一種用于干擾試驗的高壓脈沖模擬器設計

摘要：通過原理分析、工程計算和建模，設計一種高壓脈沖模擬器，用于模擬電磁環境中瞬時高壓信號的干擾試驗。該高壓脈沖模擬器利用高壓真空繼電器進行極性轉化，高壓水銀開關實現放電。經測試，該高壓脈沖模擬器實現了ns級上升沿，脈寬1μs，帶載50Ω，幅值1.5 kV的高壓脈沖輸出。

關鍵詞：安全測試；電磁環境；高壓脈沖；模擬器；干擾試驗

中圖分類號：TP271;TP277 文獻標志碼：A 文章編號：1674-2605（2023）06-0005-04

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.06.005

Design of a High-voltage Pulse Simulator for Interference Testing

YANG Maochang1PAN Shaoci2

（1.GuangdongZhongzhi Testing Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510663，China

2.Institute of Electronic Products and Electrical Appliances， Guangdong Academy of Sciences，Guangzhou 510400， China）

Abstract：Design a high-voltage pulse simulator through principle analysis， engineering calculation， and modeling to simulate interference tests of instantaneous high-voltage signals in electromagnetic environments. The high-voltage pulse simulator utilizes a high-voltage vacuum relay for polarity conversion and a high-voltage mercury switch for discharge. After testing， the high-voltage pulse simulator has achieved a ns level rising edge and a pulse width of 1 μs. High-voltage pulse output with a load of 50 Ω and an amplitude of 1.5 kV.

Keywords：security testing; electromagnetic environment; high-voltage pulse; simulator; interference test

0引言

許多工業和商用設備，如電梯、空調、燈具、影視設備等，出廠前都要進行安全測試和可靠性測試。尤其是涉及公共安全的設備，如電梯、消防設備、公共電力設備等測試會更加嚴格，需通過接近方波的、伏秒積大于1 kVμs的高壓脈沖干擾測試。目前，高壓脈沖產生的方式主要有：1）可控雙極性方式[1]，通過可控高壓開關切換極性產生高壓脈沖，實現方式簡單；2）固態開關串并聯方式[2]，可實現高壓脈沖，但設計復雜，不利于工程應用；3）磁壓縮高壓脈沖方式[3]，可產生陡峭上升沿窄脈寬脈沖，但僅適用于

脈寬為100ns以內的高壓脈沖；4）Marx壓縮高壓脈沖方式[4-5]，可產生ns級上升沿、上百千伏的高壓脈沖，但脈寬波形不適合本文要實現的波形。

基于文獻[1]的技術原理，本文設計一種利用高壓真空繼電器進行極性轉化，高壓水銀開關實現放電的雙極性高壓脈沖模擬器，實現ns級上升沿，脈寬1μs，帶載50Ω，幅值1.5kV的高壓脈沖輸出。

1高壓脈沖發生原理

高壓脈沖模擬器是一種通過特殊開關將高壓直流電源轉換為脈沖輸出的電源。本文設計的高壓脈沖模擬器利用放電回路的相位延時網絡產生相位延遲、輸出端疊加反相信號，最終獲得輸出脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示。

圖1中，RI為充電電阻，與控制電路結合形成短路保護電路；CS為儲能電容，是放電時的高壓電源；LCOAX為輸出電感，C1和C2為對地電容，LCOAX、C1、C2組成同軸線纜的等效參數網絡；RLOAD為脈沖輸出端，外接被測試設備。

在高壓開關（放電開關）閉合時，終端電阻RLOAD與延時線纜（本文用同軸線纜作為延時線纜）的特性阻抗相等，終端電阻RLOAD的電壓是正的1/2高壓；同時，在高壓開關（放電開關）閉合的瞬間，回路阻抗從開路變為終端電阻RLOAD（50Ω），終端電阻RLOAD的電壓（正的1/2高壓）經延時線纜向高壓電源CS方向反射；當反射電信號到達充電電阻RI（170 kΩ）時，RI阻抗遠大于延時線纜阻抗，形成第二次反射，以負的1/2高壓向終端電阻RLOAD方向反射；當第二次反射電信號到達終端電阻RLOAD時，與原來的正1/2高壓抵消，形成一個完整的方波[6]。方波寬度等于電信號在延時線纜上來回反射的時間，改變延時線纜長度可改變方波寬度。

