劉明武

（烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，內(nèi)蒙古 烏海016000）

1.2/50 μs沖擊電壓發(fā)生器的理論方案研究

劉明武

（烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，內(nèi)蒙古 烏海016000）

沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)生雷電沖擊電壓波及操作過電壓波等脈沖波的高電壓發(fā)生裝置，是高壓試驗(yàn)室的基本試驗(yàn)設(shè)備，基于以上背景，將模擬產(chǎn)生1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波。該設(shè)計(jì)主要包括5個模塊電路：倍壓整流電路，沖擊電壓發(fā)生器基本回路，驅(qū)動電路，過熱保護(hù)電路以及單片機(jī)模塊電路。設(shè)計(jì)的基本原理是利用單片機(jī)模塊電路來控制電容的充放電過程，從而模擬產(chǎn)生出1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波。

沖擊電壓發(fā)生器；高電壓發(fā)生裝置；1.2/50 μs；單片機(jī)

0 引言

沖擊電壓發(fā)生器是高電壓試驗(yàn)室的基本試驗(yàn)設(shè)備之一[1-7]。它是一種模仿雷電及操作過電壓等沖擊電壓的電源裝置，主要用于電力設(shè)備等試品進(jìn)行雷電沖擊電壓全波、雷電沖擊電壓截波和操作沖擊電壓波的沖擊電壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)絕緣性能。沖擊電壓發(fā)生器還可以用來作為納秒脈沖功率裝置的重要組成部分，也可在大功率電子束和離子束發(fā)生器以及二氧化碳激光器中作為電源裝置。1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波，是一種迅速從零上升到最大值，然后緩慢地下降的脈沖電壓，即波頭時間是1.2 μs，半波時間是 50 μs，所以可以模擬產(chǎn)生 1.2/50 μs雷電沖擊電壓波來檢驗(yàn)其電力設(shè)備的絕緣性能[8]。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括5個模塊電路：倍壓整流電路[9]，沖擊電壓發(fā)生器基本回路，驅(qū)動電路，過熱保護(hù)電路以及單片機(jī)模塊電路。倍壓整流電路采用了四倍壓整流，使輸入的交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，并且電壓值變?yōu)榻涣麟妷悍逯档乃谋叮粵_擊電壓發(fā)生器基本回路主要包括充電和放電回路，實(shí)現(xiàn)電容的充電和放電過程；驅(qū)動電路是用來驅(qū)動IGBT[10-12]，使其定時導(dǎo)通和關(guān)閉；過熱保護(hù)電路是采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和電壓比較器來實(shí)現(xiàn)對IGBT的保護(hù)；單片機(jī)模塊電路主要是用來使I/O口產(chǎn)生占空比一定的脈沖波形，使驅(qū)動電路定時產(chǎn)生高低電平，定時導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT，實(shí)現(xiàn)電容的充放電過程，從而模擬產(chǎn)生出1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

如圖1所示，將幅值可變的交流電作為該系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過四倍壓整流回路產(chǎn)生大約最大值為輸入電壓峰值的4倍的直流電壓，將該直流電壓作為沖擊電壓發(fā)生器充放電回路的輸入，然后在單片機(jī)的控制下產(chǎn)生兩組具有一定占空比的脈沖信號來驅(qū)動IGBT，從而實(shí)現(xiàn)電容的定時充放電過程，繼而可在示波器上觀察到1.2/50 μs沖擊電壓波形[13-14]。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flowchart

短路保護(hù)采用的是250 V/1 A保險絲，防止過電流；浪涌保護(hù)采用的是壓敏電阻，防止過電壓，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。

倍壓整流電路采用的是以1N4007整流二極管和2 μF/1 600V電容為主要元件的四倍壓整流電路，目的是將幅值可變的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎腚妷悍逯档?倍的直流電壓[15-16]。

充電回路和放電回路組成了沖擊電壓發(fā)生器基本回路。充電和放電回路各有1個IGBT來控制其電容的充放電時間。充電電路是以輸入電壓峰值的4倍的直流電壓作為輸入，對22 nF/2 kV電容C2進(jìn)行充電，使其最大值達(dá)到輸入電壓峰值的4倍的直流電壓左右。放電回路是先是電容C2向放電回路的2.2 nF/2 kV電容C3充電，然后電容C2和C3再同時向電阻R4放電，從而得到1.2/50 μs波形。

