技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种雷电冲击电压发生装置，具体涉及一种无间隙雷电
冲击电压发生器。
背景技术
[0002] 随着超特高压输电工程的发展，雷电冲击电压发生器已成为各高电压试验室的重要设备之一，利用雷电冲击电压发生器能对高压设备进行雷电
冲击电压试验。在试验中冲击电压
波形必须精确，冲击电压幅值过高容易损坏设备，冲击电压幅值过低则达不到试验目的。
[0003] 如图1所示，传统雷电冲击电压发生器回路依靠击穿空气来传导电压的方式效率低，抗干扰能
力差，控制难度大，经常出现空气球隙误动或拒动情况。球隙放电具有分散性，受大气条件、尘土、球面状态等影响，因此用
开关器件取代放电球隙，能够提高雷电冲击电压发生器的工作性能，实现灵活简便的控制，在很多试验中具有重大的意义。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种无间隙雷电冲击电压发生器，解决现有的发生装置存在效率低，抗干扰能力差，控制难度大，经常出现空气球隙误动或拒动的问题。
[0005] 为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
[0006] 方案一：一种无间隙雷电冲击电压发生器，包括主边和充电电源相连的供电
变压器T，供电变压器T的副边的一端接地，另一端和绝缘栅双极型晶体管VT0的发射极相连，绝缘栅双极型晶体管VT0的集
电极和保护
电阻r
串联，再连接至绝缘栅双极型晶体管VT的发射极，绝缘栅双极型晶体管VT的集电极经过放电电阻rt至充电电容C的正极，充电电容C的负极连接在绝缘栅双极型晶体管VT的发射极，所述充电电容C的正极经过波前电阻rf后连接至高压试品ZX的一端，高压试品ZX的另一端接地，其中所述绝缘栅双极型晶体管VT0的栅极G0和绝缘栅双极型晶体管VT的栅极G均连接至驱动
电路。
[0007] 更进一步的技术方案是，所述充电电容C的负极连接有充电电阻R；所述绝缘栅双极型晶体管VT、放电电阻rt、充电电容C、波前电阻rf和充电电阻R相互连接构成充放电发生组，本无间隙雷电冲击电压发生器包括至少两组依次并联的充放电发生组：每组充放电发生组中绝缘栅双极型晶体管VT（1……n）的发射极均连接至前一充放电发生组的充电电阻R；每组充放电发生组中绝缘栅双极型晶体管VT（1……n）的集电极均连接至前一组充放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端，高压试品ZX连接在最后一组充放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端；每组充放电发生组中绝缘栅双极型晶体管VT（1……n）的栅极G（1……n）均连接至驱动电路。
[0008] 更进一步的技术方案是，所述驱动电路主要由
单片机连接光电耦合回路构成，所述绝缘栅双极型晶体管VT的栅极和发射极之间设有栅极均压回路，所述绝缘栅双极型晶体管VT的集电极和发射极之间设有静态均压回路和动态均压回路。
[0009] 更进一步的技术方案是，所述栅极均压回路主要由相互串接齐纳
二极管DQ和方向二级管DF构成，其中
齐纳二极管DQ的负极连接至绝缘栅双极型晶体管VT的发射极，方向二级管DF的负极连接至绝缘栅双极型晶体管VT的栅极。
[0010] 更进一步的技术方案是，所述静态均压回路主要由连接在绝缘栅双极型晶体管VT的集电极和发射极之间的电阻RT构成，所述动态均压回路主要由电阻RS和二极管DS并联和串接电容CS构成，其中二极管DS的正极连接至绝缘栅双极型晶体管VT的集电极，所述电容CS的一端连接至绝缘栅双极型晶体管VT的发射极。
[0011] 绝缘栅双极型晶体管缩写IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，是由BJT(双极型
三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率
半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流
密度大，但驱动
电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流
电机、
变频器、
开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
[0012] 方案二：一种无间隙雷电冲击电压发生器，包括主边和充电电源相连接的供电变压器T，供电变压器T的副边一端接地，另一端和可控
硅D0的负极相连，可控硅D0的正极串接保护电阻r，再连接至可控硅D的负极，可控硅D的正极经过放电电阻rt至充电电容C的正极，充电电容C的负极连接在可控硅D的负极，所述充电电容C的正极经过波前电阻rf后连接至高压试品ZX的一端，高压试品ZX的另一端接地，其中所述可控硅D0的栅极G0和可控硅D的栅极G均连接至驱动电路。
