刘明武

（乌海职业技术学院电力工程系，内蒙古 乌海016000）

1.2/50 μs冲击电压发生器的理论方案研究

刘明武

（乌海职业技术学院电力工程系，内蒙古 乌海016000）

冲击电压发生器是一种产生雷电冲击电压波及操作过电压波等脉冲波的高电压发生装置，是高压试验室的基本试验设备，基于以上背景，将模拟产生1.2/50 μs标准雷电冲击电压波。该设计主要包括5个模块电路：倍压整流电路，冲击电压发生器基本回路，驱动电路，过热保护电路以及单片机模块电路。设计的基本原理是利用单片机模块电路来控制电容的充放电过程，从而模拟产生出1.2/50 μs标准雷电冲击电压波。

冲击电压发生器；高电压发生装置；1.2/50 μs；单片机

0 引言

冲击电压发生器是高电压试验室的基本试验设备之一[1-7]。它是一种模仿雷电及操作过电压等冲击电压的电源装置，主要用于电力设备等试品进行雷电冲击电压全波、雷电冲击电压截波和操作冲击电压波的冲击电压试验，检验绝缘性能。冲击电压发生器还可以用来作为纳秒脉冲功率装置的重要组成部分，也可在大功率电子束和离子束发生器以及二氧化碳激光器中作为电源装置。1.2/50 μs标准雷电冲击电压波，是一种迅速从零上升到最大值，然后缓慢地下降的脉冲电压，即波头时间是1.2 μs，半波时间是 50 μs，所以可以模拟产生 1.2/50 μs雷电冲击电压波来检验其电力设备的绝缘性能[8]。

本系统的设计主要包括5个模块电路：倍压整流电路[9]，冲击电压发生器基本回路，驱动电路，过热保护电路以及单片机模块电路。倍压整流电路采用了四倍压整流，使输入的交流电压变为直流电压，并且电压值变为交流电压峰值的四倍；冲击电压发生器基本回路主要包括充电和放电回路，实现电容的充电和放电过程；驱动电路是用来驱动IGBT[10-12]，使其定时导通和关闭；过热保护电路是采用负温度系数热敏电阻和电压比较器来实现对IGBT的保护；单片机模块电路主要是用来使I/O口产生占空比一定的脉冲波形，使驱动电路定时产生高低电平，定时导通和关断IGBT，实现电容的充放电过程，从而模拟产生出1.2/50 μs标准雷电冲击电压波。

1 系统设计方案论证

1.1 系统设计流程图

如图1所示，将幅值可变的交流电作为该系统的输入，经过四倍压整流回路产生大约最大值为输入电压峰值的4倍的直流电压，将该直流电压作为冲击电压发生器充放电回路的输入，然后在单片机的控制下产生两组具有一定占空比的脉冲信号来驱动IGBT，从而实现电容的定时充放电过程，继而可在示波器上观察到1.2/50 μs冲击电压波形[13-14]。

图1 系统流程图Fig.1 System flowchart

短路保护采用的是250 V/1 A保险丝，防止过电流；浪涌保护采用的是压敏电阻，防止过电压，从而达到保护电路的目的。

倍压整流电路采用的是以1N4007整流二极管和2 μF/1 600V电容为主要元件的四倍压整流电路，目的是将幅值可变的交流电压转变为输入电压峰值的4倍的直流电压[15-16]。

充电回路和放电回路组成了冲击电压发生器基本回路。充电和放电回路各有1个IGBT来控制其电容的充放电时间。充电电路是以输入电压峰值的4倍的直流电压作为输入，对22 nF/2 kV电容C2进行充电，使其最大值达到输入电压峰值的4倍的直流电压左右。放电回路是先是电容C2向放电回路的2.2 nF/2 kV电容C3充电，然后电容C2和C3再同时向电阻R4放电，从而得到1.2/50 μs波形。

过热保护电路是以负温度系数热敏电阻和电压比较器为主要芯片，监测放电回路中的IGBT的温度变化，防止IGBT回路电流过大，从而达到保护电路的目的。

单片机模块电路是以STC12C5A60S2为主控芯片的电路，利用单片机定时器功能产生两组具有一定占空比的脉冲信号，作为驱动电路的输入信号。驱动电路是以TLP250为主要芯片的电路，利用单片机产生的脉冲信号产生两组高电平为13 V，低电平为-5 V的具有一定占空比的驱动信号，从而控制IGBT的导通与关闭时间。

