杨立新　侯克男

（北京智芯微电子科技有限公司，北京　102200）



一种功率脉冲驱动方法及空间取电技术研究

杨立新侯克男

（北京智芯微电子科技有限公司，北京102200）

本文主要阐述了一种功率脉冲驱动方法、功率脉冲发生装置技术实施方法以及空间取电技术的研究。具体为采用双极板电场感应取电的方式从高压输电线路上获取电压，通过在高压线路和大地之间架设两个平行于大地的极板构成一个电容，高压线与大地之间的高压电场将使此电容的两极之间产生电压差，作为功率脉冲驱动电压。将交流电压通过整流转化成直流电，对直流进行电能存储，输出直流，并通过控制模块产生使三极管导通、关断的控制信号，从而将输出的直流电转化成功率脉冲信号，并将三极管控制在发生二次击穿但可逆的范围内，最后根据输出的脉冲信号驱动负载。

空间取电；二次击穿；脉冲驱动；三极管；电容器

迄今为止，在功率脉冲发生装置中，绝大部分都是应用数字电子技术（逻辑门电路、555定时器以及单片机等）来产生固定频率的脉冲，从而驱动负载来进行工作。但在一些应用领域中，这种应用数字电子技术的功率发生装置有时会出现电路过于复杂从而导致成本过高等问题。

另外，对于高压输电线路上的功率脉冲发生装置，目前比较常用的取能方式主要有高压电流感应、电池和激光传输能量等。但是，这些取能方式有各自的弊端。例如：电流感应取能装置需要较大的启动电流，电池和激光传输能量的取能方式存在成本较高等问题［1-2］。

本论文提供一种全新的功率脉冲驱动方法和高压输电线路空间取电的技术，根据此方法和技术研制的功率脉冲发生装置可以提供自供能、构造简单、低成本等特点，并可以克服如上所述的现有技术中存在的缺点。

1　功率脉冲驱动方法及空间取电技术原理说明

本文提出一种功率脉冲驱动方法，采用模拟电子技术来设计，即利用晶体管二次击穿技术，来实现脉冲发生功能。其发生频率的高低，由取电电容器和电路内部各个模拟器件的参数来决定。选择不同的参数匹配，就会有相应频率的信号发生。（随着三极管集电极和发射极之间电压的增大，集电极电压增大到某一临界值时，集电极和发射极两端的电压突然减小，集电极电流急剧增大，出现负阻效应，这就是三极管二次击穿。通常认为三极管的二次击穿是不可逆的，可能会造成器件的永久性损坏。即集电极和发射极之间电压高于二次击穿电压时，集电极和发射极之间电压突然减小，集电极电流急剧增大，导致三极管的不可恢复的、永久性的损坏）。二次击穿在大部分情况对三极管是有害的，但本论文提供的方法可以通过合理选择模拟器件参数，通过对三极管的二次击穿进行适当控制，从而把发生二次击穿的程度控制在不使三极管失效或不对其造成损伤的水平。在确保不使三极管失效或损坏的前提下，实现电压向脉冲信号的转换，从而驱动相应负载［3-5］。

另外，还提出了一种空间取电技术，即采用双极板电场感应取电的方式从高压输电线路上取能，为功率脉冲发生装置提供电源。采用此方法，将使功率脉冲发生装置的供电不受环境限制，即在任何封闭环境或露天环境下只要有稳定的电压，采用电场感应方式的自供能单元就能持续供给稳定的能量。其工作原理在于：无论高压线路中电流如何变化，其电压都稳定不变，所以通过在高压线路和大地之间架设两个平行于大地的极板构成一个电容器，高压线与大地之间的高压电场将使此电容器的两极之间产生足够的电压差，从而为脉冲发生装置供电［6-8］。

2　拟研制的功率脉冲发生装置硬件原理

功率脉冲发生装置总体结构原理框图如图1所示。

图1　功率脉冲发生装置结构原理框图

整个装置主要包括取电单元、整流单元、功率脉冲发生单元和控制模块。其中，取电单元作为整个装置的输入端，负责从高压线路周边电场取得能量，所有的后级单元使用的能量都是从取电单元得到的；整流单元负责把取电单元取得的交流电转化为直流电，为后级的功率脉冲发生单元提供能量；功率脉冲发生单元负责把整流模块转换后的直流电能存储，并转化成功率脉冲的形式输出；控制模块的主要功能是对功率脉冲发生单元提供保护和控制。以下具体描述各个组成部分［9-10］。

