1kA脈沖電流發(fā)生器測控電路的設(shè)計案例

脈沖電流是很快的一次性暫態(tài)量，而且電流幅值較大，當(dāng)采集測試時，對測試設(shè)備元器件要求較高。因此，脈沖電流測控技術(shù)在對于雷電流這樣大電流沖擊時出現(xiàn)的危害是具有很大的研究意義。

**1 **總體設(shè)計方案

1kA脈沖電流發(fā)生器是由單片機(jī)控制系統(tǒng)、充電回路電路、放電回路、放電采集電路以及液晶顯示模塊所組成。整個系統(tǒng)通過單片機(jī)控制IGBT開關(guān)閉合時間以及其斷開時間來控制整個電路的充電模塊和放電模塊，以達(dá)到充放電電壓、幅值可調(diào)的目的。最后再通過采集電路進(jìn)行采集輸入單片機(jī)，并顯示在液晶屏上。脈沖電流發(fā)生器測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 脈沖電流發(fā)生器系統(tǒng)總體設(shè)計

整個脈沖電流測控系統(tǒng)包括控制模塊、采集模塊和充放電的主電路模塊。系統(tǒng)可分為充電和放電兩個過程。

充電過程為：220V的交流電通過整流橋及濾波后產(chǎn)生300V的直流電源，通過按鍵向單片機(jī)發(fā)送調(diào)節(jié)開關(guān)閉合時間以及發(fā)送充電指令，單片機(jī)接受到指令后控制前級充電開關(guān)閉合，由IGBT控制的直流電源向儲能電容開始充電，直到單片機(jī)按指令時間停止對電容充電，自動斷開前級開關(guān)，停止充電。

隨即單片機(jī)對后級開關(guān)發(fā)出指令，閉合開關(guān)，使得儲能電容開始放電，在后級放電電路中，采用的是RLC回路，在通過負(fù)載很小的電阻時，產(chǎn)生一個瞬態(tài)的沖擊電流，通過參數(shù)調(diào)整可產(chǎn)生一個8/20μs脈沖波形。

經(jīng)采集電路采集信號后，由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸出給液晶顯示電路并顯示在液晶屏幕上其檢測到的波形、幅值、上升沿時間和半波時間等參數(shù)。

2****硬件設(shè)計

**2.1 **直流電源設(shè)計

主回路中分為兩個主要部分：充電電路以及放電回路。充電電路中為了給儲能電容充電，需要直流電源為其充電。如圖2所示，采用單相橋式整流電路整流后為儲能電容充電，其構(gòu)成的原則就是可以保證在充電回路中負(fù)載上的電壓和電流方向保持一致。

在相同情況下，對二級管的要求是一樣的，但單相橋式整流法要比半波整流電路輸出電壓高、效率高、脈動波動小等，所以選擇了單相橋式整流電路。R12的作用是為了起到一個限流作用，防止過大電流對前級IGBT造成毀壞。

圖2 主電路原理圖

主電路，Q11與Q12均為IGBT開關(guān)，C12為儲能電容，R15為試樣電阻，L11為放電電路中的諧振電感。電路上電之前，處于初始狀態(tài)，儲能電容C12兩端電壓為0，開關(guān)Q11與Q12處于斷開狀態(tài)，當(dāng)S1閉合后這時的電路將由單片機(jī)控制完成。

當(dāng)電路上電后，利用按鍵設(shè)置好充電時間，然后按下充電按鈕，單片機(jī)接受到設(shè)置的參數(shù)信號后，會發(fā)出一個高電平信號，控制充電回路中的IGBT開關(guān)閉合，使得充電回路導(dǎo)通，從而讓整流后的直流電源對儲能電容C12開始充電。當(dāng)充電時間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，單片機(jī)會發(fā)出一個低電平使得開關(guān)Q11斷開，此時整個充電過程結(jié)束。

當(dāng)Q11斷開后，單片機(jī)會間隔50μs對開關(guān)Q12發(fā)出一個高電平，使其閉合，從而開始后級回路中的放電過程。同理，當(dāng)放電結(jié)束后，也就是C12兩端電壓為0時，單片機(jī)會在指定足夠長的時間后變成低電平，使其后級驅(qū)動開關(guān)IGBT斷開，這是整個過程就結(jié)束了。

