本實(shí)用新型涉及高功率電磁脈沖防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于電源線的高功率電磁脈沖防護(hù)模塊。
背景技術(shù)：
高功率電磁脈沖武器的發(fā)展對(duì)電子電力系統(tǒng)的安全造成了嚴(yán)重的威脅，高功率電磁脈沖具有功率高，脈沖上升時(shí)間快，頻帶寬的特點(diǎn)。高功率電磁脈沖可通過信息化設(shè)備的電源線耦合并傳導(dǎo)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部造成破壞。隨著電子設(shè)備微電子化程度的提高，設(shè)備內(nèi)部半導(dǎo)體器件的耐壓閾值越來越低，針對(duì)電源線的傳導(dǎo)騷擾防護(hù)引起了越來越多的重視。
使用浪涌防護(hù)模塊是抑制設(shè)備傳導(dǎo)騷擾的重要方法，目前浪涌防護(hù)技術(shù)在防雷領(lǐng)域應(yīng)用得較為成熟。與雷電相比，高功率電磁脈沖信號(hào)在線纜上耦合的騷擾波形，高頻成分更多，時(shí)域上具有更快的上升沿，典型波形上升沿為幾納秒，傳統(tǒng)的雷電防護(hù)模塊無法有效用于高功率電磁脈沖的防護(hù)，電子信息設(shè)備面臨著被高功率電磁脈沖損毀的危險(xiǎn)。
目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電源線的高功率電磁脈沖防護(hù)多使用暫態(tài)抑制和頻域?yàn)V波的方法，相應(yīng)的防護(hù)產(chǎn)品有浪涌保護(hù)器和電源濾波器等。針對(duì)暫態(tài)抑制部分防護(hù)器件的選型，多基于經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏較為深入的研究和方案設(shè)計(jì)。針對(duì)防護(hù)模塊的防護(hù)效果，也缺乏有效的試驗(yàn)檢驗(yàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于電源線的高功率電磁脈沖防護(hù)模塊,在于解決現(xiàn)有防護(hù)模塊防護(hù)特性不理想，防護(hù)器件選型缺乏合適方案和理論依據(jù)等問題。
為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
本實(shí)用新型提供了一種用于高功率電磁脈沖防護(hù)的綜合模塊，包括時(shí)域瞬態(tài)抑制部分和頻域?yàn)V波部分，整體使用金屬外殼屏蔽；所述時(shí)域瞬態(tài)抑制部分由響應(yīng)速度較快的壓敏電阻和TVS二極管采用高低配合的方式組合，包括壓敏電阻M、M1、M2、去耦電感L1、L2以及TVS二極管，壓敏電阻M1、M2 用以濾除線地間的共模干擾，壓敏電阻M用以濾除線線間的差模干擾，壓敏電阻輸出端兩端分別通過去耦電感L1、L2和TVS二極管組并聯(lián)，TVS二極管也分為濾除共模干擾和差模干擾的部分，TVS二極管組后接頻域?yàn)V波部分；所述的頻域?yàn)V波部分由π型濾波和電容濾波相結(jié)合，包括電容C1、C2和電感線圈L，電容C3、C4；電容C1、C2和電感線圈L共同構(gòu)成π型濾波電路，其中電感線圈L繞制成共模扼流圈的形式，電容C3、C4接在線地間用以濾除共模干擾；高功率電磁脈沖到來時(shí)，響應(yīng)速度極快的的TVS二極管首先動(dòng)作，發(fā)揮保護(hù)作用，在快前沿脈沖作用下，壓敏電阻兩端電壓會(huì)快速升高導(dǎo)致器件動(dòng)作，起到泄放大部分浪涌能量的作用，電磁脈沖能量進(jìn)入到頻域?yàn)V波部分，通過調(diào)節(jié)濾波器的通頻帶，使得漏過瞬態(tài)抑制模塊的大部分電磁脈沖能量在敏感設(shè)備端口前被有效抑制。
本實(shí)用新型具有以下有益效果和優(yōu)點(diǎn)：
本實(shí)用新型提供了一種綜合防護(hù)模塊，可用于220V電源線的高功率電磁脈沖防護(hù)，采用多級(jí)防護(hù)理念，第一部分為時(shí)域瞬態(tài)抑制電路，第二部分為頻域?yàn)V波電路。瞬態(tài)抑制部分采用響應(yīng)速度較快的壓敏電阻和TVS二極管組合，并通過參數(shù)計(jì)算選取合適的去耦電感值，調(diào)節(jié)器件間的時(shí)間配合和能量配合，使第一部分具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度和kA級(jí)的通流能力。頻域?yàn)V波電路采用π型濾波和電容濾波相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)濾波器的通頻帶，使得漏過瞬態(tài)抑制模塊的大部分電磁脈沖能量在敏感設(shè)備端口前被有效抑制。