一种高压方波发生器实现方法

摘要

本发明涉及一种高压方波发生器实现方法，所述发生器包括高压直流源、电阻、储能电容、触发脉宽调节模块、上升沿电路、下降沿电路和同步控制触发模块；所述上升沿电路包括固体开关MOSFET和光耦隔离驱动电路；所述下降沿电路包括固体开关MOSFET电路与雪崩三极管串；所述高压直流源、电阻、储能电容、触发脉宽调节模块、固体开关MOSFET和光耦隔离驱动电路和雪崩三极管串依次连接。所述实现方法包括：（1）高压直流电源对储能电容预充电；（2）触发脉宽调节模块将外触发信号转变为脉宽可调方波信号；（3）控制光耦隔离驱动电路驱动MOSFET导通，对负载快速充电形成上升沿电路；（4）驱动下降沿电路的MOSFET与雪崩管导通，快速截断输出脉冲形成下降沿电路。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统，具体讲涉及一种高压方波发生器实现方法。

背景技术

电力系统中，为了检验电力设备耐受雷击过电压和操作过电压的能力，需要在出厂 时进行冲击电压耐受试验，所以全国各大高压实验室都具备高压冲击电压发生器以及冲 击电压分压器、二次测量仪器等测量设备。其中雷电全波的波前时间为(0.84-1.56)μs、 陡波波前时间<0.5μs、雷电截波的波前截断时间也需<0.5μs，这就需要测量用分压器具 备良好的暂态响应特性，否则会导致很大的测量误差以及波形畸变。因此，在冲击分压 器出厂或进行校准时需对其进行高频响应特性试验标定。目前冲击分压器的频带范围不 断扩展，分压比不断扩大，传统的频率响应法因缺少高频高压正弦电源而不能使用，需 用方波发生器对分压器进行阶跃波响应特性试验。为准确测量分压器高频响应特性，要 求方波发生器具有较高的幅值、较宽的脉宽、ns级的上升沿（或下降沿）。

通常使用的是基于汞润开关的方波发生器，这类发生器的优点是：使用方便，重频 特性好，方波上升时间可以达到ns级，能够满足阶跃波响应试验的要求，但汞润开关 耐压有限，普通汞润开关只能产生（100～300）V的低压方波。而随着电压等级的提高， 冲击分压器的分压比不断增大，低压方波信号施加于分压器高压侧时，在其低压侧测量 得到的信号相当微弱，易受周围电磁干扰，在测量数字示波器上无法分辨，更加不能进 行分析计算。另外，对于采用脉冲形成线或Marx电路，并经陡化开关原理设计的脉冲 发生器，其输出方波的上升时间虽然可做到很短（几ns甚至ps级），且幅值也可达数十 千伏，但其输出脉宽很短，通常只有数百ns，而且抖动较大。由于冲击电阻分压器的稳 定时间一般在200ns左右，弱阻尼分压器的稳定时间更长，因此脉宽过小不能计算得到 分压器的确切稳定时间，而且抖动较大时无法分辨测量结果波形中的振荡是由电源带来 的还是分压器本身的暂态响应。

近年来，各研究学者尝试用固体开关代替气体放电开关作为主开关进行方波发生器 的研究，固体开关以MOSFET和雪崩三极管为主，这类固体开关具有通断稳定、重复 性好的优点，但其耐压较低、通流能力较差。以MOSFET为主开关的方波发生器，因 MOSFET管导通速度较慢，其输出方波的前（后）沿较缓，不适用于电容值较大的容性 负载；以雪崩三极管为主开关的方波发生器，因雪崩管通流能力较差，其输出方波脉宽 窄，且当容性负载的电容值较大时，方波前沿（或后沿）变缓，且雪崩管易因过流烧毁。 因此，使用上述类型的方波发生器，较难方便、全面、可靠的对分压器阶跃波响应进行 校准。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高压方波发生器实现方法，针对目前用于电 力系统中冲击电压分压器阶跃波响应试验的方波发生器在波形、重复性、稳定性等方面 存在的问题，在设计原理及思路上进行了改进，使其幅值可调（300-1000）V，脉宽可 调（10-220）μs，下降时间<5ns的高压方波信号，该装置重复性好、性能稳定、使用方 便、便于携带，可用于冲击分压器阶跃波响应试验。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种高压方波发生器，其改进之处在于，所述发生器包括高压直流源、电阻、储能 电容、触发脉宽调节模块、上升沿电路、下降沿电路和同步控制触发模块；所述上升沿 电路包括固体开关MOSFET和光耦隔离驱动电路；所述下降沿电路包括固体开关 MOSFET电路与雪崩三极管串；

