一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，所述發(fā)生器包括高壓直流源、電阻、儲能電容、觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊、上升沿電路、下降沿電路和同步控制觸發(fā)模塊；所述上升沿電路包括固體開關MOSFET和光耦隔離驅動電路；所述下降沿電路包括固體開關MOSFET電路與雪崩三極管串；所述高壓直流源、電阻、儲能電容、觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊、固體開關MOSFET和光耦隔離驅動電路和雪崩三極管串依次連接。所述實現(xiàn)方法包括：（1）高壓直流電源對儲能電容預充電；（2）觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊將外觸發(fā)信號轉變?yōu)槊}寬可調方波信號；（3）控制光耦隔離驅動電路驅動MOSFET導通，對負載快速充電形成上升沿電路；（4）驅動下降沿電路的MOSFET與雪崩管導通，快速截斷輸出脈沖形成下降沿電路。
【專利說明】一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)，具體講涉及一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法。
【背景技術】
[0002]電力系統(tǒng)中，為了檢驗電力設備耐受雷擊過電壓和操作過電壓的能力，需要在出廠時進行沖擊電壓耐受試驗，所以全國各大高壓實驗室都具備高壓沖擊電壓發(fā)生器以及沖擊電壓分壓器、二次測量儀器等測量設備。其中雷電全波的波前時間為(0.84-1.56) μ S、陡波波前時間〈0.5 μ S、雷電截波的波前截斷時間也需〈0.5 μ S，這就需要測量用分壓器具備良好的暫態(tài)響應特性，否則會導致很大的測量誤差以及波形畸變。因此，在沖擊分壓器出廠或進行校準時需對其進行高頻響應特性試驗標定。目前沖擊分壓器的頻帶范圍不斷擴展，分壓比不斷擴大，傳統(tǒng)的頻率響應法因缺少高頻高壓正弦電源而不能使用，需用方波發(fā)生器對分壓器進行階躍波響應特性試驗。為準確測量分壓器高頻響應特性，要求方波發(fā)生器具有較高的幅值、較寬的脈寬、ns級的上升沿(或下降沿)。
[0003]通常使用的是基于汞潤開關的方波發(fā)生器，這類發(fā)生器的優(yōu)點是:使用方便，重頻特性好，方波上升時間可以達到ns級，能夠滿足階躍波響應試驗的要求，但汞潤開關耐壓有限，普通汞潤開關只能產(chǎn)生(100?300) V的低壓方波。而隨著電壓等級的提高，沖擊分壓器的分壓比不斷增大，低壓方波信號施加于分壓器高壓側時，在其低壓側測量得到的信號相當微弱，易受周圍電磁干擾，在測量數(shù)字示波器上無法分辨，更加不能進行分析計算。另外，對于采用脈沖形成線或Marx電路，并經(jīng)陡化開關原理設計的脈沖發(fā)生器，其輸出方波的上升時間雖然可做到很短(幾ns甚至ps級)，且幅值也可達數(shù)十千伏，但其輸出脈寬很短，通常只有數(shù)百ns，而且抖動較大。由于沖擊電阻分壓器的穩(wěn)定時間一般在200ns左右，弱阻尼分壓器的穩(wěn)定時間更長，因此脈寬過小不能計算得到分壓器的確切穩(wěn)定時間，而且抖動較大時無法分辨測量結果波形中的振蕩是由電源帶來的還是分壓器本身的暫態(tài)響應。
[0004]近年來，各研究學者嘗試用固體開關代替氣體放電開關作為主開關進行方波發(fā)生器的研究，固體開關以MOSFET和雪崩三極管為主，這類固體開關具有通斷穩(wěn)定、重復性好的優(yōu)點，但其耐壓較低、通流能力較差。以MOSFET為主開關的方波發(fā)生器，因MOSFET管導通速度較慢，其輸出方波的前(后)沿較緩，不適用于電容值較大的容性負載；以雪崩三極管為主開關的方波發(fā)生器，因雪崩管通流能力較差，其輸出方波脈寬窄，且當容性負載的電容值較大時，方波前沿(或后沿)變緩，且雪崩管易因過流燒毀。因此，使用上述類型的方波發(fā)生器，較難方便、全面、可靠的對分壓器階躍波響應進行校準。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，針對目前用于電力系統(tǒng)中沖擊電壓分壓器階躍波響應試驗的方波發(fā)生器在波形、重復性、穩(wěn)定性等方面存在的問題，在設計原理及思路上進行了改進，使其幅值可調(300-1000) V，脈寬可調(10-220) μ s，下降時間<5ns的高壓方波信號，該裝置重復性好、性能穩(wěn)定、使用方便、便于攜帶，可用于沖擊分壓器階躍波響應試驗。