考慮到高功率電磁脈沖能量較大，頻域?yàn)V波電路的電感電容元件選取具有較高耐壓值的器件。使用將時(shí)域瞬態(tài)抑制和頻域?yàn)V波集成到一個(gè)模塊的方法設(shè)計(jì)綜合防護(hù)模塊，其創(chuàng)新之處在于在典型防護(hù)器件納秒脈沖響應(yīng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)瞬態(tài)抑制電路中防護(hù)器件的選取配合規(guī)則和頻域?yàn)V波電路的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并以220V電源線為例，設(shè)計(jì)了一種綜合防護(hù)模塊，該模塊經(jīng)根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)具有良好的防護(hù)效果。
附圖說明
圖1為高功率電磁脈沖防護(hù)模塊示意圖。
其中M、M1、M2壓敏電阻型號(hào)為S20K550號(hào)，TVS二極管型號(hào)為HFA-430L號(hào)，電感L1=0.5μH，L2=1000μH，C1=C2=25.3μF，C3=C4=253nF。
圖2為第一部分暫態(tài)抑制電路原理圖。
其中R1為壓敏電阻，R2為TVS二極管。
圖3為圖2所示電路的SPICE仿真圖。
圖4為第二部分頻域?yàn)V波電路的原理圖。
圖5為圖4所示電路的掃頻分析圖。
圖6為壓敏電阻響應(yīng)曲線。
圖7為TVS二極管響應(yīng)曲線。
圖8為防護(hù)模塊高功率電磁脈沖測(cè)試系統(tǒng)示意圖。
圖9為防護(hù)模塊高功率電磁脈沖注入源波形與殘壓波形對(duì)比圖。
圖10為不同電壓脈沖注入下的殘壓圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
如圖1所示：所述的用于高功率電磁脈沖防護(hù)的綜合模塊，包括時(shí)域瞬態(tài)抑制部分和頻域?yàn)V波部分，整體使用金屬外殼屏蔽；所述時(shí)域瞬態(tài)抑制部分包括壓敏電阻M、M1、M2、去耦電感L1、L2以及TVS二極管，壓敏電阻用以濾除線地間的共模干擾和線線間的差模干擾，壓敏電阻輸出端兩端分別通過去耦電感L1、L2和TVS二極管組并聯(lián)， TVS二極管組后接頻域?yàn)V波部分；所述的頻域?yàn)V波部分包括電容C1、C2和電感線圈L，電容C3、C4，電容C1、C2和電感線圈L共同構(gòu)成π型濾波電路，其中電感線圈L繞制成共模扼流圈的形式，電容C3、C4接在線地間用以濾除共模干擾。
如圖2所示的時(shí)域瞬態(tài)抑制部分電路原理圖，高功率電磁脈沖作用到防護(hù)電路時(shí)，所述的第一部分暫態(tài)抑制電路配合機(jī)理為：響應(yīng)速度極快的（小于1ns）的TVS二極管首先動(dòng)作，發(fā)揮保護(hù)作用，此時(shí)在去耦電感的作用下，第一級(jí)壓敏電阻兩端的電壓等于TVS兩端電壓和電感兩端電壓之和，即U壓敏電阻=UTVS+UL，其中UL=L×di/dt。在快前沿脈沖作用下，di/dt較大，壓敏電阻兩端電壓會(huì)快速升高導(dǎo)致器件動(dòng)作，起到泄放大部分浪涌能量的作用。第二級(jí)TVS二極管在導(dǎo)通后可以發(fā)揮精確鉗位的優(yōu)勢(shì)，保證被保護(hù)設(shè)備兩端電壓在可承受范圍內(nèi)。
以220V電源線為例，本設(shè)計(jì)中為了增大暫態(tài)抑制模塊的浪涌泄放能力，防護(hù)器件均選用具有較大通流能力的器件。其中壓敏電阻型號(hào)為S20K550，動(dòng)作電壓為910V，最大浪涌通流量為7kA；TVS二極管型號(hào)為HFA-430L，動(dòng)作電壓為440V，最大浪涌通流量為3kA。
所述的級(jí)間去耦電感的選取，利用圖2所示的電路圖進(jìn)行估算。假設(shè)L取值合適，兩種元件均導(dǎo)通后，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析可知，前后兩級(jí)的通流量為：
， （1）
式（1）中R1為壓敏電阻阻抗，α為電磁脈沖陡度?？芍髁康姆峙渑c脈沖陡度、壓敏電阻阻抗R1和電感L值有關(guān)。采用SPICE軟件仿真分析的方法，搭建圖3所示的仿真電路，調(diào)整L值從0.01μH逐步升高到5μH，監(jiān)測(cè)一二級(jí)的通流量。當(dāng)L=0.5μH時(shí)，一二級(jí)的通流量大致滿足9:1的關(guān)系，符合高低設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)原則。此處確定去耦電感值為L(zhǎng)=0.5μH。