所述高压直流源、电阻、储能电容、触发脉宽调节模块、固体开关MOSFET和光 耦隔离驱动电路和雪崩三极管串依次连接。

优选的，所述高压直流源为直流模块电源。

优选的，所述储能电容为高压薄膜脉冲电容器。

优选的，所述触发脉宽调节模块包括外触发电路和脉宽调节电路。

优选的，所述电阻包括直流充电电阻、限流阻尼电阻、均压电阻和阻尼电阻。

优选的，所述固体开关MOSFET电路与雪崩管串联电路形成并联支路，同步触发 模块发出触发MOSFET和雪崩三极管的触发信号，两种开关采用过电压脉冲变压器隔 离驱动，并通过调节同轴电缆的长度实现两种开关导通的先后顺序，由MOSFET开关 先行导通再控制雪崩三极管导通。

优选的，所述发生器采用电子器件，元器件和模块集成在全屏蔽的金属盒中，电源 和测量电缆通过盒上的端口相连，使用过程中接通电源调节直流模块的输出电压即可。

本发明基于另一目的提供的一种高压方波发生器实现方法，其改进之处在于，所述 方法包括：

（1）高压直流电源对储能电容预充电；

（2）触发脉宽调节模块将外触发信号转变为脉宽可调方波信号；

（3）控制光耦隔离驱动电路驱动MOSFET导通，对负载快速充电形成上升沿电路；

（4）驱动下降沿电路的MOSFET与雪崩管导通，快速截断输出脉冲形成下降沿电 路。

优选的，所述步骤（4）包括控制上升沿电路MOSFET关断，用于防止对负载再次 充电，并防止储能电容长时间通过雪崩管放电而烧毁雪崩管。

优选的，所述步骤（2）包括通过脉宽调节模块可以形成脉宽（10-220）μs的方波， 并且平顶降<0.5%，脉宽远大于被检测分压器的响应稳定时间，分压器对方波上升沿的 响应不会干扰其对下降沿的响应，且方波下降沿后输出波形可长时间稳定在零电位，对 分压器的响应无干扰。

优选的，所述MOSFET与雪崩管串联电路形成并联支路，调节其同步导通放电， 雪崩管回路对MOSFET放电回路形成快速截断，用于防止因雪崩管通流能力差而发生 过流烧毁。

优选的，所述步骤（4）包括发生器回路对负载没有限制，电阻为>2kΩ的电阻分压 器，400pF左右的弱阻尼电容分压器都可挂接，而且负载为（2-10）kΩ或（300-500） pF变化时发生器的输出电压下降沿都可满足<5ns。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明的基于MOSFET与雪崩三极管的便携式高压方波发生器，该发生器利用了 MOSFET开关和雪崩三极管的优点，可以产生幅值可调（300-1000）V，脉宽可调（10-220） μs，下降时间<5ns、波形可重复、重复频率可调节，脉宽平顶降<0.5%的高压方波信号； 结构紧凑、性能稳定、带负载能力强，携带方便，可操作性强，抗电磁干扰能力强。负 载可为冲击电阻分压器和弱阻尼电容分压器，能进行冲击电压测量设备，陡波测量设备 的阶跃波响应试验及其溯源方面的研究，有较大的科学研究与工程使用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种高压方波发生器示意图。

图2为本发明提供的一种高压方波发生器实现方法负载输出方波波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

一种基于MOSFET与雪崩三极管的便携式高压方波发生器，由高压直流源、储能 电容、电阻、触发脉宽调节模块、上升沿电路、下降沿电路、同步控制触发模块组成。 其中，高压直流源用直流模块电源；储能电容为高压薄膜脉冲电容器；触发脉宽调节模 块由外触发电路与脉宽调节电路组成；电阻包括直流充电电阻、限流阻尼电阻、均压电 阻和阻尼电阻；上升沿电路由固体开关MOSFET及光耦隔离驱动电路组成；下降沿电 路包括固体开关MOSFET电路与雪崩管串联电路形成并联支路，同步触发模块发出触 发MOSFET和雪崩三极管的触发信号，两种开关采用过电压脉冲变压器隔离驱动，并 通过调节同轴电缆的长度实现两种开关导通的先后顺序，由MOSFET开关先行导通再 控制雪崩三极管导通。本发明由于上升沿电路采用MOSFET作前级开关，控制其与下 降沿电路中的后级开关的导通间隔可调节输出方波脉宽，下降沿电路通过MOSFET与 雪崩三极管的配合使用使其产生<5ns的陡下降沿，用于测量冲击分压器的阶跃波响应。

具体为：高压直流电源对储能电容预充电，触发脉宽调节电路实现外触发及方波脉 宽调节，控制光耦隔离驱动电路驱动MOSFET导通，对负载快速充电形成较快上升沿， 达到一定方波脉宽后驱动下降沿电路的MOSFET与雪崩管导通，快速截断输出脉冲形 成快下降沿，下降沿MOSFET与雪崩三极管的同步是由同轴电缆触发延时实现的。同 时，控制上升沿电路MOSFET关断，以防止对负载再次充电，并防止储能电容长时间 通过雪崩管放电而烧毁雪崩管，从而输出慢上升沿、宽脉宽、快下降沿的方波电压。