過熱保護(hù)電路是以負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和電壓比較器為主要芯片，監(jiān)測放電回路中的IGBT的溫度變化，防止IGBT回路電流過大，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。

單片機(jī)模塊電路是以STC12C5A60S2為主控芯片的電路，利用單片機(jī)定時器功能產(chǎn)生兩組具有一定占空比的脈沖信號，作為驅(qū)動電路的輸入信號。驅(qū)動電路是以TLP250為主要芯片的電路，利用單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號產(chǎn)生兩組高電平為13 V，低電平為-5 V的具有一定占空比的驅(qū)動信號，從而控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)閉時間。

1.2 方案論證及選擇

1.2.1 系統(tǒng)方案論證與選擇

方案一：采用圖2所示的沖擊電壓發(fā)生器發(fā)生器常用回路。該電路的效率為0.7～0.8，效率較低；其中R11為阻尼電阻，目的是減少電路中的寄生振蕩；R12是波前電阻，可用來調(diào)節(jié)波前時間，改變試驗(yàn)電壓波形，繼而可滿足多方面的需求。

圖2 沖擊電壓發(fā)生器常用回路Fig.2 Impulse voltage generator commonly common circuits

方案二：采用圖3所示的沖擊電壓發(fā)生器發(fā)生器高效率回路。該電路的效率為0.9以上，效率較高；但缺少阻尼電阻，可能會導(dǎo)致電路中產(chǎn)生寄生振蕩，從而影響沖擊電壓波形。

圖3 沖擊電壓發(fā)生器高效率回路Fig.3 Impulse voltage generator high efficiency circuits

綜合以上兩種方案，選擇方案一沖擊電壓發(fā)生器常用回路。

1.2.2 整流電路論證及選擇

方案一：采用半波或全波整流電路，該方案一般適用于輸出電壓比較低時的情況，如果該方案通過增加變壓器次級匝數(shù)來獲得較高的輸出電壓，則會產(chǎn)生較大的充放電電流和噪聲，會造成變壓器的較大損耗[13]。

方案二：采用倍壓整流電路，該方案正好適用于高電壓，小電流的情況，該方案是利用整流二極管的單向?qū)ㄐ院碗娙莸某浞烹娞匦詠慝@得較高的輸出電壓，方案簡單可行。

綜合以上兩種方案，選擇方案二倍壓整流電路。

1.2.3 驅(qū)動電路論證及選擇

方案一：采用分立元件驅(qū)動電路。插接式驅(qū)動電路主要由分立元件構(gòu)成，但集成化程度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高。

方案二：采用光電耦合器驅(qū)動電路?？刹捎肨LP250光耦外面再加上輔助電源和限流電阻以及穩(wěn)壓管等元器件構(gòu)成驅(qū)動電路，雖然反應(yīng)較慢，具有一定的延遲時間，但是成本較低，比較簡單[10]。

方案三：采用專用集成驅(qū)動電路。比如EXB841，它能夠產(chǎn)生負(fù)電壓，并且抗干擾能力較強(qiáng)，外圍結(jié)構(gòu)較簡單，故障率較低，但是成本較高。

綜合以上三種方案，選擇方案二光電耦合器驅(qū)動電路。

1.2.4 單片機(jī)論證及選擇

方案一：采用STC89C51單片機(jī)。STC89C51單片機(jī)是8位單片機(jī)。優(yōu)點(diǎn)如下：價格便宜，使用方便等特點(diǎn)，采用STC89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，軟件編程自由度大。缺點(diǎn)如下：運(yùn)算速度低，指令多而復(fù)雜，功能單一，ROM，RAM空間小，不穩(wěn)定等。

方案二：采用STC12C5A60S2單片機(jī)。該單片機(jī)具有高速，超強(qiáng)干擾，低功耗的功能，價格也較低，使用簡單，RAM，ROM空間大，速度比STC89C51快8～12倍。

方案三：采用MSP430單片機(jī)。MSP430單片機(jī)是16位單片機(jī)。優(yōu)點(diǎn)如下：指令少而且簡單，有強(qiáng)大的處理能力，速度快，低功耗，有豐富的片內(nèi)資源，便捷，高效的開發(fā)環(huán)境，而且由于引進(jìn)了閃存程序存儲器和JTAG技術(shù)，不但使開發(fā)工具變得簡便，而且可以在線編程。缺點(diǎn)如下：價格較貴，I/O無保護(hù)，過壓電流會擊穿。

