电容耦合对组合波输出波形特性影响的研究
2010-12-17 17:21:18
来源：《半导体器件应用》2010年5月刊
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0 引言
ZnO 压敏电阻是具有晶界势垒的多晶化合物，具有非常优良的电气特性，广泛用来抑制电路或电源系统中的瞬态过电压[1-7]。ZnO 压敏电阻作为重要的浪涌保护器 SPD(Surge Protective Devices) 之一，其冲击电流试验一般是在未施加工频电源状态下进行的，而国际标准 UL1449、IEC61000-4-5、IEC61643-1、IEC61643-1 规定，SPD 的 1.2/50μs、8/20μs 组合波 CWG(combination wave generator) 冲击电流试验必须在施加工频电源的情况下进行[8-11]，见图 1。
为了将冲击信号耦合施加在被试品上而不会对工频电源造成影响，常在冲击电源与被试品之间加入耦合网络 CN（Coupling Network），CN 可采用电容耦合、阻容耦合、压敏电阻耦合和放电间隙/放电管耦合等。由于 CN 是组合波回路的一部分，不可避免地影响组合波回路的电流输出。本文采用仿真分析和大量的实验研究，得出了电容耦合对组合波回路电流输出波形的影响规律。
1 无负载时电容耦合对组合波输出的影响仿真
1.1 无负载时电容耦合的组合波仿真电路
组合波试验电路见图2，虚拟阻抗为 2Ω 时的回路参数为[12-14]：C1=8μF，L=10μH，R1=15Ω，R3=1.2Ω，R2=23Ω。C2 为耦合电容，Rs 为分流器， EUT 为被试品。当 EUT 处于高阻状态时，图2(a) 回路产生 1.2/50μs 的冲击电压波，而当 EUT 处于低阻状态时，图2(a) 回路产生 8/20μs 的冲击电流波。为了模拟 EUT 实际运行状态，工频供电电源需经过去耦网络施加在 EUT 上，而组合波冲击电流信号通过电容耦合作用到 EUT 上，组合波电源和 EUT 的连接电路如图2(b)。当 EUT 处于高阻状态时，EUT 负载支路中通过的电流为零，耦合电容不会对组合波的 1.2/50μs 开路电压波造成影响；当 EUT 负载处于低阻状态时，EUT 支路中耦合电容成为组合波回路的负载，因此，耦合电容会对组合波的 8/20μs 短路电流波造成影响。
1.2 无负载时耦合电容对组合波短路电流的影响
对于图2(b) 的仿真电路，当不存在耦合元件时，组合波回路在储能电容两端电压为 Uc=10kV 时的仿真输出参数为：开路电压Uoc=9.27kV，短路电流 Io=4.48kA，电流波的上升时间 tf=7.67μs，半峰值时间 tt=21.59μs，反极性振荡为 12.48%，虚拟电阻为 2.07Ω。IEC61000-4-5 规定了耦合电容 C2=9μF 或 18μF。
当耦合电容 C2=18μF 时以及储能电容两端电压为 Uc=10kV 时，CWG 输出的开路电压 Uoc =9.27kV，短路电流 Io=4.03kA，电流波的上升时间 tf=6.71μs，半峰值时间 tt=17.77μs，反极性振荡为 25.4%，虚拟阻抗（开路电压与短路电流的峰值之比）为 2.3Ω。
图3(a)、图3(b) 为耦合电容 C2 从 18μF 变化到 48μF 时，组合波回路输出的 8/20μs 短路电流波形参数随耦合电容 C2 变化的规律。
从图3 中看出，随着 C2 的增加，8/20μs 短路电流波的波前时间和半峰值时间均增加，反极性振荡和虚拟阻抗减少。当耦合网络的耦合电容从 18μF 到48μF 变化时，8/20μs 短路电流波的波前时间由 6.7123μs 变化到 7.2523μs；半峰值时间由 17.77μs 变化到 19.88μs；反极性振荡由 25.4% 变化到 18.5%；虚拟阻抗由 2.3Ω 变化到 2.16Ω。
为减少耦合电容对组合波的短路电流波波形参数的影响，C2 不能选的太小。单在工频电源下，电容增大势必引起容抗的减小，从而引起通过调波电阻 R1、R2、R3 及电容 C1 的电流增加。在电源电压 V=380V 时，通过调波电组 R1、R2 的电流随 C2 变化的规律如图 4。
因此，要满足 IEC61643-1 的要求，耦合电容在 48μF 左右。但耦合电容增加，通过调波电阻中的电流增加，给调波电组的设计增加了难度。
2 压敏电阻负载时电容耦合对组合波输出的影响
当组合波的负载是压敏电阻时，由于压敏电阻是组合波回路的一部分，它对组合波的短路电流波形也会产生影响。
2.1 压敏电阻的等效物理模型