[0013] 更进一步的技术方案是，所述充电电容C的负极连接有充电电阻R；所述可控硅D、放电电阻rt、充电电容C、波前电阻rf和充电电阻R相互连接构成充放电发生组，本无间隙雷电冲击电压发生器包括至少两组依次并联的充放电发生组：每组充放电发生组中可控硅D（1……n）的负极均连接至前一充放电发生组的充电电阻R；每组充放电发生组中可控硅D（1……n）的正极均连接至前一组放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端，高压试品ZX连接在最后一组放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端；每组充放电发生组中可控硅D（1……n）的栅极G（1……n）均连接至驱动电路。
[0014] 更进一步的技术方案是，所述驱动电路主要由单片机连接光电耦合回路构成，所述可控硅D的栅极和负极之间设有栅极均压回路，所述可控硅D的正极和负极之间设有静态均压回路和动态均压回路。
[0015] 更进一步的技术方案是，所述栅极均压回路主要由相互串接齐纳二极管DQ和方向二级管DF构成，其中齐纳二极管DQ的负极连接至可控硅D的负极，方向二级管DF的负极连接至可控硅D的栅极。
[0016] 更进一步的技术方案是，所述静态均压回路主要由连接在可控硅D的正极和负极之间的电阻RT构成；所述动态均压回路主要由电阻RS和二极管DS并联和串接电容CS构成，其中二极管DS的正极连接至可控硅D的负极，所述电容CS的一端连接至可控硅D的正极。
[0017] 与
现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型解决了传统冲击电压发生器放电电压波形难控制、高能耗、低重复
频率以及开关寿命短的
缺陷，具有无误动、易操控、工作频率高、驱动电路功率小等优点，能够适用于现代超特高压设备的高压试验。
附图说明
[0018] 图1为现有的雷电冲击电压发生器电路连接图。
[0019] 图2为本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器使用绝缘栅双极型晶体管的电路连接图。
[0020] 图3为本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器使用绝缘栅双极型晶体管一个优选
实施例的电路连接图。
[0021] 图4为本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器使用可控硅的电路连接图。
[0022] 图5本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器使用可控硅一个优选实施例的电路连接图。
[0023] 图6为图3或图5所示本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器一个优选实施例的驱动电路连接图。
[0024] 图7为图3所示本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器一个优选实施例中均压电路连接图。
[0025] 图8为图5所示本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器一个优选实施例中均压电路连接图。
具体实施方式
[0026] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0027] 根据本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的一个实施例：一种无间隙雷电冲击电压发生器，包括主边和充电电源相连的供电变压器T，供电变压器T的副边的一端接地，另一端和绝缘栅双极型晶体管VT0的发射极相连，绝缘栅双极型晶体管VT0的集电极和保护电阻r串联，再连接至绝缘栅双极型晶体管VT的发射极，绝缘栅双极型晶体管VT的集电极经过放电电阻rt至充电电容C的正极，充电电容C的负极连接在绝缘栅双极型晶体管VT的发射极，所述充电电容C的正极经过波前电阻rf后连接至高压试品ZX的一端，高压试品ZX的另一端接地，其中所述绝缘栅双极型晶体管VT0的栅极G0和绝缘栅双极型晶体管VT的栅极G均连接至驱动电路。
[0028] 图2示出了本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的一个优选实施例，所述充电电容C的负极连接有充电电阻R；所述绝缘栅双极型晶体管VT、放电电阻rt、充电电容C、波前电阻rf和充电电阻R相互连接构成充放电发生组，本无间隙雷电冲击电压发生器包括至少两组依次并联的充放电发生组：每组充放电发生组中绝缘栅双极型晶体管VT（1……n）的发射极均连接至前一充放电发生组的充电电阻R；每组充放电发生组中绝缘栅双极型晶体管VT（1……n）的集电极均连接至前一组充放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端，高压试品ZX连接在最后一组充放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端；每组充放电发生组中绝缘栅双极型晶体管VT（1……n）的栅极G（1……n）均连接至驱动电路。
