脉冲功率电源辐射电磁场测量与分析

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1、万方数据第21卷第9期强激光与粒子束V01．21，No．92009年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep．，2009文章编号：1001—4322(2009)09—1426—05脉冲功率电源辐射电磁场测量与分析’曹荣刚，邹军，袁建生(清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统国家重点实验室，北京100084)摘要：对采用三电极气体间隙放电开关的脉冲功率电源和采用可控硅开关的脉冲功率电源进行了辐射电磁场测量与分析。所研究的脉冲功率电源的脉冲持续时间为ms量级，电流峰值为几十到几百kA。使用多组微分式磁场探头和高采样率、高存储深度的数字示波器进行了磁场测量

2、；通过探头校对实验，对探头系数进行了校验。通过对微分测量结果的校正与积分运算，得到了磁场的时域波形。分析了低频段按照探头系数的计算方法和积分处理方法的关系，总结了时域波形重构的一些方法。得到了两种电源的电磁场特性：三电极气体间隙放电开关产生的磁场频谱范围可达10MHz，而可控硅开关产生的磁场在1MHz以内；其辐射电场微弱。关键词：脉冲功率电源；气体闯隙开关；可控硅开关f电磁场测量；电磁干扰中图分类号：TM8文献标志码：A脉冲功率电源周围通常有测量和控制等电子设备，多模块组合电源本身也有许多触发控制电路与设备，它们很可能会受到脉冲功率电源产生的强电磁干扰影响而不能正常工作甚至损坏。因

3、此，需要测量脉冲功率电源周围的电磁场，分析其是否超过相应的电磁限定标准。对于不符合电磁环境要求的情况，必须实施抑制电磁干扰的措施，以确保脉冲功率电源及其它系统安全可靠运行，使整个工作平台实现电磁兼容¨]。文献[23通过实验与测量分析了Marx脉冲发生器中气体间隙开关导通时产生的电磁干扰。其电压等级为80kV，开关间隙是25mm，辐射磁场的主频段在20～30MHz之间。本文主要研究了采用气体放电开关和可控硅开关的脉冲功率电源，通过实验测量得到两种电源周围辐射电磁场。1两种电源的磁场测量典型结果脉冲功率电源主电流上升沿为几百“s，其频谱主要分布在1kHz以下。电源电磁干扰高频分量主要来

4、源于开关。三电极气体间隙开关产生的干扰信号的主要频谱范围在100MHz以内口3；可控硅开关产生的干扰信号频谱一般不会超过这个频率范围[3]。在空气中传播的i00MHz的电磁波的波长约为3m，根据实际脉冲电源的尺寸以及测量点距电源的距离可知，此电磁场属于辐射源的近场区域。因此，磁场和电场需要分开来测量。对于本文研究的两种脉冲功率电源，电场很小，本文只给出了磁场的测量与分析。1．1两种电源介绍脉冲功率电源有多种储能方式，其中电容储能应用较广。本文研究的脉冲功率电源均为电容储能式。电容充电后，通过放电开关使电容放电，在负载上产生脉冲功率电流。脉冲电源的输出电流典型波形为单脉冲波形，上升沿

5、0．5ms左右，峰值电流几十到几百kA，脉宽约几ms。开关在脉冲功率装置中起着关键性作用。开关种类很多，其中各种电火花间隙应用最广，但随着技术的发展，可控硅开关的应用也较多。本文所研究的电源分别采用三电极气体间隙开关和大功率可控硅开关。采用气体间隙开关的电源有9个电容储能模块，电容器组峰值充电电压5kV，第1组到第8组单台电容容量为15mF，第9组为54mF，三电极开关间隙3．5mm，主电极半径4cm，回路电感20pH，电阻20m12，产生的脉冲电流峰值约为500kA；采用可控硅开关的电源为单个电容储能模块，电容器峰值充电电压10kV，电容容量2mF，所产生的脉冲电流峰值约为50k

6、A。1．2电源微分测量典型波形采用气体间隙放电开关的脉冲电源，其9个储能模块分序触发。图1为磁场微分的测量结果，即磁场的时-收稿日期：2008一11—21；修订日期：2009—05—14基金项目：国家自然科学基金项目(50677028)作者简介：曹荣刚(1983一)，男。博士研究生，从事电磁场计算、测量及电磁兼容问题研究，cr907(雪mails．tsinghua．edu．Cil．万方数据第9期曹荣刚等：脉冲功率电源辐射电磁场测量与分析1427间变化率，图中结果为探头上感应电动势的电压值，即B-dot测量信号。所用示波器的采样率为500MHz，测量探头距离开关中心轴线20cm，电容

7、器充电电压4kV。采用可控硅开关的脉冲电源，仅有1个电容储能模块。图2为磁场微分的测量结果。所用示波器的采样率为500MHz，测量探头距离开关中心轴线19ct'ft，电容器充电电压8kV。time／msFig．1Measurementofmagneticfieldaroundsparkgapswitch图l气体间隙开关附近磁场微分探头测量波形time／msFig．2Measurementofmagneticfieldaroundsiliconcontrolledrec