如圖4所述的第二部分頻域?yàn)V波電路，其主要作用是對(duì)電磁脈沖經(jīng)瞬態(tài)保護(hù)模塊后信號(hào)中高于截止頻率的部分進(jìn)行衰減。電源線上的干擾包括差模干擾和共模干擾兩種。電磁脈沖的頻譜分布很寬，一般小于100MHz，但是90%以上的能量集中在100kHz以下，因此差模干擾起主要作用，也需兼顧考慮共模干擾的影響。設(shè)計(jì)如圖4所示的LC濾波器，要求截止頻率不小于其工作頻率的十倍，且通帶內(nèi)響應(yīng)平坦。
如圖4所述的第二部分頻域?yàn)V波電路，其中C1、C2和L共同構(gòu)成π型濾波電路，主要濾除差模干擾信號(hào)，L繞制成共模扼流圈的形式，即兩個(gè)電感繞在同一個(gè)線圈上，圈數(shù)相同，方向相反。C3，C4主要濾除共模干擾。將濾波器截止頻率確定在10kHz，選取L=1000μH，C1=C2=25.3μF，C3=C4=253nF。圖5為仿真得到的截止頻率圖，結(jié)果表明該濾波器轉(zhuǎn)折頻率大約在10kHz左右；對(duì)于頻率為100kHz的信號(hào)，衰減可以達(dá)到40dB以上，具有較好的濾波效果。
第一部分暫態(tài)抑制電路所選用防護(hù)器件均經(jīng)過測(cè)試，具體測(cè)試方法為使用前沿2ns、脈寬（1us-50ns）可調(diào)、幅值0-2kV可調(diào)的方波脈沖信號(hào)源，對(duì)常用防護(hù)器件中響應(yīng)速度較快的壓敏電阻和TVS二極管進(jìn)行注入測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示?？芍啾葔好綦娮瑁琓VS二極管具有更快的響應(yīng)速度和更為精確的鉗壓能力，但是由于引線電感等因素影響，前端會(huì)出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象。據(jù)此，第一部分暫態(tài)抑制電路采用二級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)，采用高低配合的方式，第一級(jí)采用通流能力較強(qiáng)的壓敏電阻用以泄放大電流，第二級(jí)采用響應(yīng)速度較快、鉗位電壓精確的TVS二極管用以泄放部分電流和精確鉗壓。中間設(shè)計(jì)去耦電感，達(dá)到一二級(jí)間電流分配和抬升第一級(jí)電壓的作用。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，防護(hù)模塊均設(shè)計(jì)在PCB板上，注意盡量減小引線電感等雜散參數(shù)的影響，使得該防護(hù)模塊發(fā)揮出較好的防護(hù)性能。即具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度和kA級(jí)的通流能力，同時(shí)具有較低的殘壓水平，盡可能降低對(duì)被保護(hù)設(shè)備正常工作的影響。
而在對(duì)本防護(hù)器的防護(hù)性能進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)：
依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)建立如圖8所示的方波脈沖注入測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)所研制的綜合防護(hù)模塊進(jìn)行注入測(cè)試試驗(yàn)。分別對(duì)比脈沖源波形和經(jīng)過防護(hù)模塊后的殘壓波形，來判斷防護(hù)模塊的殘壓效果。不斷升高脈沖電壓幅值，進(jìn)一步檢驗(yàn)防護(hù)模塊的浪涌抑制水平。
如圖9、圖10所示的防護(hù)模塊高功率電磁脈沖注入源波形與殘壓波形對(duì)比圖以及為不同電壓脈沖注入下的殘壓圖，可知該防護(hù)模塊可將前沿為2ns，幅值為1.5kV的電磁脈沖有效地限制在100V以下。隨著外加脈沖電壓幅值的增大，防護(hù)模塊殘壓值會(huì)變大，但2kV以內(nèi)的電磁脈沖注入時(shí)，模塊防護(hù)效果均比較理想，最高殘壓值為122V。
本實(shí)用新型上述的實(shí)施例只是用來幫助理解本實(shí)用新型的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下還可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。