電信號在真空中的傳播速度為光速\"3\"×〖\"10\" 〗^\"8\" m/s，即0.3 m/ns。在其他傳輸介質中傳播時，設傳輸介質的相對介電系數為ε，則電信號的傳播速度為\"3\"/（\"10\" √（\"ε\" ））m/ns。傳輸延時公式為

式中：L為延時線纜的長度，單位m；ε為同軸線纜的相對介電系數。

2" 硬件設計

基于上述原理設計合適的傳輸延時網絡，使延時達到μs級別。本文的同軸線纜材料為特氟龍，相對介電系數為2.1，公式（1）可簡化為

由公式（2）可知，若輸出1 μs脈寬的高壓脈沖，延時線纜長度為207 m。延時反射波的路徑為先到源端再到負載端，所以實際延時線纜的長度為207/2=103.5 m。

高壓脈沖模擬器主要包括電源模塊、升壓模塊、高壓開關、儲能模塊、延時線纜和放電模塊、控制電路等，電路模型如圖2所示。

2.1電源模塊

電源模塊為高壓脈沖模擬器的供電電路，包括兩部分：1）高壓脈沖模擬器的控制電路、高壓開關和放電模塊中高壓水銀開關的供電，采用符合3C認證的AC/DC開關電源，功率為100W，輸出直流電壓為24V/12V/5V；2）升壓模塊的供電，采用符合3C認證的AC/DC開關電源，功率為300W，輸出直流電壓為24V[7-8]。這兩部分相互獨立。

2.2升壓模塊

升壓模塊為高壓脈沖模擬器產生高壓電源，采用雙管正激電路拓撲結構，通過變壓器一級升壓，四級倍壓整流升壓到開路電壓3kV。倍壓整流二極管為高壓硅堆二極管，耐壓為10kV；電容為22nF、10kV的陶瓷電容[9-10]。

2.3高壓開關

高壓開關采用JPK-23陶瓷高壓真空繼電器進行正負電壓切換，耐壓為12kV，控制電壓為24V[11]。

2.4儲能模塊

儲能模塊用于高壓脈沖儲能，主要包括170kΩ的充電電阻RI和6.2μF、6kV的儲能電容CS[12]。

2.5延時線纜和放電模塊

延時線纜和放電模塊是高壓脈沖模擬器的核心。延時線纜用于電信號的反射和延時，與儲能模塊和放電模塊產生高壓脈沖；放電模塊采用12kV耐壓的高壓水銀開關[11]。

2.6控制電路

控制電路采用STC32G12K128單片機作為主控芯片，用于控制升壓模塊、高壓開關和放電模塊。其主要控制時序為：首先，控制升壓模塊進行升壓；然后，根據實際產生正或負脈沖來控制高壓開關選擇極性；最后，控制放電模塊的高壓水銀開關進行放電，產生高壓脈沖，同時對過載和短路進行保護控制。

高壓脈沖模擬器硬件的設計關鍵是延時線纜布設。根據公式（2）的計算，產生1 μs的延時需要同軸線纜103.5m。根據常用同軸線纜尺寸表（RG系列），選擇同軸線纜RG-8，其外徑為10.3 mm，耐壓為10 kV，滿足設計要求。

同軸線纜設計為圓形布設，如圖3所示，線纜線圈剖面示意圖如圖4所示。考慮到高壓脈沖模擬器為試驗測試設備，外觀尺寸不能太大，同時繞線后方便調整線纜長度，故設計為圓形繞線。