[0006]本發(fā)明的目的是采用下述技術方案實現(xiàn)的:
[0007]—種高壓方波發(fā)生器，其改進之處在于，所述發(fā)生器包括高壓直流源、電阻、儲能電容、觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊、上升沿電路、下降沿電路和同步控制觸發(fā)模塊；所述上升沿電路包括固體開關MOSFET和光耦隔離驅動電路；所述下降沿電路包括固體開關MOSFET電路與
雪崩三極管串；
[0008]所述高壓直流源、電阻、儲能電容、觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊、固體開關MOSFET和光耦隔離驅動電路和雪崩三極管串依次連接。
[0009]優(yōu)選的，所述高壓直流源為直流模塊電源。
[0010]優(yōu)選的，所述儲能電容為高壓薄膜脈沖電容器。
[0011]優(yōu)選的，所述觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊包括外觸發(fā)電路和脈寬調節(jié)電路。
[0012]優(yōu)選的，所述電阻包括直流充電電阻、限流阻尼電阻、均壓電阻和阻尼電阻。
[0013]優(yōu)選的，所述固體開關MOSFET電路與雪崩管串聯(lián)電路形成并聯(lián)支路，同步觸發(fā)模塊發(fā)出觸發(fā)MOSFET和雪崩三極管的觸發(fā)信號，兩種開關采用過電壓脈沖變壓器隔離驅動，并通過調節(jié)同軸電纜的長度實現(xiàn)兩種開關導通的先后順序，由MOSFET開關先行導通再控制雪崩三極管導通。
[0014]優(yōu)選的，所述發(fā)生器采用電子器件，元器件和模塊集成在全屏蔽的金屬盒中，電源和測量電纜通過盒上的端口相連，使用過程中接通電源調節(jié)直流模塊的輸出電壓即可。
[0015]本發(fā)明基于另一目的提供的一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，其改進之處在于，所述方法包括:
[0016](I)高壓直流電源對儲能電容預充電；
[0017](2)觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊將外觸發(fā)信號轉變?yōu)槊}寬可調方波信號；
[0018](3)控制光耦隔離驅動電路驅動MOSFET導通，對負載快速充電形成上升沿電路；
[0019](4)驅動下降沿電路的MOSFET與雪崩管導通，快速截斷輸出脈沖形成下降沿電路。
[0020]優(yōu)選的，所述步驟(4)包括控制上升沿電路MOSFET關斷，用于防止對負載再次充電，并防止儲能電容長時間通過雪崩管放電而燒毀雪崩管。
[0021]優(yōu)選的，所述步驟(2)包括通過脈寬調節(jié)模塊可以形成脈寬(10-220) μ s的方波，并且平頂降〈0.5%，脈寬遠大于被檢測分壓器的響應穩(wěn)定時間，分壓器對方波上升沿的響應不會干擾其對下降沿的響應，且方波下降沿后輸出波形可長時間穩(wěn)定在零電位，對分壓器的響應無干擾。
[0022]優(yōu)選的，所述MOSFET與雪崩管串聯(lián)電路形成并聯(lián)支路，調節(jié)其同步導通放電，雪崩管回路對MOSFET放電回路形成快速截斷，用于防止因雪崩管通流能力差而發(fā)生過流燒毀。
[0023]優(yōu)選的，所述步驟(4)包括發(fā)生器回路對負載沒有限制，電阻為>2kQ的電阻分壓器，400pF左右的弱阻尼電容分壓器都可掛接，而且負載為(2-10)kQ或(300-500)pF變化時發(fā)生器的輸出電壓下降沿都可滿足<5ns。
[0024]與現(xiàn)有技術比，本發(fā)明的有益效果為:
