电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置

本发明属于高等学校电类专业实验教学装置开发，涉及电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置。

背景技术：

1、目前的电源设备电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置作为实验教学工具通过向被测设备注入电快速瞬变脉冲群来模拟被测电路受到电磁环境干扰时的工作状态变化情况，并通过实验测量被测电路的电磁抗扰性能，该教学实验装置可用于高校中的学生和研究人员去探究开关电源电路在受到电快速瞬变脉冲群干扰时的工作异常问题。但目前的电源设备电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置通过干扰产生模块向被测设备电路注入干扰时，无法得知干扰产生模块所发出的电快速瞬变脉冲群干扰与在被测设备上耦合的干扰强度情况，不能明晰被测设备遭受干扰导致工作异常时所注入的电快速瞬变脉冲群干扰的强度大小，不能定量地评估分析被测开关电源在受到电快速瞬变脉冲群干扰时的电磁抗扰性能。除此之外，目前高校中的电磁兼容课程实验教学装置大多数偏向于理论验证，对于被测设备电磁兼容系统性能测试的实验教学装置较少。另外，现在的电磁兼容实验教学装置中的被测对象大多数是模拟的不是真实存在的被测设备，并且被测设备的种类比较单一，被测对象也只能进行单一工况下的测试，不能模拟各类被测系统设备在不同工况下的抗扰性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，该装置解决了目前的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置无法定量地将干扰产生模块发出的电快速瞬变脉冲群干扰耦合到被测设备上，从而无法得知被测设备上耦合的电快速瞬变脉冲群干扰电压或电流强度情况的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，包括两个电容耦合夹，其中一个电容耦合夹的两端分别连接功率电路驱动模块和主电路模块，电路驱动模块连接功率电路电源模块，主电路模块还连接主电路电源模块；另一个电容耦合夹的两端分别连接主电路模块和负载模块；两个电容耦合夹之间设置有高频噪声发生模块；两个电容耦合夹、主电路模块及负载模块均连接波形显示模块，两个电容耦合夹、负载模块与波形显示模块之间的连接线路上设有高压差分探头，主电路模块与波形显示模块之间的连接线路上设有低压差分探头。

3、本发明的特点还在于：

4、负载模块为电阻r或电容c或电感l。

5、主电路模块采用由开关器件igbt组成的半桥电路或由开关器件igbt组成的单相全桥电路或由开关器件igbt组成的三相全桥电路，用于将主电路电源模块输出的直流电压udc转换为交流电给负载模块供电。

6、通过高频噪声发生模块发出电快速瞬变脉冲群的电压与电流通过电容耦合夹以近场辐射耦合的方式对设备的信号进行抗扰度试验，通过高频噪声发生模块发出的电快速瞬变脉冲群干扰电压ueft(t)波形应满足式(1)，干扰电流ieft(t)应满足式(2)所示：

7、

8、其中，kv为干扰电压的峰值；v1为常数；keft为干扰电压峰值的校正因子；neft为一个周期的干扰脉冲数；τ1为干扰电压的上升时间；τ2为干扰电压的脉宽持续时间；

9、

10、其中，i为干扰电流峰值；η是干扰电流峰值的校正因子；t1是干扰电流的上升时间；t2是干扰电流的脉宽持续时间。

11、功率电路驱动模块包括开关管控制信号产生电路模块和信号驱动放大电路模块；开关管控制信号产生电路模块采用dsp控制器来发出开关管控制信号，通过信号驱动放大电路模块将控制信号放大，再去驱动igbt器件开通关断。

12、信号驱动放大电路模块中主要器件为igbt栅极驱动芯片，igbt栅极驱动芯片的功率大小pdrv由igbt器件的栅极电荷量qgate和输入电容ciss决定，应满足的条件如式(3)所示：

13、pdrv≥2·(qgate·fin·δvgate-max+ciss·fin·δvgate-max2) (3)

14、其中，fin为igbt器件的开关频率，δvgate-max为开关管驱动信号高电平与低电平间的最大电压差；

15、igbt栅极驱动芯片的驱动电流igate-max由igbt器件的栅极驱动电阻决定，应满足的条件如式(4)所示：

16、

17、其中，rint为igbt器件内部的栅极驱动电阻，rext为igbt器件外部的栅极驱动电阻。

18、电容耦合夹是一个电容器件，要对该电容器件进行充电，从而得到电容耦合夹上的干扰电压un(t)表达式如式(5)所示：

19、

20、其中，q为电容耦合夹上带的总电荷量，ceq为电容耦合夹的等效耦合电容，t是干扰电流的充电时间，id为稳态电流值，tw是干扰脉冲电流的持续时间；

21、电容耦合夹上的干扰电压通过电容耦合作用于被干扰的驱动信号上，因此在驱动信号上产生的耦合干扰电压uc如式(6)所示：

22、

23、其中，ω为igbt器件的角频率，f为igbt器件的工作频率，zl1为电容耦合夹的阻抗，zl2为主电路模块的阻抗，zs1为高频噪声发生模块的阻抗，zs2为功率电路驱动模块的阻抗；

