高频振荡冲击电压发生器设计与分析

张俊平，李山，古亮，曹晓芹，吴正男

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054)

高频振荡冲击电压发生器设计与分析

张俊平，李山，古亮，曹晓芹，吴正男

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054)

介绍了一种简单易行的高压直流脉冲冲击电压发生器的基本原理和技术方案，通过对Marx电容回路进行充电而达到电压倍增的目的。在设计过程中针对不同级别的放电现象进行对比试验，并通过各种参数的计算，最终优化了发生器的结构，避免了浪涌危害。该系统设计原理简单，成本低，可轻松制作出电压等级为110～500 kV的高压直流脉冲电压，便于在科研及生活场所进行各种绝缘特性材质的放电闪络及耐压冲击试验。

浪涌;脉冲;直流;Marx;绝缘

高电压技术在社会生活各领域的应用十分广泛。在高电压及绝缘监测诊断试验的过程中会使用到局部放电闪络的高电压发生装置，这种装置不仅体型庞大，安全系数要求高，而且使用价格昂贵，受环境、地理、经费等诸多方面的影响，不便于在普通科研平台上使用。随着各种元器件向集约化、高性能和大输出等方向发展，各行各业的产品都在不断升级改造。在电子产品领域，高容量、高耐压的聚苯乙烯薄膜高压电容器(plasticon highvoltage capacitor)由于采用稳定的参数特性和电子微处理器控制电路的结合，使得更简单易行的高压直流脉冲电压得以实现。本文结合课题试验研究需要，设计了一种基于马克思发生器(Marx generator)放电回路的直流脉冲升压装置系统。该系统主要用于分析高压绝缘设备的沿面闪络放电特性及憎水性试验，也可用于多种放电现象的日常生活及教学试验，实用价值较高［1－2］。

1 振荡冲击电压发生器设计原理

本系统主要由3部分组成。其中，系统激励采用5 V的直流开关稳压电源，驱动升压模块基于Timer IC定时器的多谐振荡器回路作为开关信号［3］，输出高达0.03 MHz的高频直流信号驱动BSC系列输出变压器(FTB)，并在输出端产生10～30 kV的脉动高压直流电源为Marx高压电容回路充电，以形成不同级数脉冲倍增高压［4］。原理如图1所示。

图1 高频振荡冲击电压发生器原理

2 直流稳压电源

鉴于高压Marx发生器的浪涌特性，选用的振荡激励直流电源应具有稳压、过压、过流等特点。具备该功能的直流稳压电源往往价格昂贵，实际教学应用时可选用一般几十元钱的5 V直流稳压电源。本实验激励源参数为DCOUT:5 V/10 A，实验过程中需在电源输出端回路串联一个自恢复式保险丝(PPTC)［5］，PPTC的动作电流至少满足Itrip=10 A，可选用的规格型号为GR16－600。一旦Marx高压输出回路产生的浪涌值超过PPTC在静止空气下启动保护的最小电流，PPTC动作并保护开关电源不被损坏。直流稳压电源浪涌保护如图2所示。

图2 直流稳压电源浪涌保护

3 Timer IC多谐振荡升压回路设计

NE555是555时基集成电路(Timer IC)［6］旗下的一种子产品，内部功能管脚和555完全相容，只是结构稍有变化，其计时精度高、稳定性好、价格便宜且内部采用差分电路形式。本系统采用NE555组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。

图3为由NE555组成的多谐振荡升压回路。其中，R1取值为2 kΩ，R2取值为22 kΩ，C1和C2分别取值为1 nF和10 nF。为了避免Marx回路未完全释放的电压产生浪涌，这里把102和103的耐压值都取2 kV。

图3 NE555多谐振荡升压回路

3DD15D在多谐振荡器电路中一般多用于行输出变压器(FTB)的行输出级，用以调制高频脉冲。考虑到其VCEO所允许的最大工作电压只有80 V，容易受到Marx浪涌电压的损坏，因此最好选用3DD15D－F级别的晶体管。本系统中3DD15D集射极VCEO所允许通过的额定工作电压为200 V，瞬态电压抑制器(transient voltagesuppressor) 1.5KE150(C)A的击穿电压(max breakdown volt－age)最大值为158 V，钳制电压(max clamping voltage)为207 V，所以可通过TVS来有效保护晶体三极管3DD15D的正常工作，避免Marx回路浪涌电压对电子元件的损害，有效释放部分浪涌。表1为3DD15*系列参数。