綜合以上3種方案：選擇方案二STC12C5A60S2單片機(jī)。

2 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)分析

2.1 沖擊電壓發(fā)生器基本回路分析與計(jì)算

為了近似分析輸出電壓波形與回路元件參數(shù)的之間的關(guān)系，作出以下分析。

在決定波前時間T1時，忽略電阻R4的存在，故由電路分析基礎(chǔ)知識可得，這時電容C3的電壓公式：

因?yàn)镃2?C3，所以公式中的波前時間常數(shù)τ1≈（R2+R3）C3。然后由所學(xué)知識可得：

在決定半波時間T2時，忽略電阻R2和R3的存在，近似地認(rèn)為C2和C3并聯(lián)起來對電阻R2放電。故由電路分析基礎(chǔ)知識可得，這時電容C3的電壓公式：

公式中的波尾時間常數(shù) τ2≈（C2+C3）R4。 然后由所學(xué)知識可得：波前時間

由我們最后想要得到的1.2/50 μs沖擊電壓波形可得到回路元件參數(shù)，通常回路中的C2和C3是根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先選定的，比如說根據(jù)所要求的沖擊放電能量選定C3。并且為了保證發(fā)生器有足夠大的利用系數(shù)，通常取

R2在保證不出現(xiàn)寄生振蕩的前提下，R2的阻值盡可能取得小一些，一般取幾十歐姆即可。還有由于輸入的電壓最大值大約為輸入的交流電壓峰值的4倍的，故取R1≈600 kΩ。所以由公式可得：

由于經(jīng)倍壓整流電路獲得大約為輸入交流電壓峰值的4倍，且課題要求電壓可達(dá)1 kV，所以選電容C2的參數(shù)為22 nF/2 kV，電容C3的參數(shù)為22 nF/2 kV，電阻R2的參數(shù)為51 Ω/1 W，電阻R3的參數(shù)為120 Ω/1 W，電阻R4的參數(shù)為3 kΩ/2 W。

圖4 沖擊電壓發(fā)生器基本回路Fig.4 Impulse voltage generator elementary circuits

2.2 驅(qū)動電路分析與計(jì)算

如圖5所示是驅(qū)動電路，電路具體設(shè)計(jì)說明如下。

如圖5（a）和（b）所示的驅(qū)動電路是基于以光電耦合器TLP250為主控芯片，外面再加上輔助電源和限流電阻以及穩(wěn)壓管等元器件的驅(qū)動電路。兩個驅(qū)動電路所有元器件的參數(shù)相同，只是所接的脈沖信號不同。由TLP250芯片手冊可知，1腳，4腳，7腳均懸空，3腳和5腳接地，但由光電耦合器特性可知，3腳所接的地是數(shù)字地，5腳所接的地是模擬地，5腳和8腳之間接一個470 pF的濾波電容，8腳接VCC，并且通過電阻和5.1 V穩(wěn)壓管到地，穩(wěn)壓管型號為1N4733A，2腳和6腳均接一個限流電阻。

由TLP250芯片手冊可知，TLP250的2端口輸入電流的典型值為8 mA，而P3.5的電壓為5 V，所以所需電阻為則取 R10=510 Ω；由于1 N 4 733 A通過的電流不超過50 mA，則取電阻R23=4.7 kΩ。

圖5 驅(qū)動電路Fig.5 Driving circuit

2.3 倍壓整流電路

如圖6所示是倍壓整流電路設(shè)計(jì)原理圖，電路具體設(shè)計(jì)說明如下。

圖6 倍壓整流電路原理圖Fig.6 Voltage doubling rectifing circuit principle diagram

倍壓整流電路采用的是以1 N 4007整流二極管和2 μF/1 600 V電容為主要元件的四倍壓整流電路，目的是將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠹s輸入電壓峰值的4倍的直流電壓。該電路利用整流二極管的單向?qū)ㄐ院碗娙莸某浞烹娞匦詠慝@得較高的輸出電壓，具體原理分析如下：