24、当高频噪声发生模块发出的干扰脉冲为电压波时，在驱动信号上产生的耦合干扰电压uc'如式(7)所示：

25、

26、电容耦合夹的等效耦合电容是由三部分电容并联构成，分别是金属极板a与驱动信号线间的等效电容c1、金属极板b与驱动信号线间的等效电容c2以及下金属极板与驱动信号间的等效电容c3，由于金属极板a和金属极板b为对称结构，所以电容c1和c2的大小相等，电容c1、c2和c3的表达式如式(8)和(9)所示：

27、

28、

29、其中，εr为空气的相对介电常数，w为驱动信号线的线宽，l为驱动信号线的线长该线长与电容耦合夹的长度一致，k为静电力常数，θ为金属极板a和金属极板b间构成的夹角；

30、由于电容耦合夹的等效耦合电容ceq是由c1、c2和c3并联构成，由此可得到ceq的表达式如式(10)所示：

31、

32、下金属极板的宽度b如式(11)所示：

33、

34、其中，a为金属极板a的宽度，金属极板a的宽度与金属极板b的宽度相等。

35、本发明的有益效果是，本发明提出的一种电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，在本发明装置的设计方法中通过从干扰产生模块发出的电快速瞬变脉冲群干扰与被测设备上耦合干扰的机理出发，通过对装置中电容耦合夹金属极板间的耦合角度和距离进行设计，可定量地得到耦合电容的大小与耦合干扰间的参数值，能更精确地测量得到被测设备的电磁抗扰度阈值，并且可以使学生和研究人员更加理解被测设备在受到电快速瞬变脉冲群干扰时的电磁抗扰机理以及更加明晰干扰的耦合路径。

技术特征：

1.电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：包括两个电容耦合夹(2-3)，其中一个电容耦合夹(2-3)的两端分别连接功率电路驱动模块(2-2)和主电路模块(2-4)，电路驱动模块(2-2)连接功率电路电源模块(2-1)，主电路模块(2-4)还连接主电路电源模块(2-5)；另一个电容耦合夹(2-3)的两端分别连接主电路模块(2-4)和负载模块(2-6)；两个电容耦合夹(2-3)之间设置有高频噪声发生模块(2-7)；两个电容耦合夹(2-3)、主电路模块(2-4)及负载模块(2-6)均连接波形显示模块(2-8)，两个电容耦合夹(2-3)、负载模块(2-6)与波形显示模块(2-8)之间的连接线路上设有高压差分探头(2-9)，主电路模块(2-4)与波形显示模块(2-8)之间的连接线路上设有低压差分探头(2-10)。

2.根据权利要求1所述的电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：所述负载模块(2-6)为电阻r或电容c或电感l。

3.根据权利要求1所述的电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：所述主电路模块(2-4)采用由开关器件igbt组成的半桥电路或由开关器件igbt组成的单相全桥电路或由开关器件igbt组成的三相全桥电路，用于将主电路电源模块(2-5)输出的直流电压udc转换为交流电给负载模块(2-6)供电。

4.根据权利要求1所述的电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：通过所述高频噪声发生模块(2-7)发出电快速瞬变脉冲群的电压与电流通过电容耦合夹以近场辐射耦合的方式对设备的信号进行抗扰度试验，通过高频噪声发生模块(2-7)发出的电快速瞬变脉冲群干扰电压veft(t)波形应满足式(1)，干扰电流ieft(t)应满足式(2)所示：

5.根据权利要求1所述的电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：所述功率电路驱动模块(2-2)包括开关管控制信号产生电路模块和信号驱动放大电路模块；开关管控制信号产生电路模块采用dsp控制器来发出开关管控制信号，通过信号驱动放大电路模块将控制信号放大，再去驱动igbt器件开通关断。

6.根据权利要求5所述的电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：所述信号驱动放大电路模块中主要器件为igbt栅极驱动芯片，igbt栅极驱动芯片的功率大小pdrv由igbt器件的栅极电荷量qgate和输入电容ciss决定，应满足的条件如式(3)所示：

7.根据权利要求1所述的电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：所述电容耦合夹(2-3)是一个电容器件，要对该电容器件进行充电，从而得到电容耦合夹(2-3)上的干扰电压un(t)表达式如式(5)所示：

8.根据权利要求7所述的电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，其特征在于：所述电容耦合夹(2-3)的等效耦合电容是由三部分电容并联构成，分别是金属极板a(3-1)与驱动信号线间的等效电容c1、金属极板b(3-2)与驱动信号线间的等效电容c2以及下金属极板(3-3)与驱动信号间的等效电容c3，由于金属极板a(3-1)和金属极板b(3-2)为对称结构，所以电容c1和c2的大小相等，电容c1、c2和c3的表达式如式(8)和(9)所示：

技术总结
本发明公开了电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置，包括两个电容耦合夹，其中一个电容耦合夹的两端分别连接功率电路驱动模块和主电路模块，电路驱动模块连接功率电路电源模块，主电路模块还连接主电路电源模块；另一个电容耦合夹的两端分别连接主电路模块和负载模块；两个电容耦合夹之间设置有高频噪声发生模块；两个电容耦合夹、主电路模块及负载模块均连接波形显示模块。通过运用本发明电源设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性测量教学实验装置进行高校电磁兼容实验教学，可以更好地培养学生结合电磁兼容理论知识解决工程实际问题的能力。

技术研发人员：姬军鹏,谷文龙,路景杰,卓超然,成凤娇
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21