[0029] 图3、图6和图7示出了本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的另一个优选实施例，所述驱动电路主要由单片机连接光电耦合回路构成，所述绝缘栅双极型晶体管VT的栅极和发射极之间设有栅极均压回路，所述绝缘栅双极型晶体管VT的集电极和发射极之间设有静态均压回路和动态均压回路。
[0030] 根据本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的另一个优选实施例，所述栅极均压回路主要由相互串接齐纳二极管DQ和方向二级管DF构成，其中齐纳二极管DQ的负极连接至绝缘栅双极型晶体管VT的发射极，方向二级管DF的负极连接至绝缘栅双极型晶体管VT的栅极。可以利用齐纳二极管钳位的作用对绝缘栅双极型晶体管VT的电压进行控制。
[0031] 栅极均压回路的原理是：当绝缘栅双极型晶体管VT的电压低于齐纳二极管DQ的钳位电压时，控制电路不动作；一旦绝缘栅双极型晶体管VT的电压高于齐纳二极管DQ电压，齐纳二极管DQ被击穿，额外电压将被加到栅极，使绝缘栅双极型晶体管VT趋于导通，从而降低端电压。
[0032] 根据本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的另一个优选实施例，所述静态均压回路主要由连接在绝缘栅双极型晶体管VT的集电极和发射极之间的电阻RT构成，所述动态均压回路主要由电阻RS和二极管DS并联和串接电容CS构成，其中二极管DS的正极连接至绝缘栅双极型晶体管VT的集电极，所述电容CS的一端连接至绝缘栅双极型晶体管VT的发射极。
[0033] 静态均压回路可以通过每个器件两端并联一个均压电阻来实现静态电压均衡。在集电极与发射极两端并联一定阻值的电阻RT，当两个IGBT串联时，RT取值为IGBT关断电阻值Roff。
[0034] 计算公式： 德国英飞凌（infineon）公司6月发布的FZ400R65KE3型IGBT，VCES=6500V，漏电压（关断电压）ICES=5mA，取VCES=5000V，得Roff=1MΩ（考虑到串联IGBT之间的承受电压差在10%以内，静态均压电阻不能选取得过大，否则达不到均压目的；阻值太小会产生较大损耗。一般取IGBT关断电阻的十分之一，即 则并联电阻
RT=100kΩ）根据本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的另一个优选实施例，所述动态均压回路主要由电阻RS和二极管DS并联和串接电容CS构成，其中二极管DS的正极连接至绝缘栅双极型晶体管VT的集电极，所述电容CS的一端连接至绝缘栅双极型晶体管VT的发射极。
[0035] 动态均压回路的工作原理是：当个别IGBT提前导通或提前关断时，必然产生尖峰电压，在IGBT的两端通过DS并联电容CS，使尖峰电压必须先对CS充电，这样IGBT两端的尖峰电压的上升速度受到CS的限制，并可由并联在每个IGBT两端的CS分压，由CS实现对动态尖峰电压的均衡。在IGBT导通期间，由于DS的单向导电特性，CS通过RS、IGBT将储存的电荷放掉，以便吸收IGBT下次关断时产生的
浪涌电压。所以本技术中的RCD缓冲电路不仅起到均匀作用，还能做过
电压保护电路。
[0036] 本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器使用绝缘栅双极型晶体管VT的工作过程：
[0037] 充电过程，单片机发出
信号控制VT0开通，VT1～VTn关断，供电变压器T通过
整流器D对n个冲击电容器C并联充电。充电完毕后，冲击电容器电压等于充电电源整流电压。
[0038] 放电过程，单片机发出信号关断VT0，开通VT1～VTn，由于R1～Rn与rt1～rtn都比rf1～rfn阻值大，在放电初始阶段可以视为开路，所以n个冲击电容器C可视为串联形式，输出端产生n倍电压源的冲击电压。
[0039] 值得指出的是：在图2、图3、图7和上述实施例中，VT0～VTn和VT均是为了区分和方便描述而添加，均是指绝缘栅双极型晶体管（IGBT），充电电阻R和R1～Rn、波前电阻rf和rf1～rfn、放电电阻rt和rt1～rtn、栅极G和G1～Gn以及充电电容C好C1～Cn等均同理。
[0040] 根据本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的一个实施例：一种无间隙雷电冲击电压发生器，包括主边和充电电源相连接的供电变压器T，供电变压器T的副边一端接地，另一端和可控硅D0的负极相连，可控硅D0的正极串接保护电阻r，再连接至可控硅D的负极，可控硅D的正极经过放电电阻rt至充电电容C的正极，充电电容C的负极连接在可控硅D的负极，所述充电电容C的正极经过波前电阻rf后连接至高压试品ZX的一端，高压试品ZX的另一端接地，其中所述可控硅D0的栅极G0和可控硅D的栅极G均连接至驱动电路。
