軌道車輛用傳感器浪涌防護淺析

0 引言

傳感器作為一種重要的檢測儀器，在軌道車輛上大量應用，傳感器可靠性是軌道車輛安全穩(wěn)定運行的重要保證。在實際應用中，傳感器遭受來自環(huán)境和電路的浪涌干擾的問題時有發(fā)生且不可預測，易導致傳感器輸出信號穩(wěn)定性和精度降低，進而引起系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)異常或控制異常。更糟糕的情況是，因浪涌干擾能量密度大，傳感器直接損壞，從而造成系統(tǒng)故障，帶來損失或造成安全隱患。因此，在軌道交通領(lǐng)域，傳感器應通過浪涌抗擾度試驗已經(jīng)是基本要求。

1傳感器浪涌干擾的特點

傳感器浪涌干擾是指由于電路中的電感、電容等元器件和電路本身的自感和互感作用，當附近發(fā)生雷電，在系統(tǒng)的電源線上產(chǎn)生干擾時，產(chǎn)生瞬間的高幅值電壓或電流，又在傳感器供電線上感應產(chǎn)生短暫的、高幅值的電壓或電流干擾。浪涌干擾具有以下特點：

1）短暫性：傳感器浪涌干擾作用時間很短，一個浪涌脈沖一般在幾十微秒級別。

2）高峰值：傳感器浪涌干擾的峰值可達幾千伏甚至更高。

3）低頻率：浪涌波形的上升沿不是很陡，不含有很高的頻率。

4）高能量：試驗的短路電流可達上千安。傳感器浪涌干擾具有短暫性、高峰值等特點，容易對傳感器輸出信號造成干擾和破壞，從而損壞傳感器的功能或降低傳感器的穩(wěn)定性和精度。

2傳感器浪涌抗擾度試驗要求分析

傳感器浪涌抗擾度通過浪涌抗擾度試驗來驗證，試驗標準按GB/T17626.5—2019《電磁兼容試驗和測量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗》執(zhí)行。連接到電源線和短距離信號互連線的端口適應的浪涌試驗波形如圖1、圖2所示。

圖1是浪涌發(fā)生器的輸出端開路狀態(tài)時的電壓波形，圖2是浪涌發(fā)生器的輸出短路時的電流波形。電壓波形適用于檢驗受試設備的電源線和信號線與外殼之間的絕緣程度，也就是本文后面提到的線對地浪涌；電流波形適用于檢驗受試設備電纜入口處的浪涌防護器件對浪涌的承受能力，就是本文后面提到的線對線浪涌。

下面以 1.2/50μs 電壓波形為例進行波形分析。

對于 1.2/50μs 波形，其函數(shù)描述2為：

式中： V（t） 為雷電電壓； V_p 為電壓峰值；波形系數(shù)包括補償系數(shù)k、波前系數(shù) τ_1? 波長系數(shù) τ₂ ，相關(guān)標準中已給出。

對公式（1）進行傅里葉變換，得出幅值頻譜：

式中： V（ω） 為頻譜電壓幅值; α 為第一拐點角速度， β 為第二拐點角速度， 為角頻率。

當 ω=0 時，電壓幅值為：

幅值頻譜的第一拐點和第二拐點頻率為：

第一拐點頻率由波長系數(shù)決定，第二拐點頻率由波前系數(shù)決定 （1.2/50μs 波形的波長系數(shù)為 68.22μs ，波前系數(shù)為 0.4047μs ，兩者相差100倍以上）。

浪涌脈沖的上升時間在 1μs 以上，時間較長，脈寬較寬，幅值頻譜表明浪涌呈現(xiàn)低頻特性，第二拐點以下的低頻能量占比約 99% ，對電路的干擾以傳導為主。干擾影響主要體現(xiàn)在過高的差模電壓幅度導致輸入器件擊穿損壞，或過高的共模電壓導致線路與地之間的絕緣擊穿。因器件擊穿后阻抗很低，浪涌發(fā)生器產(chǎn)生的大電流隨之使器件過熱損壞。