**2.2 **單片機(jī)電路

如圖3所示，P10口作為A/D采集所用，P11和P12作為給控制開關(guān)輸出高低電平，當(dāng)輸出高電平時開關(guān)閉合，當(dāng)輸出低電平時開關(guān)斷開。S1是設(shè)置充電時間按鍵，S2是確認(rèn)按鍵。J12是單片機(jī)的下載端口。

圖3 單片機(jī)電路

在這里特別說明一點(diǎn)，單片機(jī)使用的是30M的晶振，這樣對于STC12C5A60S2單片機(jī)來講，可以大大提高其采樣率，理論計算采樣率為350kHz，采樣周期則為2.8μs，為之后采集波形帶來了一定程度上的方便，但對于8/20μs波形來講依舊還是太大，無法精確采集，仍會產(chǎn)生較大的誤差，在程序中采用插值法來減少這樣所帶來的誤差。

**2.4 **采樣電路

如圖4所示的采樣電路，由于放電回路中瞬時電流太大，不易采集測量，這是利用線圈感應(yīng)的方式把大電流感應(yīng)成小電流，再測量負(fù)載兩端的電壓大小即可。由于本次設(shè)計要求最大電流為1000A，所以經(jīng)過計算利用銅線自制一個空心線圈。由于計算的比例是1:2000，購買一個電流互感器更為方便。

圖4 采樣電路

采樣電路中負(fù)載選用的是10的電阻，所以當(dāng)最大電流1kA經(jīng)過時，R13上的電壓只有5V，此時才可以輸入單片機(jī)選用的A/D中，經(jīng)過單片機(jī)的采樣與計算再輸出顯示。

3軟件設(shè)計

通過單片機(jī)控制充放電時間來控制充電電壓大小，以達(dá)到后級電流可調(diào)的目的，再利用采集電路對放電回路中的負(fù)載進(jìn)行電參數(shù)采集，然后送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，最后在液晶顯示屏上顯示所需要的數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計的主函數(shù)流程圖如圖5所示。

圖5 主函數(shù)流程圖

4****演示結(jié)果與分析

實(shí)物圖如圖6所示。右下方模塊是單片機(jī)電路，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)及液晶顯示模塊；而右上方為采樣電路部分，左側(cè)是一自制電源，通過變壓器將220V電壓轉(zhuǎn)成15V和5V電壓供給電路。

圖6 實(shí)物展示

圖7 控制電壓

單片機(jī)控制充放電開關(guān)是通過輸出一個高低電平來控制通斷的，如圖7所示，左側(cè)的圖顯示為充電狀態(tài)，右側(cè)的圖顯示為放電狀態(tài)。單片機(jī)輸出5V的高電平則表示開關(guān)閉合，輸出0V的低電平則表示為開關(guān)斷開。

波形及參數(shù)測試如圖8所示，液晶顯示屏在前端丟失了部分波形，沒有采集顯示出來；而采集到的電參數(shù)，像幅值、半波時間以及上升沿時間是與實(shí)際上存在一定的誤差。

在這里對這樣的結(jié)果進(jìn)行簡單分析：波形部分，認(rèn)為產(chǎn)生丟失波形的原因有兩個，其一是使得單片機(jī)判斷出現(xiàn)波形時的算法還有待改進(jìn)；其二是雷電波形發(fā)生的時候有一定的干擾；電參數(shù)部分，幅值、上升沿時間以及半波時間的確定存在一定的誤差，這來源于51單片機(jī)的缺陷，采樣率依舊比較低，采樣周期只有2.8μs，對于產(chǎn)生的8/20μs波形來說依舊略大，無法更精細(xì)的判斷，導(dǎo)致產(chǎn)生一定誤差。

圖8 波形及參數(shù)測試

**5 **結(jié)論

雷電釋放瞬間會產(chǎn)生較大的脈沖電流，放電一次時間很短，約在40μs左右，本文主要針對1kA電流的脈沖電流發(fā)生器展開研究，對如何控制和采集脈沖電流的問題提出了利用STC12C5A60S2的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的設(shè)計方案。因此對于脈沖電流測控技術(shù)的研究對于預(yù)防雷電產(chǎn)生的影響具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。