压敏电阻的数学模型可以用指数函数来描述[15]，即：V=kI α。其中 k 为比例系数，α 为非线性系数。严格来讲，由于各个区域所表现的特性不同，压敏电阻的比例系数k和非线性系数 α 并不是一个常数，它们随着电流的改变而改变，但在局部电流区间内比例系数k和非线性系数 α 近似保持不变，因此可用分段指数函数来描述：
V=ki I αi (i=1，2……) (1)
其中，i 表示不同的电流区间，划分原则是该区间内比例系数 k 和非线性系数 α 近似保持不变。
将式(1)两边同时取对数进行线性化，得到：lnV=αilnI+ lnki
令：y=lnV，x=lnI 得
y=αix+lnki (2)
由式 (2) 可见， lnV 与 lnI 呈一次简单的线性函数关系，如果在（Ik， Ik+1）的范围内，（xj， yj）基本上位于同一直线上，则该电流区间内的 lnV 与 lnI 呈一次函数关系，然后对该区间内的 n 个点（xj， yj）用一次函数拟合求解，求出拟合函数的一次项系数即该电流区间的非线性系数 αi，常数项即为比例系数的对数 lnki，进而取指数可求出 ki。同理可求出其它电流区间的比例系数和非线性系数。
2.2 耦合电容对压敏电阻组合波短路电流的影响
利用 2.1 节求得的压敏电阻比例系数和非线性系数，就可以方便研究带有压敏电阻负载时，耦合电容对 CWG 短路电流波形参数的影响。图 5 为直流 1mA 电压U1mA 为 18V 时耦合电容对短路电流波形的影响规律。
由图 5 得出：压敏电阻加入后，耦合电容对短路电流波形的影响规律与无负载时一致，但短路电流的波前时间、半峰值时间及反极性振荡和虚拟电阻均较相应的无负载时参数值偏小。这是因为压敏电阻的加入，使得回路中的调波电阻增加，回路阻尼系数增加，因而使得电流波的波前时间、半峰值时间、反极性振荡以及虚拟阻抗等减少。在耦合电容为 18μF 时，短路电流波的波前时间为 6.63μs，如果改换成 U1mA 较高的压敏负载或者电容电压低于 10kV 的情况下，电流波的波前时间将更短。
总之，由于耦合电容对组合波短路电流波形的影响使得这种耦合方式的适用场合受到一定的限制，而采用大通流容量的保护间隙，如 Phoenix、OBO、DEHN 等公司生产的标准浪涌保护间隙，这种保护间隙在浪涌电流通过时具有非常小的动态电阻，对组合波短路电流波形不会产生影响，同时其电压保护水平在几百伏到几个千伏不等。因此，可以根据组合波输出电压、电流等级的不同及施加工频电源电压的大小，选择一组浪涌保护间隙作为组合波试验回路的耦合网络，产生同时满足 UL1449、IEC61000-4-5 和 IEC61643-1 等要求的开路电压波和短路电流波。
3 结论
本文采用仿真分析的方法，研究得出了无负载和压敏电阻负载时耦合电容对组合波短路电流波形参数的影响规律。
(1) 无负载情况下，耦合电容的增加将使组合波短路电流波形的波前时间和半峰值时间增加，反极性振荡和虚拟阻抗减小。
(2) 压敏电阻作为 CWG 负载情形下，耦合电容的增加也将使组合波短路电流波形的波前时间和半峰值时间增加，反极性振荡和虚拟阻抗减小，而且各波形参数均比无任何负载条件下的值偏小。
(3) 电容耦合方式适宜于施加工频电压不太大、组合波输出电压与电流等级比较低的场合。
参考文献
[1] Herbert R， Philipp， Lionel M. Levinson. ZnO varistor for protection against nuclear elelctromagnetic pulses[J]. J.Appl. Phys. 1981， 52(2): 1083-1090
[2] G. D. Mahan， Lionel M. Levinson and Herbert R， Philipp. Theory of conduction in ZnO Varistor[J]， J.Appl. Phys. 1979， 50(4): 2799-2812
[3] MM Yaacob RA Ghani，Voltage-Current Characteristics OfMeta l Oxide Varistors For Low Voltage Telephone Lightning Protector Under The Application Of Multiple Lightning Impulse[J]，Conference Record of the 1998 IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Arlington， Virginia， USA， 1998，pp460-463
