一種功率脈沖驅動方法及空間取電技術研究

楊立新　侯克男

（北京智芯微電子科技有限公司，北京　102200）

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一種功率脈沖驅動方法及空間取電技術研究

楊立新侯克男

（北京智芯微電子科技有限公司，北京102200）

本文主要闡述了一種功率脈沖驅動方法、功率脈沖發生裝置技術實施方法以及空間取電技術的研究。具體為采用雙極板電場感應取電的方式從高壓輸電線路上獲取電壓，通過在高壓線路和大地之間架設兩個平行于大地的極板構成一個電容，高壓線與大地之間的高壓電場將使此電容的兩極之間產生電壓差，作為功率脈沖驅動電壓。將交流電壓通過整流轉化成直流電，對直流進行電能存儲，輸出直流，并通過控制模塊產生使三極管導通、關斷的控制信號，從而將輸出的直流電轉化成功率脈沖信號，并將三極管控制在發生二次擊穿但可逆的范圍內，最后根據輸出的脈沖信號驅動負載。

空間取電；二次擊穿；脈沖驅動；三極管；電容器

迄今為止，在功率脈沖發生裝置中，絕大部分都是應用數字電子技術（邏輯門電路、555定時器以及單片機等）來產生固定頻率的脈沖，從而驅動負載來進行工作。但在一些應用領域中，這種應用數字電子技術的功率發生裝置有時會出現電路過于復雜從而導致成本過高等問題。

另外，對于高壓輸電線路上的功率脈沖發生裝置，目前比較常用的取能方式主要有高壓電流感應、電池和激光傳輸能量等。但是，這些取能方式有各自的弊端。例如：電流感應取能裝置需要較大的啟動電流，電池和激光傳輸能量的取能方式存在成本較高等問題［1-2］。

本論文提供一種全新的功率脈沖驅動方法和高壓輸電線路空間取電的技術，根據此方法和技術研制的功率脈沖發生裝置可以提供自供能、構造簡單、低成本等特點，并可以克服如上所述的現有技術中存在的缺點。

1　功率脈沖驅動方法及空間取電技術原理說明

本文提出一種功率脈沖驅動方法，采用模擬電子技術來設計，即利用晶體管二次擊穿技術，來實現脈沖發生功能。其發生頻率的高低，由取電電容器和電路內部各個模擬器件的參數來決定。選擇不同的參數匹配，就會有相應頻率的信號發生。（隨著三極管集電極和發射極之間電壓的增大，集電極電壓增大到某一臨界值時，集電極和發射極兩端的電壓突然減小，集電極電流急劇增大，出現負阻效應，這就是三極管二次擊穿。通常認為三極管的二次擊穿是不可逆的，可能會造成器件的永久性損壞。即集電極和發射極之間電壓高于二次擊穿電壓時，集電極和發射極之間電壓突然減小，集電極電流急劇增大，導致三極管的不可恢復的、永久性的損壞）。二次擊穿在大部分情況對三極管是有害的，但本論文提供的方法可以通過合理選擇模擬器件參數，通過對三極管的二次擊穿進行適當控制，從而把發生二次擊穿的程度控制在不使三極管失效或不對其造成損傷的水平。在確保不使三極管失效或損壞的前提下，實現電壓向脈沖信號的轉換，從而驅動相應負載［3-5］。

另外，還提出了一種空間取電技術，即采用雙極板電場感應取電的方式從高壓輸電線路上取能，為功率脈沖發生裝置提供電源。采用此方法，將使功率脈沖發生裝置的供電不受環境限制，即在任何封閉環境或露天環境下只要有穩定的電壓，采用電場感應方式的自供能單元就能持續供給穩定的能量。其工作原理在于：無論高壓線路中電流如何變化，其電壓都穩定不變，所以通過在高壓線路和大地之間架設兩個平行于大地的極板構成一個電容器，高壓線與大地之間的高壓電場將使此電容器的兩極之間產生足夠的電壓差，從而為脈沖發生裝置供電［6-8］。

