一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型

摘要

一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，本发明在使用时脉冲源信号经过传输线输入到感性耦合装置的输入端，输入端为耦合装置的初级回路，回路中线圈沿磁芯轴向方向绕制，初级回路中的能量激励磁芯的磁通，并在次级回路的受试设备电缆上产生脉冲电流，并通过受试线缆传输到耦合装置注入回路中，从而实现脉冲电流的注入过程，本发明通过将感性耦合装置采用一体式设计的思路，此时该耦合器的磁环为完整圆环，其优势在于不需要切割磁芯，也不存在对齐切面，且利于安装和固定等，本发明应用于非饱和状态下的感性耦合装置，在计算后应根据伏秒积公式验证耦合装置磁芯是否饱和等，适合大范围的推广和应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种感性耦合模型，具体涉及一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型。

背景技术

已知的，在脉冲电流注入试验系统中，电流注入耦合模型是系统中非常重要的一部分，脉冲源输出的电流需要通过耦合装置进入被测试设备的线缆上。但是GJB8848规范中并未对耦合模型的方案提出具体要求等，那么如何提供一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型就成了本领域技术人员的长期技术诉求，以满足PCI注入试验的需求等。

发明内容

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，本发明应用于非饱和状态下的感性耦合装置，在计算后应根据伏秒积公式验证耦合装置磁芯是否饱和。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，包括用于产生高压脉冲的脉冲源、脉冲源到耦合装置之间的传输线、耦合装置初级回路、耦合装置次级回路和耦合装置注入回路，所述脉冲源的信号经过传输线输入到耦合装置初级回路，耦合装置初级回路中线圈沿磁芯轴向方向绕制，耦合装置初级回路中的能量激励磁芯的磁通，并在耦合装置次级回路的受试线缆上产生脉冲电流，并通过受试线缆传输到耦合装置注入回路中，从而实现脉冲电流的注入过程。

所述的用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，所述耦合装置初级回路为包含结构参数在内的耦合装置初级回路，包含结构参数在内的耦合装置初级回路为磁芯初级绕组，包括绕线电阻、寄生电容及寄生电感三项杂散参数和初级绕组自电感，由于绕组中的绕线到金属外壳的距离相等，所以绕组所产生的寄生电容与寄生电感采取大地上单根输电线公式进行估算，即

式中，L

初级绕组自电感

式中

式中N

所述的用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，所述耦合装置次级回路包括次级绕组的自电感和漏电感，对于感性耦合装置的脉冲变压器模型，初级匝数为N

式中，r

式中N

所述的用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，所述耦合装置注入回路表示被注入线缆在耦合装置之外的部分及两端的负载，分别用两端传输线和Z

各链参数矩阵分别为：

根据以上链参数矩阵，得到感性耦合装置首末端电压电流关系为：

所述的用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，所述感性耦合装置的外尺寸为750mm×185mm×185mm，磁芯内直径为90mm。

所述的用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，所述耦合装置初级回路中的磁芯使用复磁导率来表示磁性材料频变特性，其中磁性材料通过频变电阻和频变电感的串联表示，串联模型中磁芯的输入阻抗为：

Z

此时复磁导率定义为：

式中，实部μ′(ω)表示相对磁导率，虚部μ″(ω)表示磁损耗，对于一个具有空心电感L

Z

R

L

当已知绕组空心电感时，通过测量输入阻抗计算出复磁导率的实部和虚部，在对磁芯绕组进行输入阻抗测量时，绕组会不可避免地引入杂散参数，在选取测量用的绕组时，需使杂散参数较小，减少对测量结果的影响，当绕组匝数较大时，寄生电容会变大，使得整个绕组谐振频率下降；当绕组分布较散时，漏感会增大，磁芯能量分布不均。

所述的用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，所述绕组为单匝全覆盖的结构，在磁芯外包覆铜胶带作为绕组材料，材料紧密贴合并仅在外侧留狭小缝隙，并在缝隙两侧引出同轴接口进行测量。

所述的用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，所述磁芯为单匝全覆盖结构，测量其输入阻抗，该阻抗即为绕组寄生参数，阻抗的实部为绕组电阻R

Z

根据感性耦合装置模型的频率范围，采用Wayne Kerr 6500B阻抗测量仪(0-20MHz)和AV36580A矢量网络分析仪(300kHz-3GHz)，测量磁芯在100MHz以下输入阻抗。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明在使用时脉冲源信号经过传输线输入到感性耦合装置的输入端，输入端为耦合装置的初级回路，回路中线圈沿磁芯轴向方向绕制，初级回路中的能量激励磁芯的磁通，并在次级回路的受试设备电缆上产生脉冲电流，并通过受试线缆传输到耦合装置注入回路中，从而实现脉冲电流的注入过程，本发明通过将感性耦合装置采用一体式设计的思路，此时该耦合器的磁环为完整圆环，其优势在于不需要切割磁芯，也不存在对齐切面，且利于安装和固定等，本发明应用于非饱和状态下的感性耦合装置，在计算后应根据伏秒积公式验证耦合装置磁芯是否饱和等，适合大范围的推广和应用。

附图说明

图1为本发明中感性耦合装置的宽频模型；

图2为本发明中感性耦合器的原理示意图；

图3为本发明中感性耦合装置注入测试配置示意图；

图4为本发明中感性耦合装置的链参数矩阵形式；

图5为本发明中磁性材料的频变电阻电感串联模型；

图6为本发明中考虑杂散参数的磁芯绕组模型。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

本发明所述的一种用于脉冲电流注入试验系统的感性耦合模型，包括用于产生高压脉冲的脉冲源、脉冲源到耦合装置之间的传输线、耦合装置初级回路、耦合装置次级回路和耦合装置注入回路，所述脉冲源的信号经过传输线输入到耦合装置初级回路，耦合装置初级回路中线圈沿磁芯轴向方向绕制，耦合装置初级回路中的能量激励磁芯的磁通，并在耦合装置次级回路的受试线缆上产生脉冲电流，并通过受试线缆传输到耦合装置注入回路中，从而实现脉冲电流的注入过程。