2.1取电单元

取电单元主要由电容器（C）组成。图2描述本文的取电单元的输入连接及原理示意图。如图2所示，电容器（C）被置于高压交流线路上，一种方式是电容极板1直接连接到高压交流线路上，极板2悬空；也可以直接用高压交流线路作为电容极板1，极板2悬空。这里，可以把极板2对地视作一个电容器，其电容标记为C1，如图2中的虚线所示。取电单元的输入连接及电容分压原理示意图如图2所示。

图2　取电单元的输入连接及电容分压原理示意图

由于电容在通过交流电时有容抗，根据电容分压原理，电容器C上可以分得一定的电压，具体如下：

式中，UL为高压线路的相电压；ZC为电容器C的容抗；ZC1为电容器C1的容抗。

本文通过在高压线路附近设置电容器 C，将聚集在电容器C的两个极板上的能量进行收集，并通过相应处理，来为后级电路提供电源。

2.2整流单元

整流单元的作用是将取能电容器（C）获得的交流电转化为直流电，在图3中主要由整流桥 D1组成，但不局限于此。取电单元及整流单元如图3所示。

2.3功率脉冲发生单元

功率脉冲发生单元是该装置的核心，采用功率脉冲的方式取得电能供用电设备使用。具体如图3中的右虚线框中所示。

图3　取电整流单元及功率脉冲发生单元原理图

图3是根据功率脉冲发生装置的一个实施例。需注意的是，其中未体现具体的控制模块的电路原理图，控制模块的具体实现方式将在图4中进一步描述［11-12］。

取电电容器C从高压交流输电线路获得电能，两极板产生交流电压 Uc，经整流桥D1整流后，对电容器C1进行充电，电容器C1上的电压直接作用于MOS管Q2的漏极。此时，控制信号CON为低电平，MOS管Q2处于导通状态，当电容器C1持续充电，电压值达到晶体管Q1的一次击穿电压时，Q1发生一次击穿，电容器C1继续充电，电压值达到Q1的二次击穿电压时，Q1发生二次击穿，控制模块延时一定时间后立即控制CON信号为高电平，断开Q2，使 Q1二次击穿中断（图4），此时一个脉冲输出完成。一定时间后电容器C1上电荷基本泄放为0，所以C1两端电压急剧下降至基本为0（只要电路各器件参数选取合适，C1两端的电压完全可以基本下降至0）。Q2断开之后，CON信号为低电平，Q2导通，电容器 C1继续充电，直至Q1再次发生一次和二次击穿，如此往复。在电阻器R2两端产生功率脉冲Up，该脉冲可以用来驱动发光设备闪烁、发声设备间歇性发声等。控制模块的原理框图如图4所示。

图4　控制模块的原理框图

控制模块主要由电压检测子模块、延时子模块和控制信号输出子模块三个部分组成。电压检测子模块接收加在图3三极管Q1集电极上的电压VC作为其输入电压VC，并对其进行检测，当检测到输入电压达到预先存储的三极管Q1的二次击穿电压时，输出使延时子模块延时一定时间的信号，延时子模块接收到该信号后，延时一定时间后使CON信号为高电平，并通过控制信号输出子模块输出控制MOS管Q2的控制信号CON，从而断开Q2，中断Q1的二次击穿，以防止Q1烧毁。其中，图4中电压检测子模块预先存储三极管的二次击穿电压［13-14］。

3　功率脉冲驱动方法适用场合

本论文所提供的技术方法通过电场的方式取得能量并产生功率脉冲可以驱动发光设备闪烁、发声设备间歇性发声等。其特别之处在于采用模拟电子技术的三极管二次击穿特性来实现脉冲频率发生功能，同时将电场感应出来的能量加以利用，形成自供能的输电线路功率脉冲发生装置。该装置可用作指示器，例如：航空报警灯、信息牌等；也可用于恐吓动物的发声器件、横贯电力线路的标靶等。

4　结论

本文主要提供了一种功率脉冲驱动方法、功率脉冲发生装置技术实施方法以及空间电场取电技术。通过在高压线路上铺设电容极板从高压线路获电能，通过后端的整流滤波单元，把此交流信号转换为直流信号，通过控制模块控制MOS管的导通和关断的时间，通过电路各器件参数合适选取，使三极管在可逆的范围内发生二次击穿，从而发出功率脉冲信号，驱动负载。此方法不仅解决高压输电线路空间取电的难题、数字脉冲发生电路过于复杂，而且降低了脉冲发生电路及装置的成本等问题。

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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

杨立新（1981-），男，本科，研发工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化、输配电及用电工程工作。