[0025]本發(fā)明的基于MOSFET與雪崩三極管的便攜式高壓方波發(fā)生器，該發(fā)生器利用了MOSFET開關和雪崩三極管的優(yōu)點，可以產(chǎn)生幅值可調(300-1000) V，脈寬可調(10-220)μ s，下降時間<5ns、波形可重復、重復頻率可調節(jié)，脈寬平頂降〈0.5%的高壓方波信號；結構緊湊、性能穩(wěn)定、帶負載能力強，攜帶方便，可操作性強，抗電磁干擾能力強。負載可為沖擊電阻分壓器和弱阻尼電容分壓器，能進行沖擊電壓測量設備，陡波測量設備的階躍波響應試驗及其溯源方面的研究，有較大的科學研究與工程使用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明提供的一種高壓方波發(fā)生器示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明提供的一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法負載輸出方波波形示意圖?！揪唧w實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0029]一種基于MOSFET與雪崩三極管的便攜式高壓方波發(fā)生器，由高壓直流源、儲能電容、電阻、觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊、上升沿電路、下降沿電路、同步控制觸發(fā)模塊組成。其中，高壓直流源用直流模塊電源；儲能電容為高壓薄膜脈沖電容器；觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊由外觸發(fā)電路與脈寬調節(jié)電路組成；電阻包括直流充電電阻、限流阻尼電阻、均壓電阻和阻尼電阻；上升沿電路由固體開關MOSFET及光耦隔離驅動電路組成；下降沿電路包括固體開關MOSFET電路與雪崩管串聯(lián)電路形成并聯(lián)支路，同步觸發(fā)模塊發(fā)出觸發(fā)MOSFET和雪崩三極管的觸發(fā)信號，兩種開關采用過電壓脈沖變壓器隔離驅動，并通過調節(jié)同軸電纜的長度實現(xiàn)兩種開關導通的先后順序，由MOSFET開關先行導通再控制雪崩三極管導通。本發(fā)明由于上升沿電路采用MOSFET作前級開關，控制其與下降沿電路中的后級開關的導通間隔可調節(jié)輸出方波脈寬，下降沿電路通過MOSFET與雪崩三極管的配合使用使其產(chǎn)生<5ns的陡下降沿，用于測量沖擊分壓器的階躍波響應。
[0030]具體為:高壓直流電源對儲能電容預充電，觸發(fā)脈寬調節(jié)電路實現(xiàn)外觸發(fā)及方波脈寬調節(jié)，控制光耦隔離驅動電路驅動MOSFET導通，對負載快速充電形成較快上升沿，達到一定方波脈寬后驅動下降沿電路的MOSFET與雪崩管導通，快速截斷輸出脈沖形成快下降沿，下降沿MOSFET與雪崩三極管的同步是由同軸電纜觸發(fā)延時實現(xiàn)的。同時，控制上升沿電路MOSFET關斷，以防止對負載再次充電，并防止儲能電容長時間通過雪崩管放電而燒毀雪崩管，從而輸出慢上升沿、寬脈寬、快下降沿的方波電壓。
[0031]其中，采用電容放電型方波產(chǎn)生原理，通過脈寬調節(jié)模塊可以形成脈寬(10-220)μ s的方波，并且平頂降〈0.5%，脈寬遠大于被檢測分壓器的響應穩(wěn)定時間，分壓器對方波上升沿的響應不會干擾其對下降沿的響應，且方波下降沿后輸出波形可長時間穩(wěn)定在零電位，對分壓器的響應無干擾。
[0032]其中，固體開關MOSFET與雪崩管串聯(lián)電路形成并列支路，調節(jié)其同步導通放電，雪崩管回路對MOSFET放電回路形成快速截斷，既彌補了 MOSFET導通速度較慢的問題，又可防止因雪崩管通流能力差而發(fā)生過流燒毀；采用過壓驅動可加快MOSFET與雪崩管的導通速度，減小導通時間的波動，易于調節(jié)其同步導通。數(shù)納秒的下降沿可用于分壓器的高頻響應特性校核標定。