[4] M. M. Drabkin， surge protection of low-voltage AC power by MOV-based SPDs[J]， 10th International Conference on Harmonics and Quality of Power， Volume 1， 2002， pp13-16
[5] M. Abdel-Salam， Nabil A. Ahmed and Ibrahim S. Elhamd. Varistor as a surge protection device for electronic equipments[J]， IEEE International Conference on Industrial Technology， Royal Hammamet， Tunisia， 2004，688-694
[6] Hongbo Fan， David B. Miller. Transition of MOV distribution arresters from capacitive to resistive during steep-front impulses[C]， Conference of IEEE international symposium on electrical insulation， Baltimore， MD USA， 1992， 452-454.
[7] Alan Chiste C. E. T. ， James Funke， P. E. Electronic system protection via advanced surge protective devices[J]. Digital Object Identifier， 2002， Vol.3， pp2244-2247
[8] UL1449， Transient voltage surge suppressors[S]， 2005
[9] IEC61643-1，Surge Protective Devices Connected to Low-voltage Power Distribution System， Part 1: Performance Requirements and Testing Methods[S]， 1998
[10] IEC61000-4-5， Electromagnetic Compatibility(EMC)， Part 4: Testing and Measurement Techniques Section 5: Surge Immunity Test[S]， 1995
[11] IEC61643-21， Surge Protective Devices Connected to Telecommunication and Signaling Networks， Performance Requirements and Testing Methods[S]， 2000
[12] 姚学玲，陈景亮，孙伟，非线性被试品冲击电流发生回路的研究[J]，高压电器，41(6):412-415 Yao Xueling ， Chen Jinliang ， Sun Wei， Study on the impulse for nonlinear resistance[J]， High Voltage Apparatus，2005， 41(6):412-415
[13] 姚学玲，陈景亮，孙伟，浪涌保护器带电试验组合波发生器的设计[J]，高电压技术，30(5):42-44 Yao Xueling ， Chen Jinliang ， Sun Wei， The design of combination wave generator for SPD charging test[J]， High Voltage Engineering， 2004， 30(5):42-44
[14] 孙伟， 姚学玲， 陈景亮等，用于防雷器带电试验组合波发生器电路参数的理论计算[J]，高压电器，42(5)：343-345 Sun Wei， Yao Xueling， Chen Jingliang et al. Theoretical Calculation Applied in Circuit Parameters of Combination wave Generator for SPD Charging Test[J]， High Voltage Apparatus，2006， 42(5): 343-345
[15] G. D. Mahan， Lionel M. Levinson， and H. R. Philipp. Theory of conduction in ZnO varistors[J]. J. Appl. Phys. 50(4):2799-2812.