其中，采用电容放电型方波产生原理，通过脉宽调节模块可以形成脉宽（10-220） μs的方波，并且平顶降<0.5%，脉宽远大于被检测分压器的响应稳定时间，分压器对方 波上升沿的响应不会干扰其对下降沿的响应，且方波下降沿后输出波形可长时间稳定在 零电位，对分压器的响应无干扰。

其中，固体开关MOSFET与雪崩管串联电路形成并列支路，调节其同步导通放电， 雪崩管回路对MOSFET放电回路形成快速截断，既弥补了MOSFET导通速度较慢的问 题，又可防止因雪崩管通流能力差而发生过流烧毁；采用过压驱动可加快MOSFET与 雪崩管的导通速度，减小导通时间的波动，易于调节其同步导通。数纳秒的下降沿可用 于分压器的高频响应特性校核标定。

其中，基于本发明，发生器回路对负载没有限制，电阻为>2kΩ的电阻分压器，400pF 左右的弱阻尼电容分压器都可挂接，而且负载为（2-10）kΩ或（300-500）pF变化时发 生器的输出电压下降沿都可满足<5ns。

其中，发生器全部采用电子器件，重复性好、波动小、结构紧凑、携带方便，适用 于现场试验。所有元器件和模块集成在全屏蔽的金属盒中，电源和测量电缆通过盒上的 端口相连，使用过程中接通电源调节直流模块的输出电压即可。

实施例

图1中的标记说明为：

V—直流电源，R_a—直流充电电阻，C_a—储能电容，R_d—限流阻尼电阻，I—上升沿 电路，II—下降沿电路，M₁—前级MOSFET，M₂—后级MOSFET，T₁、T₂、T₃……T_n— 雪崩三极管，R₁、R₂、R₃……R_n—均压电阻，R₁₁、R₂₂—阻尼电阻，A点为方波发生器输 出端，B点为负载高压端，AB段为高压引线。

图2中的标记说明为：

T₁—前级MOSFET触发时刻；T₂—前级MOSFET完全导通时刻；T₃—后级MOSFET 触发时刻；T₄—雪崩三极管触发时刻；T₅—雪崩三极管完全导通时刻；T₆—后级MOSFET 完全导通时刻；t₁₂—方波电压的上升沿时间；t₂₃—方波电压脉宽时间；t₃₅—后级MOSFET 与雪崩三极管并联后实际下降沿时间；t₃₆—如果只使用后级MOSFET时方波下降沿时 间。

如图1所示，本发明一种高压方波发生器具体流程如下：

直流电源V通过充电电阻R_a对储能电容C_a充电，触发脉宽调节模块将外触发信号 转变为脉宽可调方波信号，实现对方波脉宽的调节控制，通过光耦隔离驱动电路控制前 级MOSFET管M₁的导通，前级MOSFET开通形成方波上升沿。同时，触发脉宽调节 模块经延时输出的信号用作方波下降沿触发信号，该信号经同轴电缆构成的同步控制触 发模块形成两路延时信号，分别触发过压驱动电路，经隔离变压器分别驱动下降沿电路 的后级MOSFET管M₂和雪崩三极管串T₁、T₂、T₃……T_n，调节两根同轴电缆的长度差 可实现MOSFET管M₂和雪崩三极管串T₁、T₂、T₃……T_n的先后导通，并控制导通时间 间隔，快速截断高压方波，形成快下降沿。从而在发生器输出端A产生较缓上升沿、宽 脉宽、低抖动、低平顶降、快下降沿的方波电压。

本发明一种高压方波发生器实现方法负载输出方波波形示意图如图2所示，T₁时刻 触发模块发出触发信号给前级MOSFET，此后输出电压不断上升；T₂时刻前级MOSFET 开关完全导通输出电压稳定；t₁₂为方波电压的上升沿时间，上升沿时间由MOSFET本 身的性能决定；T₃时刻同步触发模块将触发信号给后级MOSFET，此后输出电压开始下 降；t₂₃为方波电压脉宽时间，通过脉宽调节模块，脉宽可以调节。T₄时刻触发信号通过 一定的延时传递到雪崩三极管的触发级，电压通过雪崩三极管迅速降为0，t₃₅即为实际 下降沿时间。t₃₆虚线如果只使用后级MOSFET时方波下降沿时间。从图中可以看出， 并联雪崩三极管后极大减小了输出电压波形的下降沿时间，实际上t₃₆为30ns左右，t₃₄为5ns以内。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管 参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然 可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任 何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。