[0033]其中，基于本發(fā)明，發(fā)生器回路對負載沒有限制，電阻為>2kQ的電阻分壓器，400pF左右的弱阻尼電容分壓器都可掛接，而且負載為(2-10) k Ω或(300-500) pF變化時發(fā)生器的輸出電壓下降沿都可滿足<5ns。
[0034]其中，發(fā)生器全部采用電子器件，重復性好、波動小、結構緊湊、攜帶方便，適用于現(xiàn)場試驗。所有元器件和模塊集成在全屏蔽的金屬盒中，電源和測量電纜通過盒上的端口相連，使用過程中接通電源調節(jié)直流模塊的輸出電壓即可。
[0035]實施例
[0036]圖1中的標記說明為:
[0037]V—直流電源，Ra—直流充電電阻，Ca—儲能電容，Rd—限流阻尼電阻，I—上升沿電路，II一下降沿電路，M1—前級MOSFET，M2—后級MOSFET，T1J2J3……1；一雪崩三極管，R1,R2、R3……Rn—均壓電阻，Rn、R22—阻尼電阻，A點為方波發(fā)生器輸出端，B點為負載高壓端，AB段為高壓引線。
[0038]圖2中的標記說明為:
[0039]T1 一前級MOSFET觸發(fā)時刻；T2—前級MOSFET完全導通時刻；Τ3—后級MOSFET觸發(fā)時刻；τ4一雪崩三極管觸發(fā)時刻；Τ5—雪崩三極管完全導通時刻；Τ6—后級MOSFET完全導通時刻；t12—方波電壓的上升沿時間；t23—方波電壓脈寬時間；t35—后級MOSFET與雪崩三極管并聯(lián)后實際下降沿時間；t36—如果只使用后級MOSFET時方波下降沿時間。
[0040]如圖1所示，本發(fā)明一種高壓方波發(fā)生器具體流程如下:
[0041 ] 直流電源V通過充電電阻Ra對儲能電容Ca充電，觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊將外觸發(fā)信號轉變?yōu)槊}寬可調方波信號，實現(xiàn)對方波脈寬的調節(jié)控制，通過光耦隔離驅動電路控制前級MOSFET管M1的導通，前級MOSFET開通形成方波上升沿。同時，觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊經(jīng)延時輸出的信號用作方波下降沿觸發(fā)信號，該信號經(jīng)同軸電纜構成的同步控制觸發(fā)模塊形成兩路延時信號，分別觸發(fā)過壓驅動電路，經(jīng)隔離變壓器分別驅動下降沿電路的后級MOSFET管M2和雪崩三極管串T1J2J3……Tn，調節(jié)兩根同軸電纜的長度差可實現(xiàn)MOSFET管M2和雪崩三極管串1\、T2, T3……Tn的先后導通，并控制導通時間間隔，快速截斷高壓方波，形成快下降沿。從而在發(fā)生器輸出端A產(chǎn)生較緩上升沿、寬脈寬、低抖動、低平頂降、快下降沿的方波電壓。
[0042]本發(fā)明一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法負載輸出方波波形示意圖如圖2所示，T1時刻觸發(fā)模塊發(fā)出觸發(fā)信號給前級M0SFET，此后輸出電壓不斷上升；T2時刻前級MOSFET開關完全導通輸出電壓穩(wěn)定；t12為方波電壓的上升沿時間，上升沿時間由MOSFET本身的性能決定；T3時刻同步觸發(fā)模塊將觸發(fā)信號給后級M0SFET，此后輸出電壓開始下降；t23為方波電壓脈寬時間，通過脈寬調節(jié)模塊，脈寬可以調節(jié)。T4時刻觸發(fā)信號通過一定的延時傳遞到雪崩三極管的觸發(fā)級，電壓通過雪崩三極管迅速降為0，t35即為實際下降沿時間。t36虛線如果只使用后級MOSFET時方波下降沿時間。從圖中可以看出，并聯(lián)雪崩三極管后極大減小了輸出電壓波形的下降沿時間，實際上t36為30ns左右，t34為5ns以內。
[0043]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種高壓方波發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器包括高壓直流源、電阻、儲能電容、觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊、上升沿電路、下降沿電路和同步控制觸發(fā)模塊；所述上升沿電路包括固體開關MOSFET和光耦隔離驅動電路；所述下降沿電路包括固體開關MOSFET電路與雪崩三極管串； 所述高壓直流源、電阻、儲能電容、觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊、固體開關MOSFET和光耦隔離驅動電路和雪崩三極管串依次連接。