ZnO 压敏电阻是具有晶界势垒的多晶化合物，具有非常优良的电气特性，广泛用来抑制电路或电源系统中的瞬态过电压[1-7]。ZnO 压敏电阻作为重要的浪涌保护器 SPD(Surge Protective Devices) 之一，其冲击电流试验一般是在未施加工频电源状态下进行的，而国际标准 UL1449、IEC61000-4-5、IEC61643-1、IEC61643-1 规定，SPD 的 1.2/50μs、8/20μs 组合波 CWG(combination wave generator) 冲击电流试验必须在施加工频电源的情况下进行[8-11]，见图 1。
为了将冲击信号耦合施加在被试品上而不会对工频电源造成影响，常在冲击电源与被试品之间加入耦合网络 CN（Coupling Network），CN 可采用电容耦合、阻容耦合、压敏电阻耦合和放电间隙/放电管耦合等。由于 CN 是组合波回路的一部分，不可避免地影响组合波回路的电流输出。本文采用仿真分析和大量的实验研究，得出了电容耦合对组合波回路电流输出波形的影响规律。
1 无负载时电容耦合对组合波输出的影响仿真
1.1 无负载时电容耦合的组合波仿真电路
组合波试验电路见图2，虚拟阻抗为 2Ω 时的回路参数为[12-14]：C1=8μF，L=10μH，R1=15Ω，R3=1.2Ω，R2=23Ω。C2 为耦合电容，Rs 为分流器， EUT 为被试品。当 EUT 处于高阻状态时，图2(a) 回路产生 1.2/50μs 的冲击电压波，而当 EUT 处于低阻状态时，图2(a) 回路产生 8/20μs 的冲击电流波。为了模拟 EUT 实际运行状态，工频供电电源需经过去耦网络施加在 EUT 上，而组合波冲击电流信号通过电容耦合作用到 EUT 上，组合波电源和 EUT 的连接电路如图2(b)。当 EUT 处于高阻状态时，EUT 负载支路中通过的电流为零，耦合电容不会对组合波的 1.2/50μs 开路电压波造成影响；当 EUT 负载处于低阻状态时，EUT 支路中耦合电容成为组合波回路的负载，因此，耦合电容会对组合波的 8/20μs 短路电流波造成影响。
1.2 无负载时耦合电容对组合波短路电流的影响
对于图2(b) 的仿真电路，当不存在耦合元件时，组合波回路在储能电容两端电压为 Uc=10kV 时的仿真输出参数为：开路电压Uoc=9.27kV，短路电流 Io=4.48kA，电流波的上升时间 tf=7.67μs，半峰值时间 tt=21.59μs，反极性振荡为 12.48%，虚拟电阻为 2.07Ω。IEC61000-4-5 规定了耦合电容 C2=9μF 或 18μF。
当耦合电容 C2=18μF 时以及储能电容两端电压为 Uc=10kV 时，CWG 输出的开路电压 Uoc =9.27kV，短路电流 Io=4.03kA，电流波的上升时间 tf=6.71μs，半峰值时间 tt=17.77μs，反极性振荡为 25.4%，虚拟阻抗（开路电压与短路电流的峰值之比）为 2.3Ω。
图3(a)、图3(b) 为耦合电容 C2 从 18μF 变化到 48μF 时，组合波回路输出的 8/20μs 短路电流波形参数随耦合电容 C2 变化的规律。
从图3 中看出，随着 C2 的增加，8/20μs 短路电流波的波前时间和半峰值时间均增加，反极性振荡和虚拟阻抗减少。当耦合网络的耦合电容从 18μF 到48μF 变化时，8/20μs 短路电流波的波前时间由 6.7123μs 变化到 7.2523μs；半峰值时间由 17.77μs 变化到 19.88μs；反极性振荡由 25.4% 变化到 18.5%；虚拟阻抗由 2.3Ω 变化到 2.16Ω。
为减少耦合电容对组合波的短路电流波波形参数的影响，C2 不能选的太小。单在工频电源下，电容增大势必引起容抗的减小，从而引起通过调波电阻 R1、R2、R3 及电容 C1 的电流增加。在电源电压 V=380V 时，通过调波电组 R1、R2 的电流随 C2 变化的规律如图 4。