本发明中感性耦合装置的基本原理如下：

进行PCI试验时，需要根据不同的试验条件应采取不同的注入耦合方式，一般对于不能有电接触，或者整个线束无法分开而进行整体共模注入时使用感性耦合装置。此时耦合器相当于副边只有一匝线圈的脉冲变压器，其原理如图2所示。

感性耦合装置由磁芯、金属外壳、绕组等组成，一般将其设计为卡钳样式，可以看作是电流测量探头的逆向使用。被测线缆通常放置于耦合装置的中心，在使用时脉冲源信号经过高压线输入到感性耦合装置的输入端，输入端为耦合装置的初级回路，回路中线圈沿磁芯轴向方向绕制，初级回路中的能量激励磁芯的磁通，并在次级回路的受试设备电缆上产生脉冲电流，并通过受试线缆传输到受测试设备的内部，从而实现脉冲电流的注入过程。

可将感性耦合装置的注入过程视为宽带脉冲变压器，变压器的主磁通Φ

综合以上分析过程，感性耦合装置模型参数应主要考虑初级和次级绕组的磁化电感，以及次级绕组的漏电感。此外耦合装置结构元件的寄生电容、电感等也影响着感性耦合装置的性能，必须加以考虑，可建立感性耦合装置宽频模型如图1所示。感性耦合模型由五部分组成，分别是用于产生高压脉冲的脉冲源、脉冲源到耦合装置之间的传输线、包括结构参数在内的耦合装置初级回路、包括次级漏感的次级回路和耦合负载所在的注入回路。

需要注意的是，本发明针对是感性耦合装置对单根导线的注入。多线缆的共模注入问题受线缆分布等参数影响很大，也较为复杂，难以精准建模求解每根线缆上的电流分布。对于多线缆共模注入试验，一般更为关心多线缆相对大地的电流之和，因此可以采用等效线束法或快速线束等效模型将多线缆简化为单线缆，负载矩阵等也简化为单个集总负载，然后使用感性耦合装置模型研究线缆端口注入的总电流。由于感性耦合装置主要用于耦合具有单一极性的双指数波，且电压电流较大，波形持续时间长，容易出现饱和的情况。本发明应用于非饱和状态下的感性耦合装置，在计算后应根据伏秒积公式验证耦合装置磁芯是否饱和。

本发明在具体实施时，感性耦合装置的尺寸通常在1m以内，对于高频不超过100MHz的注入脉冲，耦合装置内的器件可视为集总参数，因此并不考虑感性耦合装置内部的波过程。感性耦合装置的回路模型包括传输线、初级回路和次级回路等，脉冲源产生的脉冲波形通过传输线进入耦合装置的原边绕组。传输线一般采用高压同轴线或采用高压线和地线分别相连的方式，采用同轴线容易控制阻抗均匀，对波形的畸变较小。

实施时，所述耦合装置初级回路为包含结构参数在内的耦合装置初级回路，包含结构参数在内的耦合装置初级回路为磁芯初级绕组，包括绕线电阻、寄生电容及寄生电感三项杂散参数和初级绕组自电感，由于绕组中的绕线到金属外壳的距离相等，所以绕组所产生的寄生电容与寄生电感采取大地上单根输电线公式进行估算，即

式中，L

初级绕组自电感

式中

式中N

进一步，所述耦合装置次级回路包括次级绕组的自电感和漏电感，对于感性耦合装置的脉冲变压器模型，初级匝数为N

式中，r

式中N

进一步，所述耦合装置注入回路表示被注入线缆在耦合装置之外的部分及两端的负载，分别用两端传输线和Z

各链参数矩阵分别为：

根据以上链参数矩阵，得到感性耦合装置首末端电压电流关系为：

进一步，将感性耦合装置采用一体式设计的思路，此时该耦合器的磁环为完整圆环，其优势在于不需要切割磁芯，也不存在对齐切面，且利于安装和固定，在磁环外包裹尼龙外壳，最外端衬以金属外壳以保证强度。绕组及高压脉冲线均采用高压线(线径1mm

进一步，所述耦合装置初级回路中的磁芯使用复磁导率来表示磁性材料频变特性，其中磁性材料通过频变电阻和频变电感的串联表示(具体如图5所示)，串联模型中磁芯的输入阻抗为：

Z

此时复磁导率定义为：

式中，实部μ′(ω)表示相对磁导率，虚部μ″(ω)表示磁损耗，对于一个具有空心电感L

Z

R

L

当已知绕组空心电感时，通过测量输入阻抗计算出复磁导率的实部和虚部，因此准确测量磁芯输入阻抗和绕组空心电感是计算复磁导率的关键。在对磁芯绕组进行输入阻抗测量时，绕组会不可避免地引入杂散参数，此时考虑杂散参数的磁芯绕组模型如图6所示。

在图6中L

综合考虑以上特点，本发明采用单匝全覆盖结构的绕组，即在磁芯外包覆铜胶带作为绕组材料，材料紧密贴合并仅在外侧留狭小缝隙，并在缝隙两侧引出同轴接口进行测量。这种结构由于绕组几乎完全覆盖了磁芯，因此漏感、寄生电感、寄生电容较小均可以忽略不计。

选取与磁芯同样尺寸的尼龙骨架，绕组与磁芯一样采取单匝全覆盖结构，测量其输入阻抗。该阻抗即为绕组寄生参数，进一步地，阻抗的实部为绕组电阻R

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。