2.如權利要求1所述的一種高壓方波發(fā)生器，其特征在于，所述高壓直流源為直流模塊電源。
3.如權利要求1所述的一種高壓方波發(fā)生器，其特征在于，所述儲能電容為高壓薄膜脈沖電容器。
4.如權利要求1所述的一種高壓方波發(fā)生器，其特征在于，所述觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊包括外觸發(fā)電路和脈寬調節(jié)電路。
5.如權利要求1所述的一種高壓方波發(fā)生器，其特征在于，所述電阻包括直流充電電阻、限流阻尼電阻、均壓電阻和阻尼電阻。
6.如權利要求1所述的一種高壓方波發(fā)生器，其特征在于，所述固體開關MOSFET電路與雪崩管串聯(lián)電路形成并聯(lián)支路，同步觸發(fā)模塊發(fā)出觸發(fā)MOSFET和雪崩三極管的觸發(fā)信號，兩種開關采用過電壓脈沖變壓器隔離驅動，并通過調節(jié)同軸電纜的長度實現(xiàn)兩種開關導通的先后順序，由MOSFET開關先行導通再控制雪崩三極管導通。
7.如權利要求1所述的一種高壓方波發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器采用電子器件，元器件和模塊集成在全屏蔽的金屬盒中，電源和測量電纜通過盒上的端口相連，使用過程中接通電源調節(jié)直流模塊的輸出電壓即可。
8.一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述方法包括: (O高壓直流電源對儲能電容預充電； (2)觸發(fā)脈寬調節(jié)模塊將外觸發(fā)信號轉變?yōu)槊}寬可調方波信號； (3)控制光耦隔離驅動電路驅動MOSFET導通，對負載快速充電形成上升沿電路； (4)驅動下降沿電路的MOSFET與雪崩管導通，快速截斷輸出脈沖形成下降沿電路。
9.如權利要求8所述的一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟(4)包括控制上升沿電路MOSFET關斷，用于防止對負載再次充電，并防止儲能電容長時間通過雪崩管放電而燒毀雪崩管。
10.如權利要求8所述的一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟(2)包括通過脈寬調節(jié)模塊可以形成脈寬(10-220) μ s的方波，并且平頂降〈0.5%，脈寬遠大于被檢測分壓器的響應穩(wěn)定時間，分壓器對方波上升沿的響應不會干擾其對下降沿的響應，且方波下降沿后輸出波形可長時間穩(wěn)定在零電位，對分壓器的響應無干擾。
11.如權利要求8所述的一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述MOSFET與雪崩管串聯(lián)電路形成并聯(lián)支路，調節(jié)其同步導通放電，雪崩管回路對MOSFET放電回路形成快速截斷，用于防止因雪崩管通流能力差而發(fā)生過流燒毀。
12.如權利要求8所述的一種高壓方波發(fā)生器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟(4)包括發(fā)生器回路對負載沒有限制，電阻為>2kQ的電阻分壓器，400pF左右的弱阻尼電容分壓器都可掛接，而且負載為(2-10) kQ或(300-500) pF變化時發(fā)生器的輸出電壓下降沿都可滿足<5ns。
【文檔編號】H03K3/64GK103684360SQ201310722316
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】龍兆芝, 李文婷, 丁衛(wèi)東, 劉少波, 任想, 喬兵兵 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學研究院, 西安交通大學