test and Multi-Stage SPD Simulation Based on PSPICE Software

CHEN Chao1，ZHOU Xianchun1，2，3
（1.College of Electronic ＆ Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；3.Key Laboratory of Child Development and Learning Science（Southeast University），Ministry of Education，Nanjing 210096，China）

Because of domestic less impulse platform applied in surge protection device （SPD），a series of studies difficult in SPD are increased.Based on Pspice simulation software using a combination of the wave of multi-stage SPD line-earth，line-line two kinds of work mode of residual voltage and current capacity are tested，the test results and the practical impulse of platform measurement results are comparative analysis，it is concluded that the impulse simulation test the final maximum residual voltage value and maximum current capacity is lower than the actual measurement is more ideal，but generally speaking，both gap is not large，the practical impulse test results of simulation results are verified，fully illustrates the Pspice simulation impulse test.Therefore，in the absence of the practical impulse of the work platform，using Pspice simulation software to establish a suitable model for circuit simulation is used to test is carried out to study the surge protector.

PSPICE；simulation；SPD；residual voltage；current capacity

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.012

2015-12-05

陳超 （1987—），男，碩士,主要從事雷電研究。