浪涌要求，對于安裝于軌道車輛轉(zhuǎn)向架牽引電機附近的傳感器，按GB/T17626.5—2019[1]附錄C安裝類別為4類：互連線按戶外電纜沿電源電纜敷設，并且這些電纜被作為電子和電氣線路的電氣環(huán)境，浪涌電壓不超過 4kV ，按試驗等級4，即開路試驗電壓線對線為 2kV 、線對地為 4kV;1.2/50μs 組合波發(fā)生器，有效輸出阻抗為2 Ω 。試驗方法：按GB/T17626.5—2019[1]從試驗等級中較低等級開始進行，直到規(guī)定的試驗等級，施加在直流電源端和互連線上的浪涌脈沖次數(shù)為正、負極性各5次，連續(xù)脈沖間的間隔不超過 1min 。這個試驗方法很重要，是浪涌防護設計容易忽視的問題，容易導致設計上似乎沒問題，試驗時卻通不過。

3滿足浪涌抗擾度要求應采取的措施

根據(jù)浪涌脈沖的低頻特點，采用限幅、泄放能量的浪涌抑制器件來抑制浪涌低頻能量，而高頻成分的干擾，通過電路設計優(yōu)化、線路布局優(yōu)化、接地方式優(yōu)化、屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)等解決。本文主要分析低頻干擾部分的應對措施。

很多傳感器本身結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小，無法安裝尺寸相對較大的專用浪涌抑制部件，因此如何在傳感器小空間內(nèi)有效防范浪涌干擾已經(jīng)成為當下的一個難題。線對地電壓浪涌可以通過增加傳感器的絕緣防護來解決，本文討論線對線電流浪涌的防護方法。

按常規(guī)方法，通過在傳感器電路入口處布置浪涌抑制器件對電壓進行鉗位，打開電流通道泄放浪涌能量，從而保護傳感器后級電路。常用的浪涌抑制器件有氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制管（簡稱TVS）[3]等。實際應用中，壓敏電阻的鉗位因子（鉗位電壓與擊穿電壓之比）太高，鉗位電壓普遍過高，無法保護后級電路；氣體放電管擊穿電壓偏高，響應時間長，擊穿保持電壓過低，后級電路無法正常工作。因此，本文討論采用TVS進行傳感器浪涌防護的情況，目前大容量的貼片型TVS產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)成熟。

傳感器要求在直流 12～24V 電源下能正常工作，傳感器內(nèi)部電路元件正常使用電壓的絕對最大額定值為 40V 。選用TVS時，幾個關(guān)鍵參數(shù)應該關(guān)注，選擇不當，均可能導致傳感器的浪涌防護性能達不到設計要求。首先，TVS的觸發(fā)（擊穿）電壓 V_BR 和反向關(guān)斷電壓 V_R 須高于 24V ，以保證在電源電壓最大至24V時，浪涌防護器件處于高阻狀態(tài)，電路能正常工作；而當發(fā)生浪涌，TVS擊穿，觸發(fā)浪涌電流泄放時，最大鉗位電壓不能超過后級器件的最大額定值 40V ，否則多次浪涌波峰過后，電路中電源最大額定值不到40V的器件會因為浪涌防護鉗位電壓過高而發(fā)生損壞；浪涌峰值電流不應超過TVS的最大峰值脈沖電流 I_PPM ，否則TVS器件將過熱燒毀。另外，應注意TVS的結(jié)電容，高頻電路應考慮其影響。

按GB/T17626.5—2019[1]，傳感器工作電壓為24V ，在直流 60V 以內(nèi)，傳感器端口歸為互連線，傳感器采用屏蔽電纜，單端接地，非對稱線，浪涌耦合配置選擇GB/T17626.5—2019[1中的“圖9\"，如圖3所示。