[0041] 图4示出了本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的一个优选实施例，所述充电电容C的负极连接有充电电阻R；所述可控硅D、放电电阻rt、充电电容C、波前电阻rf和充电电阻R相互连接构成充放电发生组，本无间隙雷电冲击电压发生器包括至少两组依次并联的充放电发生组：每组充放电发生组中可控硅D（1……n）的负极均连接至前一充放电发生组的充电电阻R；每组充放电发生组中可控硅D（1……n）的正极均连接至前一组放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端，高压试品ZX连接在最后一组放电发生组中波前电阻rf（1……n）的末端；每组充放电发生组中可控硅D（1……n）的栅极G（1……n）均连接至驱动电路。
[0042] 图5、图6和图8示出了本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的一个优选实施例，所述驱动电路主要由单片机连接光电耦合回路构成，所述可控硅D的栅极和负极之间设有栅极均压回路，所述可控硅D的正极和负极之间设有静态均压回路和动态均压回路。
[0043] 根据本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的另一个优选实施例，所述栅极均压回路主要由相互串接齐纳二极管DQ和方向二级管DF构成，其中齐纳二极管DQ的负极连接至可控硅D的负极，方向二级管DF的负极连接至可控硅D的栅极。可以利用齐纳二极管DQ钳位的作用对可控硅D的电压进行控制。
[0044] 栅极均压回路的原理是：当可控硅D的电压低于齐纳二极管DQ的钳位电压时，控制电路不动作；一旦可控硅D的电压高于齐纳二极管电压DQ，齐纳二极管DQ被击穿，额外电压将被加到栅极，使可控硅D趋于导通，从而降低端电压。
[0045] 根据本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器的另一个优选实施例，所述静态均压回路主要由连接在可控硅D的正极和负极之间的电阻RT构成；所述动态均压回路主要由电阻RS和二极管DS并联和串接电容CS构成，其中二极管DS的正极连接至可控硅D的负极，所述电容CS的一端连接至可控硅D的正极。
[0046] 静态均压回路可以通过每个器件两端并联一个均压电阻来实现静态电压均衡。在正极和负极两端并联一定阻值的电阻RT，当两个可控硅D串联时，RT取值为可控硅D关断电阻值Roff。
[0047] 计算公式： VCES=6500V，
漏电流（关断电流）ICES=5mA，取VCES=5000V，得Roff=1MΩ（考虑到串联可控硅D之间的承受电压差在10%以内，静态均压电阻不能选取得过大，否则达不到均压目的；阻值太小会产生较大损耗。一般取可控硅D关断电阻的十分之一，即 ，则并联电阻RT=100kΩ）。
[0048] 动态均压回路的工作原理是：当个别可控硅D提前导通或提前关断时，必然产生尖峰电压，在可控硅D的两端通过DS并联电容CS，使尖峰电压必须先对CS充电，这样可控硅D两端的尖峰电压的上升速度受到CS的限制，并可由并联在每个可控硅D两端的CS分压，由CS实现对动态尖峰电压的均衡。在可控硅D导通期间，由于DS的单向导电特性，CS通过RS、可控硅D将储存的电荷放掉，以便吸收可控硅D下次关断时产生的浪涌电压。所以本技术中的RCD缓冲电路不仅起到均匀作用，还能做过电压保护电路。
[0049] 本实用新型一种无间隙雷电冲击电压发生器使用可控硅D的的工作过程：
[0050] 充电过程，单片机发出信号控制D0开通，D1～Dn关断，供电变压器T通过整流器D对n个冲击电容器C并联充电。充电完毕后，冲击电容器电压等于充电电源整流电压。
[0051] 放电过程，单片机发出信号关断D0，开通D1～Dn，由于R1～Rn与rt1～rtn都比rf1～rfn阻值大，在放电初始阶段可以视为开路，所以n个冲击电容器C可视为串联形式，输出端产生n倍电压源的冲击电压。
[0052] 值得指出的是：在图4、图5、图8和上述实施例中，D0～Dn和D均是为了区分和方便描述而添加，均是指可控硅，充电电阻R和R1～Rn、波前电阻rf和rf1～rfn、放电电阻rt和rt1～rtn、栅极G和G1～Gn以及充电电容C好C1～Cn等均同理。
[0053] 本实用新型设计了多种均压保护措施和驱动控制电路，以保证切换装置在充放电回路中发挥优良的开断作用。随着电力
电子技术的进步，更高耐压等级的IGBT或可控硅将会投入使用，有望代替IGBT或可控硅的串并联使用，届时IGBT或可控硅串联引起的一系列问题也不复存在，电路也将更加简化，这种方式将会得到大量运用。
[0054] 本实用新型的特点：（1）无间隙，采用了自动可控的高压高通容量开关，在脉冲信号的触发下能迅速、准确地动作，减小了整个装置的体积，提高空间利用率。（2）消除空气球隙点火击穿时带来的电磁噪音，避免对人体和环境的电磁污染。