設定同軸線纜繞圈最小直徑為349 mm，平均直徑為400 mm，最大直徑為462 mm。根據圓周長公式，同層中每圈對應的同軸線纜的繞線圓尺寸如表1所示。

由表1計算得到單層同軸線纜的總長度為15274mm；同軸線纜布設的層數為103500/15274=6.77，取整7層；線圈的截面尺寸為126.3mm×72.1 mm。如圖4所示，整個線圈的剖面取整數尺寸為462 mm×72mm。整個同軸線纜布設后，整體外形尺寸長寬高為462mm×462mm×72 mm。

高壓脈沖模擬器機箱的外觀尺寸為適用標準機柜尺寸，高度為6U（1U為44.4 mm），則高壓脈沖模擬器長、寬、高為480 mm×480 mm×266 mm。同軸線纜繞線后的尺寸為462 mm×462 mm×72 mm，即使考慮布設同軸線纜間有空隙，余下的機箱空間足夠放置其他模塊。

3波形測量與實驗分析

對高壓脈沖模擬器進行波形測量與實驗分析。測量設備為190～202帶寬200MHz的示波器、THDP0100高壓探頭和50Ω負載。其中，高壓探頭電壓衰減比為1000∶1，示波器輸入端電壓比設置為1000∶1。

高壓脈沖輸出波形測量參數如表2所示，測試波形如圖5、6所示。

由圖5、6可知，高壓脈沖模擬器產生的高壓脈沖符合參數設計要求：上升沿2ns（±20%），脈寬1μs（±20%），幅值1.5 kV（±20%），驗證了本文設計的高壓脈沖模擬器是可行的，具有工程實用性。

4結論

本文設計了一種高壓脈沖模擬器，用于電子設備的高壓脈沖干擾測試。該高壓脈沖模擬器采用同軸線纜組成的延時網絡，實現1 μs脈寬，1.5kV脈沖輸出。本文設計方法具有工程易實現、成本較低、可靠性和安全性高等特點，為實驗室針對特定要求的脈沖測試提供了一種思路和方向。

參考文獻

[1]張碩，聶鵬飛，龐存鎖，等.可控雙極性高壓脈沖超聲激勵電源設計[J].信息技術，2022（3）：17-23.

[2]施陽杰.基于固態開關串并聯的脈沖電源研制[D].合肥：中國科學技術大學，2022.

[3]寇科男，劉冬，金晗冰，等.電磁脈沖模擬器快前沿高壓脈沖源設計[J].安全與電磁兼容，2022（5）：34-39+52.

[4]趙寬祥.基于Marx的全固態倍頻高壓脈沖電源技術的研究[D].天津：河北工業大學，2022.

[5]姚學玲，焦梓家，孫晉茹，等.一級Marx壓縮的高穩定納秒脈沖電源的設計[J].強激光與粒子束，2023，35（6）：101-109.

[6]趙虹兵.脈沖發生器信號合成模塊設計[D].成都：電子科技大學，2016.

[7]李心怡.基于APFC的雙管正激變換器設計[D].長沙：湖南大學，2021.

[8]王瑞東.正激式有源箝位電壓模開關電源的研究[D].西安：西安電子科技大學，2021.

[9]楊衛悅.高壓直流電源設計研究[D].天津：天津理工大學，2022.

[10]易磊.一種高效率升壓型DC-DC轉換器設計[D].南京：南京郵電大學，2022.

[11]賀增輝.便攜式高壓發生器的設計與研究[D].北京：北方工業大學，2022.

[12]周任暉.直流高壓電源保護電路設計[D].沈陽：沈陽師范大學，2023.

作者簡介：

楊茂昌，男，1972年生，本科，高級工程師，主要研究方向：電力設備檢測技術、電力電子技術。E-mail： 13903015705@139.com

潘少祠，男，1981年生，本科，工程師，主要研究方向：電子技術和測控技術。E-mail：13710081297@139.com