1.2 方案论证及选择

1.2.1 系统方案论证与选择

方案一：采用图2所示的冲击电压发生器发生器常用回路。该电路的效率为0.7～0.8，效率较低；其中R11为阻尼电阻，目的是减少电路中的寄生振荡；R12是波前电阻，可用来调节波前时间，改变试验电压波形，继而可满足多方面的需求。

图2 冲击电压发生器常用回路Fig.2 Impulse voltage generator commonly common circuits

方案二：采用图3所示的冲击电压发生器发生器高效率回路。该电路的效率为0.9以上，效率较高；但缺少阻尼电阻，可能会导致电路中产生寄生振荡，从而影响冲击电压波形。

图3 冲击电压发生器高效率回路Fig.3 Impulse voltage generator high efficiency circuits

综合以上两种方案，选择方案一冲击电压发生器常用回路。

1.2.2 整流电路论证及选择

方案一：采用半波或全波整流电路，该方案一般适用于输出电压比较低时的情况，如果该方案通过增加变压器次级匝数来获得较高的输出电压，则会产生较大的充放电电流和噪声，会造成变压器的较大损耗[13]。

方案二：采用倍压整流电路，该方案正好适用于高电压，小电流的情况，该方案是利用整流二极管的单向导通性和电容的充放电特性来获得较高的输出电压，方案简单可行。

综合以上两种方案，选择方案二倍压整流电路。

1.2.3 驱动电路论证及选择

方案一：采用分立元件驱动电路。插接式驱动电路主要由分立元件构成，但集成化程度低，结构复杂，故障率较高。

方案二：采用光电耦合器驱动电路。可采用TLP250光耦外面再加上辅助电源和限流电阻以及稳压管等元器件构成驱动电路，虽然反应较慢，具有一定的延迟时间，但是成本较低，比较简单[10]。

方案三：采用专用集成驱动电路。比如EXB841，它能够产生负电压，并且抗干扰能力较强，外围结构较简单，故障率较低，但是成本较高。

综合以上三种方案，选择方案二光电耦合器驱动电路。

1.2.4 单片机论证及选择

方案一：采用STC89C51单片机。STC89C51单片机是8位单片机。优点如下：价格便宜，使用方便等特点，采用STC89C51单片机实现，软件编程自由度大。缺点如下：运算速度低，指令多而复杂，功能单一，ROM，RAM空间小，不稳定等。

方案二：采用STC12C5A60S2单片机。该单片机具有高速，超强干扰，低功耗的功能，价格也较低，使用简单，RAM，ROM空间大，速度比STC89C51快8～12倍。

方案三：采用MSP430单片机。MSP430单片机是16位单片机。优点如下：指令少而且简单，有强大的处理能力，速度快，低功耗，有丰富的片内资源，便捷，高效的开发环境，而且由于引进了闪存程序存储器和JTAG技术，不但使开发工具变得简便，而且可以在线编程。缺点如下：价格较贵，I/O无保护，过压电流会击穿。

综合以上3种方案：选择方案二STC12C5A60S2单片机。

2 系统模块电路设计分析

2.1 冲击电压发生器基本回路分析与计算

为了近似分析输出电压波形与回路元件参数的之间的关系，作出以下分析。

在决定波前时间T1时，忽略电阻R4的存在，故由电路分析基础知识可得，这时电容C3的电压公式：

因为C2≫C3，所以公式中的波前时间常数τ1≈（R2+R3）C3。然后由所学知识可得：

在决定半波时间T2时，忽略电阻R2和R3的存在，近似地认为C2和C3并联起来对电阻R2放电。故由电路分析基础知识可得，这时电容C3的电压公式：

公式中的波尾时间常数 τ2≈（C2+C3）R4。 然后由所学知识可得：波前时间

由我们最后想要得到的1.2/50 μs冲击电压波形可得到回路元件参数，通常回路中的C2和C3是根据实际情况预先选定的，比如说根据所要求的冲击放电能量选定C3。并且为了保证发生器有足够大的利用系数，通常取

R2在保证不出现寄生振荡的前提下，R2的阻值尽可能取得小一些，一般取几十欧姆即可。还有由于输入的电压最大值大约为输入的交流电压峰值的4倍的，故取R1≈600 kΩ。所以由公式可得：

由于经倍压整流电路获得大约为输入交流电压峰值的4倍，且课题要求电压可达1 kV，所以选电容C2的参数为22 nF/2 kV，电容C3的参数为22 nF/2 kV，电阻R2的参数为51 Ω/1 W，电阻R3的参数为120 Ω/1 W，电阻R4的参数为3 kΩ/2 W。