表13 DD15*系列参数

图3中，当左端回路通入5 V的稳压直流源后，电容C1被充电。当充电到图4中黄色波形的3.33 V时，晶体三极管导通，此时电容C1充电所需时间tpH为

同时，电容C1通过电阻R2和NE555内部放电管T放电。当放电到图4中黄色波形的1.67 V时，放电结束，NE555管脚内部放电管T截止，此时电容C1放电时间tpL为

由以上结果可看出:电容充放电时间均非常短，3DD15D开闭时间同步于电容充放电时间，故在回路形成高频脉冲信号。在V1端接上负载行输出变压器(FTB)，可激励FTB产生高频脉动直流。

图3输出振荡频率f为

值得注意的是:图5显示波形输出有振荡，主要是由于在NE555多谐振荡回路V1端接入负载行输出变压器(FTB)的一次绕组的缘故。由于一次绕组在高达0.03 MHz的高频直流信号激励下，在绕组端产生很强的感应电势;晶体三极管3DD15D的开关有延时，感应磁通未能及时消散，故在回路端形成逐渐削弱的振荡信号，该信号并不影响负载输出端的电压幅值。NE555多谐振荡回路在晶体三极管3DD15D两端加入了瞬态电压抑制器(TVS)作为保护，更增强了升压驱动系统模块的稳定性［7－10］。

图4 未接入负载下的NE555多谐振荡升压回路输出波形

图5 接入负载下的NE555多谐振荡

4 Marx回路设计

4.1 马克思发生器工作原理

在高脉冲功率的装置系统中，往往用到2种方式的储能形式:一是多台电容器的并联储能系统;二是马克思发生器(Marx generator)的储能系统。实际中为了获得较高等级的脉冲电压，较常用的是马克思发生器储能系统，其工作原理可以简单地概括为:电容器并联充电，串联放电。通过第一个点火开关(图6(a)中空心箭头)，将所有电容串联起来，建立幅值为nV0并在负载上产生一定脉冲宽度的高压脉冲。图6为本系统马克思发生器的基本电路［1］。

图6 马克思发生器基本电路

4.2 马克思发生器主要元件及相关参数计算

4.2.1 高压电容

由于马克思发生器要求对传输线的充电时间少，故马克思发生器回路必须为低电感，大容量高压电容。常用的聚苯乙烯薄膜高压电容器(plasticon high－voltage capacitor)有CB80和CB81两种形式。前者是引线轴向输出，价格经济实惠，容量满足一般科研场所需要;后者是螺栓式输出，价格为前者的5～10倍，容量偏大。本系统选用电容为CB80/30 kV/3 900 PF，容量允许偏差为J型(±5%)的引出式高压电容器，常见20～30 kV可以用来做Marx发生器的引出式高压电容器参数见表2。

常规Marx发生器回路往往可根据需要做3～40级。考虑到回路电感以及高压薄膜电容器的自身电感，一般做到10级已经足够。本系统做到了19级，测试效果如图7所示。

表2 CB80轴向式聚苯乙烯薄膜高压电容器

图719 级Marx发生器脉冲放电测试效果

4.2.2 Marx回路相关参数计算

为了让19级马克思发生器的聚苯乙烯薄膜高压电容器能在短时间内完成全部充放电，限流电阻R取值为50 MΩ，其余马克思发生器回路的充电电阻取值为1.5 MΩ。限流电阻取值较大主要是为了防止Marx级数过高导致整体充电电感过大，造成电容器不能完全充满电、点火开关不能全部动作、击穿电压偏低，同时也可以吸收马克思发生器回路产生的泄露浪涌的能量，减少对前面升压驱动回路的冲击［1－2，11］。本系统中马克思发生器相关时间及电压幅值参数如下:

1)马克思发生器的充电时间常数为τc:

式中:L为点火间隙等效电感，C为充电电容。可见充电时间常数τc的快慢往往取决于对聚苯乙烯薄膜高压电容器容量的选取以及点火开关间隙距离。

2)马克思发生器的放电时间常数为τd:

式中RL为充电电阻。

本系统中的马克思发生器放电回路直接对地放电，如果要接负载并将大部分能量输出至负载，则负载阻抗下的时间常数必须远远小于τc。同时，在马克思发生器工作时要尽量避免限流电阻上的能量损失，其会降低马克思发生器的发生效率，故对R的取值一般应控制在10～50 MΩ。马克思发生器的放电电压为ΔU:

式中:Cg为点火间隙开关处的耦合电容;Cs为各极板电容与接地极之间的耦合电容。实际运用时往往忽略Cg/Cs，这是因为其值很小，几乎不影响马克思发生器的电压，若确实需要避免该比值的影响，可在聚苯乙烯薄膜高压电容器外壳附件放置一块接地的导电金属［12－13］。

忽略电路杂散电容的存在，本系统的脉冲直流电压U≈19×20=380(kV)。

5 结束语

脉冲功率技术常应用于大功率、大容量、对介电常数有较高要求的高压发生装置中。本文通过理论与实践，在满足装置电气性能要求的基础上极大简化了高频振荡冲击电压发生器的系统结构，系统设计原理简单、造价成本低、携带便捷，可根据需要随时应用于直流高压绝缘耐压检测试验。

在本系统的普通应用研究领域，推荐电容阵列数控制在10级，以免回路杂散电容、电感影响造成点火开关不能完全工作，致使击穿电压过低。同时，为了有效避免试验回路的浪涌危害，可在直流稳压电源输出端串接PPTC，在行输出变压器(FTB)出线端接入量值为MΩ级的高压玻璃釉电阻和大功率二极管。

［1］韩旻，邹晓兵，张贵新.脉冲功率技术基础［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［2］Bluhm H，江伟华，张弛.脉冲功率系统的原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］贾宇向，贾韫博.555时基电路在定时电路中的应用［J］.科技传播，2009(5):86－88.

［4］Tieliu Wang，Silei Shen，Junjie Wang.Research on WSNs Topology and Application of Lightning Monitoring in Distribution Lines［J］.ICEEAC 2010，2010(8):565－568.

［5］姚刚.PPTC保护元件提高LED的性能和寿命［J］.电子设计技术，2010(5):22.

［6］周志敏，周纪海，纪爱华.电工电子实用电路［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［7］康华光，邹寿彬，秦臻.电子技术基础:数字部分［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［8］罗广孝，崔翔，张卫东，等.TVS静电抑制器等效电路参数估算及应用［J］.中国电机工程学报，2013，33 (16):204－211.

［9］李博，李洋，王俊飞.通信设备用浪涌保护器中放电管与TVS管最佳组合的探讨［J］.铁道技术监督，2012，40(12):47－50.

［10］柏树林，许波.TVS及其在设计电路中的应用［J］.新特器件应用，2009(4):27－29.

［11］Bluhm H.Pulsed Power Systems［M］.Berlin:Springer，2006.

［12］蔡新景，常树生，孙悦，等.500 kV紧凑型冲击高电压发生器的设计［J］.东北电力大学学报，2013，33(1/2):62－64.

［13］王新新，张卓，肖如泉.重复频率Marx发生器的充电回路［J］.高电压技术，1997，23(1):37－39.

(责任编辑 杨黎丽)

Design and Analysis of Impulse Voltage Generator of High Frequency

ZHANG Jun－ping，LI Shan，GU Liang，CAO Xiao－qin，WU Zheng－nan
(School of Electronic Information and Automation，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

This paper describes a simple high voltage direct current fundamentals and technology of pulsed impulse voltage generator scheme to meet Marx reached voltage charge circuit capacitance multiplier.In this paper，experimental design in the course of comparative experiment of discharge phenomena at different levels，as well as various parameters calculation，ultimately optimizes structure of this generator，and surge damage.The system is designed to be simple，cost－efficient，and you can easily produce voltages high voltage DC pulse voltage 110～500 kV，facilitating research and living areas，a variety of insulation flashover characteristic material discharge and voltage withstand impact tests.

surge;impulse;direct current;Marx;insulation

TM502

A

1674－8425(2014)03－0087－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.016

2014－01－09

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51107155)

张俊平(1986—)，男，硕士研究生，主要从事现代电力电子技术及应用、输配电技术研究。

张俊平，李山，古亮，等.高频振荡冲击电压发生器设计与分析［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014 (3):87－91.

format:ZHANG Jun－ping，LI Shan，GU Liang，et al.Design and Analysis of Impulse Voltage Generator of High Frequency［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):87－91.