2　擬研制的功率脈沖發生裝置硬件原理

功率脈沖發生裝置總體結構原理框圖如圖1所示。

圖1　功率脈沖發生裝置結構原理框圖

整個裝置主要包括取電單元、整流單元、功率脈沖發生單元和控制模塊。其中，取電單元作為整個裝置的輸入端，負責從高壓線路周邊電場取得能量，所有的后級單元使用的能量都是從取電單元得到的；整流單元負責把取電單元取得的交流電轉化為直流電，為后級的功率脈沖發生單元提供能量；功率脈沖發生單元負責把整流模塊轉換后的直流電能存儲，并轉化成功率脈沖的形式輸出；控制模塊的主要功能是對功率脈沖發生單元提供保護和控制。以下具體描述各個組成部分［9-10］。

2.1取電單元

取電單元主要由電容器（C）組成。圖2描述本文的取電單元的輸入連接及原理示意圖。如圖2所示，電容器（C）被置于高壓交流線路上，一種方式是電容極板1直接連接到高壓交流線路上，極板2懸空；也可以直接用高壓交流線路作為電容極板1，極板2懸空。這里，可以把極板2對地視作一個電容器，其電容標記為C1，如圖2中的虛線所示。取電單元的輸入連接及電容分壓原理示意圖如圖2所示。

圖2　取電單元的輸入連接及電容分壓原理示意圖

由于電容在通過交流電時有容抗，根據電容分壓原理，電容器C上可以分得一定的電壓，具體如下：

式中，UL為高壓線路的相電壓；ZC為電容器C的容抗；ZC1為電容器C1的容抗。

本文通過在高壓線路附近設置電容器 C，將聚集在電容器C的兩個極板上的能量進行收集，并通過相應處理，來為后級電路提供電源。

2.2整流單元

整流單元的作用是將取能電容器（C）獲得的交流電轉化為直流電，在圖3中主要由整流橋 D1組成，但不局限于此。取電單元及整流單元如圖3所示。

2.3功率脈沖發生單元

功率脈沖發生單元是該裝置的核心，采用功率脈沖的方式取得電能供用電設備使用。具體如圖3中的右虛線框中所示。

圖3　取電整流單元及功率脈沖發生單元原理圖

圖3是根據功率脈沖發生裝置的一個實施例。需注意的是，其中未體現具體的控制模塊的電路原理圖，控制模塊的具體實現方式將在圖4中進一步描述［11-12］。

取電電容器C從高壓交流輸電線路獲得電能，兩極板產生交流電壓 Uc，經整流橋D1整流后，對電容器C1進行充電，電容器C1上的電壓直接作用于MOS管Q2的漏極。此時，控制信號CON為低電平，MOS管Q2處于導通狀態，當電容器C1持續充電，電壓值達到晶體管Q1的一次擊穿電壓時，Q1發生一次擊穿，電容器C1繼續充電，電壓值達到Q1的二次擊穿電壓時，Q1發生二次擊穿，控制模塊延時一定時間后立即控制CON信號為高電平，斷開Q2，使 Q1二次擊穿中斷（圖4），此時一個脈沖輸出完成。一定時間后電容器C1上電荷基本泄放為0，所以C1兩端電壓急劇下降至基本為0（只要電路各器件參數選取合適，C1兩端的電壓完全可以基本下降至0）。Q2斷開之后，CON信號為低電平，Q2導通，電容器 C1繼續充電，直至Q1再次發生一次和二次擊穿，如此往復。在電阻器R2兩端產生功率脈沖Up，該脈沖可以用來驅動發光設備閃爍、發聲設備間歇性發聲等。控制模塊的原理框圖如圖4所示。

圖4　控制模塊的原理框圖

控制模塊主要由電壓檢測子模塊、延時子模塊和控制信號輸出子模塊三個部分組成。電壓檢測子模塊接收加在圖3三極管Q1集電極上的電壓VC作為其輸入電壓VC，并對其進行檢測，當檢測到輸入電壓達到預先存儲的三極管Q1的二次擊穿電壓時，輸出使延時子模塊延時一定時間的信號，延時子模塊接收到該信號后，延時一定時間后使CON信號為高電平，并通過控制信號輸出子模塊輸出控制MOS管Q2的控制信號CON，從而斷開Q2，中斷Q1的二次擊穿，以防止Q1燒毀。其中，圖4中電壓檢測子模塊預先存儲三極管的二次擊穿電壓［13-14］。