图4 冲击电压发生器基本回路Fig.4 Impulse voltage generator elementary circuits

2.2 驱动电路分析与计算

如图5所示是驱动电路，电路具体设计说明如下。

如图5（a）和（b）所示的驱动电路是基于以光电耦合器TLP250为主控芯片，外面再加上辅助电源和限流电阻以及稳压管等元器件的驱动电路。两个驱动电路所有元器件的参数相同，只是所接的脉冲信号不同。由TLP250芯片手册可知，1脚，4脚，7脚均悬空，3脚和5脚接地，但由光电耦合器特性可知，3脚所接的地是数字地，5脚所接的地是模拟地，5脚和8脚之间接一个470 pF的滤波电容，8脚接VCC，并且通过电阻和5.1 V稳压管到地，稳压管型号为1N4733A，2脚和6脚均接一个限流电阻。

由TLP250芯片手册可知，TLP250的2端口输入电流的典型值为8 mA，而P3.5的电压为5 V，所以所需电阻为则取 R10=510 Ω；由于1 N 4 733 A通过的电流不超过50 mA，则取电阻R23=4.7 kΩ。

图5 驱动电路Fig.5 Driving circuit

2.3 倍压整流电路

如图6所示是倍压整流电路设计原理图，电路具体设计说明如下。

图6 倍压整流电路原理图Fig.6 Voltage doubling rectifing circuit principle diagram

倍压整流电路采用的是以1 N 4007整流二极管和2 μF/1 600 V电容为主要元件的四倍压整流电路，目的是将输入的交流电压转变为大约输入电压峰值的4倍的直流电压。该电路利用整流二极管的单向导通性和电容的充放电特性来获得较高的输出电压，具体原理分析如下：

当输入的交流电压为负半周时：A的极性为负B 的极性为正，D6导通，C5充电极性右边为正左边为负[9]。

当输入的交流电压为正半周时：A的极性为正B 的极性为负，D6截止，D7导通，C6充电极性上边为下边为负。

当输入220 V交流电压再次为负半周时：D6和D7截止，D8导通，C7充电极性上边为正下边为负。

当输入220 V交流电压再次为正半周时：D6，D7和 D8均截止，D9导通，C8充电极性上边为正下边为负。故由以上分析可得，负载接在D节点理论上可得到电压最大值约为输入电压峰值的4倍。但当接上负载后，电容将对负载放电，使输出电压有所降低，但属于正常情况。

2.4 过热保护电路

如图7所示是过热保护电路原理图，电路具体设计说明如下。

图7 过热保护电路Fig.7 Overheat protection circuit

过热保护电路是以10 kΩ负温度系数热敏电阻和电压比较器为主要芯片，监测放电回路中的IGBT的温度变化，防止IGBT因电流过大而发热损坏，从而也保护了整个电路。该电路中比较电阻皆为10 kΩ/1 W，电压比较器为LM393，三极管为9013，继电器型号为HJR-3FF-S-Z，二极管型号为FR107。

如图7所示，有串联分压原理可得，如果IGBT的温度正常，则热敏电阻的电压为2.5 V，当IGBT回路上的电流突然变大时，负温度系数热敏电阻的阻值将变小，导致热敏电阻上的电压将小于2.5 V，因为LM393的3端口电压为2.5 V，而2端口上的电压小于2.5 V，由电压比较器原理可得，则1端口输出高电平，又因为该三极管9013为NPN型，则三极管9013饱和导通，继电器工作，使电源断开不工作，继而保护了整个电路。

2.5 单片机模块电路

如图8所示，单片机模块电路是以STC12C5A60S2为主控芯片的电路，利用单片机定时器和中断功能产生两组具有一定占空比的脉冲信号，作为驱动电路的输入信号。该单片机模块电路主要有晶振电路和复位电路组成，晶振采用的是22.118 4 M，复位电路采用的是手动复位。P3.4和P3.5两个中断端口作为驱动电路的输入端口，利用单片机的定时器和中断功能，P3.5端口输出周期为500 ms，高电平时间为460 ms，低电平时间为40 ms的脉冲信号；P3.4端口输出周期为500 ms，高电平时间为39.9 ms，比P3.5端口输出的波形延迟460.1 ms的脉冲信号。

图8 单片机模块电路原理图Fig.8 Microcontroller module circuit principle diagram

3 结论

本设计主要包括5个模块电路：倍压整流电路，冲击电压发生器基本回路，驱动电路，过热保护电路以及单片机模块电路，然后利用了单片机模块电路来控制电容的充放电过程，从而模拟产生出1.2/50 μs标准雷电冲击电压波。

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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

刘明武 （1982—），讲师，研究方向为电气系统自动化。