當(dāng)輸入的交流電壓為負(fù)半周時：A的極性為負(fù)B 的極性為正，D6導(dǎo)通，C5充電極性右邊為正左邊為負(fù)[9]。

當(dāng)輸入的交流電壓為正半周時：A的極性為正B 的極性為負(fù)，D6截止，D7導(dǎo)通，C6充電極性上邊為下邊為負(fù)。

當(dāng)輸入220 V交流電壓再次為負(fù)半周時：D6和D7截止，D8導(dǎo)通，C7充電極性上邊為正下邊為負(fù)。

當(dāng)輸入220 V交流電壓再次為正半周時：D6，D7和 D8均截止，D9導(dǎo)通，C8充電極性上邊為正下邊為負(fù)。故由以上分析可得，負(fù)載接在D節(jié)點(diǎn)理論上可得到電壓最大值約為輸入電壓峰值的4倍。但當(dāng)接上負(fù)載后，電容將對負(fù)載放電，使輸出電壓有所降低，但屬于正常情況。

2.4 過熱保護(hù)電路

如圖7所示是過熱保護(hù)電路原理圖，電路具體設(shè)計(jì)說明如下。

圖7 過熱保護(hù)電路Fig.7 Overheat protection circuit

過熱保護(hù)電路是以10 kΩ負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和電壓比較器為主要芯片，監(jiān)測放電回路中的IGBT的溫度變化，防止IGBT因電流過大而發(fā)熱損壞，從而也保護(hù)了整個電路。該電路中比較電阻皆為10 kΩ/1 W，電壓比較器為LM393，三極管為9013，繼電器型號為HJR-3FF-S-Z，二極管型號為FR107。

如圖7所示，有串聯(lián)分壓原理可得，如果IGBT的溫度正常，則熱敏電阻的電壓為2.5 V，當(dāng)IGBT回路上的電流突然變大時，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值將變小，導(dǎo)致熱敏電阻上的電壓將小于2.5 V，因?yàn)長M393的3端口電壓為2.5 V，而2端口上的電壓小于2.5 V，由電壓比較器原理可得，則1端口輸出高電平，又因?yàn)樵撊龢O管9013為NPN型，則三極管9013飽和導(dǎo)通，繼電器工作，使電源斷開不工作，繼而保護(hù)了整個電路。

2.5 單片機(jī)模塊電路

如圖8所示，單片機(jī)模塊電路是以STC12C5A60S2為主控芯片的電路，利用單片機(jī)定時器和中斷功能產(chǎn)生兩組具有一定占空比的脈沖信號，作為驅(qū)動電路的輸入信號。該單片機(jī)模塊電路主要有晶振電路和復(fù)位電路組成，晶振采用的是22.118 4 M，復(fù)位電路采用的是手動復(fù)位。P3.4和P3.5兩個中斷端口作為驅(qū)動電路的輸入端口，利用單片機(jī)的定時器和中斷功能，P3.5端口輸出周期為500 ms，高電平時間為460 ms，低電平時間為40 ms的脈沖信號；P3.4端口輸出周期為500 ms，高電平時間為39.9 ms，比P3.5端口輸出的波形延遲460.1 ms的脈沖信號。

圖8 單片機(jī)模塊電路原理圖Fig.8 Microcontroller module circuit principle diagram

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要包括5個模塊電路：倍壓整流電路，沖擊電壓發(fā)生器基本回路，驅(qū)動電路，過熱保護(hù)電路以及單片機(jī)模塊電路，然后利用了單片機(jī)模塊電路來控制電容的充放電過程，從而模擬產(chǎn)生出1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波。

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Study on Theoretical Scheme of 1.2/50 μs Impulse Voltage Generator

LIU Mingwu
（Department of Electrical Engineering Wuhai Vocational and Technical College Wuhai lnner Mongolia，Wuhai 016000，China）

Impulse voltage generator is high-voltage generating device that generates impulse wave such as lightning impulse voltage wave and operation over voltage wave，and it is a basic testing equipment of high-voltage laboratory.Based on the above background，the 1.2/50 μs standard lightning impulse voltage wave is simulation generated.The design of this paper includes five modules circuits:voltage double rectifier circuit，basic impulse voltage generator，driving circuit，overheat protection circuit and microcontroller module circuit.The principle of this paper is to control the charging and discharging process of capacitor by using the microcontroller module circuit，so as to stimulate 1.2/50 μs standard lightning impulse voltage wave.

impulse voltage generator；high voltage generator equipment；1.2/50 μs；microcontroller

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.016

2016-10-12

劉明武 （1982—），講師，研究方向?yàn)殡姎庀到y(tǒng)自動化。