圖中CD按GB/T17626.5—2019的\"表 8^′′[1] 選擇GDT（氣體放電管），傳感器的頻率特性不重要時可選用 0.5μF 電容。可以看到耦合通路的總電阻為 142Ω （含信號發(fā)生器內(nèi)阻 2Ω^? ，可知浪涌峰值脈沖電流I_PPM 不超過 47.62A（2kV/42Ω. ，未考慮TVS的鉗位電壓和GDT擊穿后維持電壓），這樣可以選擇峰值脈沖功耗 P_PPM 為 3kW 的3.0SMCJ26CA雙向型TVS，參數(shù)如下：擊穿電壓 V_BR 為 28.9～31.9V ，反向關(guān)斷電壓 V_R 為26V，最大峰值脈沖電流 I_PPM 為71.3A，鉗位電壓 V_c （最大峰值電流時）為 42.1V ，因為浪涌電流不超過47.62A，遠低于 71.3A ，鉗位電壓不會超過 40V 。這里需要注意的是，以上是常溫參數(shù)。不同的溫度下，TVS關(guān)鍵參數(shù)一峰值脈沖功率與結(jié)溫的關(guān)系曲線如圖4所示。這是器件選型時容易忽視的一個重要參數(shù)。

從前面所述浪涌試驗方法可知，試驗過程中，傳感器線-線防浪涌TVS會經(jīng)受從 500V.1kV 到2kV共30次浪涌脈沖，如果浪涌脈沖時間間隔過短，電路散熱情況不好，TVS的結(jié)溫會急劇升高。從圖4中可看出，從 25°C 開始，溫度每升高 25°C ，峰值脈沖功率衰減掉額定值的 10% 左右。到結(jié)溫 150°C 時，峰值功率會衰減至常溫的 50% 左右，對于常溫峰值脈沖功耗3kW 的3.0SMCJ26CA，結(jié)溫 150°C 時，峰值脈沖功耗會降至 1.5kW ，鉗位電壓不變的情況下，最大峰值脈沖電流 I_PPM 減至35.7A左右，小于試驗峰值浪涌電流，這時會發(fā)現(xiàn)，特殊情況下， 3kW 的TVS存在容量不足的問題，這是在進行防浪涌設計選型時容易忽略的一個細節(jié)。因此，考慮到試驗方法以及傳感器實際運用的環(huán)境溫度可能較高，TVS易處于高溫狀態(tài)，需要選用更高容量的 P_PPM 為5kW的5.0SMCJ26CA雙向型TVS，參數(shù)如下：擊穿電壓 V_BR 為 28.9～31.9V 反向關(guān)斷電壓 V_R 為 26V ，最大峰值脈沖電流 I_PPM 為892.5A （8/20μs 脈沖電流），鉗位電壓 V_c （最大峰值電流時）為 54.4V ，實際鉗位電壓與之前相同，不會超過 40V 。這樣即使結(jié)溫達 150°C ，也可滿足浪涌要求。試驗證明，使用峰值功率 3kW 的TVS時，到 2kV 浪涌脈沖等級時，傳感器出現(xiàn)功能異常故障（TVS擊毀，繼而電路擊毀），而使用 5kW 的器件時，試驗能順利通過。

4結(jié)論

TVS的適當選型，能較好地解決小空間低電源電壓傳感器的浪涌防護問題，選型應遵循的主要原則如下：

1）擊穿電壓VBR和反向關(guān)斷電壓 V_R 應高于傳感器的工作電壓，實際鉗位電壓 V_C， 應低于后級元件的最高耐受電壓。

2）基于浪涌的試驗方法，選型應考慮多次浪涌沖擊后結(jié)溫升高器件性能降級的因素，合理選擇器件的峰值脈沖功率容量。

隨著科技發(fā)展日新月異，傳感器產(chǎn)品越來越廣泛地應用于各種工業(yè)裝備和生活用品中，為了保證產(chǎn)品的安全性、可靠性，傳感器浪涌抗擾度研究成為當前傳感器研究的熱點之一。通過對傳感器浪涌干擾的特點分析和測量，研究抗干擾技術(shù)，進行仿真模擬和試驗研究，制定和完善傳感器浪涌抗擾度標準，不斷提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，可為傳感器在各個領(lǐng)域的可靠應用提供保障。

[參考文獻]

[1」全國電磁兼容標準化技術(shù)委員會.電磁兼容試驗和測量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗：GB/T17626.5—2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[2]翟毅濤，吳峻，曾曉榮.中低速磁浮列車傳感器防浪涌設計及改進[J].國防科技大學學報，2016，38（1）：181-184.

[3]楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.