3　功率脈沖驅動方法適用場合

本論文所提供的技術方法通過電場的方式取得能量并產生功率脈沖可以驅動發光設備閃爍、發聲設備間歇性發聲等。其特別之處在于采用模擬電子技術的三極管二次擊穿特性來實現脈沖頻率發生功能，同時將電場感應出來的能量加以利用，形成自供能的輸電線路功率脈沖發生裝置。該裝置可用作指示器，例如：航空報警燈、信息牌等；也可用于恐嚇動物的發聲器件、橫貫電力線路的標靶等。

4　結論

本文主要提供了一種功率脈沖驅動方法、功率脈沖發生裝置技術實施方法以及空間電場取電技術。通過在高壓線路上鋪設電容極板從高壓線路獲電能，通過后端的整流濾波單元，把此交流信號轉換為直流信號，通過控制模塊控制MOS管的導通和關斷的時間，通過電路各器件參數合適選取，使三極管在可逆的范圍內發生二次擊穿，從而發出功率脈沖信號，驅動負載。此方法不僅解決高壓輸電線路空間取電的難題、數字脈沖發生電路過于復雜，而且降低了脈沖發生電路及裝置的成本等問題。

［1］ 楊建光. 半導體三極管的損壞機理淺析［J］. 勝利油田師范專科學校學報，2003，17（4）︰32-35.

［2］ 宋欽岐. 集成電路的電磁脈沖損傷閾值與統計分布研究［R］. 北京︰中國國防科學技術報告，1991︰2-4.

［3］ 劉忠山，楊勇，馬紅梅，等. 超快速高壓雪崩三極管器件研制［J］. 微納電子技術，2009，46（6）︰379-382.

［4］ 王遠. 模擬電子技術［M］. 北京︰北京理工大學出版社，1991︰30-38.

［5］ 彭軍. 晶體管電路設計［M］. 北京︰科學出版社，2004︰58-72.

［6］ 陳汝全. 電子技術常用器件應用手冊［M］. 北京︰北京理工大學出版社，1991︰97-110.

［7］ 張晶. 智能電網200問［M］. 北京︰中國電力出版社，2012︰61-123.

［8］ 呂強王，金全，徐曄. 電容濾波不可控整流電路器件故障診斷［C］//貴州︰2011年中國電機工程學會年會，2011.

［9］ 李永強，周勇. 無源濾波電容器參數選擇方法［J］.電力自動化設備，2009，29（7）︰93-96.

［10］ 蘇開云，姚斯立. 脈沖電容器研制及電容器塔的結構設計［J］. 電力電容器，2006，2（6）︰19-22.

［11］ HOCHENG H，HUANG，et al. Comprehensive review of end point detection in chemical mechanical planarization of submicron integrated circuits manufacturing［J］. International Journal of Materials and Product Technology，2003，8（4）︰469-486.

［12］ YU C. Chemical mechanical polishing of Copper for advanced semiconductor device fabrication［J］. Future Fab Intl，2001，7（10）︰13-17.

［13］ WHITE D A. Multivariate analysis of spectral measurements for the charcterization of semiconductor processes ［N］. Massachusetts Institute of Technology，2001（3）.

［14］ BLACK H M. Using software to generate electric energy pulse［J］. Electric Power Automation Equipment，2006，8（4）︰320-323.

The Method of Power Pulse Driving and Technology Research of Space Electric Power Fetching

Yang LixinHou Kenan
（Beijing Smart Chip Microelectronics Co.，Ltd，Beijing102200）

This paper proposes a method of power pulse drive、power pulse generator technology implementation、and space fetching technology. The voltage of the electric power is obtained from the high voltage transmission line by using the bipolar plate electric field induction. A capacitor is formed by erecting two plates parallel to the earth between the high-voltage line and the earth. The high voltage electric field between the high-voltage wire and the earth will cause a voltage difference between the poles of the capacitor，and this voltage difference is the driving voltage of the power pulse. The driving AC voltage is converted into DC by rectification，and the DC power is stored and output. The DC signal could control the MOSFET conduction and the shutdown，the output of DC power is converted to the power pulse signal. The signal causes the transistor to have two safe breakdown. Finally，the output pulse signal can drive the load.

space electric power fetching；two safe breakdown；drive the load；audion；capacitor

楊立新（1981-），男，本科，研發工程師，主要研究方向為電力系統及其自動化、輸配電及用電工程工作。