因此，要满足 IEC61643-1 的要求，耦合电容在 48μF 左右。但耦合电容增加，通过调波电阻中的电流增加，给调波电组的设计增加了难度。
2 压敏电阻负载时电容耦合对组合波输出的影响
当组合波的负载是压敏电阻时，由于压敏电阻是组合波回路的一部分，它对组合波的短路电流波形也会产生影响。
2.1 压敏电阻的等效物理模型
压敏电阻的数学模型可以用指数函数来描述[15]，即：V=kI α。其中 k 为比例系数，α 为非线性系数。严格来讲，由于各个区域所表现的特性不同，压敏电阻的比例系数k和非线性系数 α 并不是一个常数，它们随着电流的改变而改变，但在局部电流区间内比例系数k和非线性系数 α 近似保持不变，因此可用分段指数函数来描述：
V=ki I αi (i=1，2……) (1)
其中，i 表示不同的电流区间，划分原则是该区间内比例系数 k 和非线性系数 α 近似保持不变。
将式(1)两边同时取对数进行线性化，得到：lnV=αilnI+ lnki
令：y=lnV，x=lnI 得
y=αix+lnki (2)
由式 (2) 可见， lnV 与 lnI 呈一次简单的线性函数关系，如果在（Ik， Ik+1）的范围内，（xj， yj）基本上位于同一直线上，则该电流区间内的 lnV 与 lnI 呈一次函数关系，然后对该区间内的 n 个点（xj， yj）用一次函数拟合求解，求出拟合函数的一次项系数即该电流区间的非线性系数 αi，常数项即为比例系数的对数 lnki，进而取指数可求出 ki。同理可求出其它电流区间的比例系数和非线性系数。
2.2 耦合电容对压敏电阻组合波短路电流的影响
利用 2.1 节求得的压敏电阻比例系数和非线性系数，就可以方便研究带有压敏电阻负载时，耦合电容对 CWG 短路电流波形参数的影响。图 5 为直流 1mA 电压U1mA 为 18V 时耦合电容对短路电流波形的影响规律。
由图 5 得出：压敏电阻加入后，耦合电容对短路电流波形的影响规律与无负载时一致，但短路电流的波前时间、半峰值时间及反极性振荡和虚拟电阻均较相应的无负载时参数值偏小。这是因为压敏电阻的加入，使得回路中的调波电阻增加，回路阻尼系数增加，因而使得电流波的波前时间、半峰值时间、反极性振荡以及虚拟阻抗等减少。在耦合电容为 18μF 时，短路电流波的波前时间为 6.63μs，如果改换成 U1mA 较高的压敏负载或者电容电压低于 10kV 的情况下，电流波的波前时间将更短。
总之，由于耦合电容对组合波短路电流波形的影响使得这种耦合方式的适用场合受到一定的限制，而采用大通流容量的保护间隙，如 Phoenix、OBO、DEHN 等公司生产的标准浪涌保护间隙，这种保护间隙在浪涌电流通过时具有非常小的动态电阻，对组合波短路电流波形不会产生影响，同时其电压保护水平在几百伏到几个千伏不等。因此，可以根据组合波输出电压、电流等级的不同及施加工频电源电压的大小，选择一组浪涌保护间隙作为组合波试验回路的耦合网络，产生同时满足 UL1449、IEC61000-4-5 和 IEC61643-1 等要求的开路电压波和短路电流波。
3 结论
本文采用仿真分析的方法，研究得出了无负载和压敏电阻负载时耦合电容对组合波短路电流波形参数的影响规律。
(1) 无负载情况下，耦合电容的增加将使组合波短路电流波形的波前时间和半峰值时间增加，反极性振荡和虚拟阻抗减小。
(2) 压敏电阻作为 CWG 负载情形下，耦合电容的增加也将使组合波短路电流波形的波前时间和半峰值时间增加，反极性振荡和虚拟阻抗减小，而且各波形参数均比无任何负载条件下的值偏小。
(3) 电容耦合方式适宜于施加工频电压不太大、组合波输出电压与电流等级比较低的场合。
参考文献
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