脉冲功率电源辐射电磁场测量与分析

强激第２１卷第９期

２００９年９月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲ

文章编号：１００１—４３２２（２００９）０９—１４２６—０５光ＬＡＳＥＲ与粒子束Ｖ０１．２１，Ｎｏ．９Ｓｅｐ．，２００９ＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ

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；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；

中图分类号：ＴＭ８气体闯隙开关；可控硅开关ｆ电磁场测量；文献标志码：Ａ电磁干扰

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５０

１．２ｋＡ。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．

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／ｍｓ

Ｆｉｇ．１Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｔｉｍｅ／ｍｓｓｐａｒｋｇａｐｓｗｉｔｃｈｆｉｅｌｄａｒｏｕｎｄＦｉｇ．２Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｒｏｕｎｄ

图ｌ气体间隙开关附近磁场微分探头测量波形

图２ｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｗｉｔｃｈ可控硅开关附近磁场微分探头测量波形

２电源周围磁场分析

２．１两种电源的磁场微分测量结果与分析

对如图１和图２所示的两个电源的典型实验数据作频谱分析，气体放电开关的脉冲电源的Ｂ－ｄｏｔ测量信号频谱和可控硅开关脉冲电源的频谱的主频段都在１００ｋＨｚ以内，主要由主脉冲电流产生。开关动作产生的高频信号整个脉冲功率电源放电能量相比很低。为了更清楚地分析高频干扰信号，对去除白噪声后的信号进行滤波后再作频谱分析，如图３和图４所示。低频滤波采用五阶的Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ数字高通滤波器进行滤波处理。从图中结果可以看出，可控硅开关的高频信号比气体放电开关的高频信号的主频点约低１个数量级。

，

璺

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ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／Ｈｚｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ａｚ

ｇａｐＦｉｇ．３ＳｐｅｃｔｒｕｍｏｆｉｉｈｅｒｅｄｓｉｇｎａｉｆｒｏｍｓｐａｒｋｓｗｉｔｃｈＦｉｇ．４Ｓｐｅｅｔｒｕｍｏｆｆｉｌｔｅｒｅｄｓｉｇｎａｌｆｒｏｍ

ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｉｌｉｃｏｎ图３气体放电开关附近磁场Ｂ－ｄｏｔ信号的高频频谱

图４ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｗｉｔｃｈ可控硅开关附近磁场Ｂ－ｄｏｔ信号的高频频谱

２．２两种电源的磁感应强度时域波形与分析

由于Ｂ—ｄｏｔ信号频段主要集中在２０ＭＨｚ以下，因

此可以用微分探头的输出Ｂ－ｄｏｔ信号通过直接积分得

到磁场波形。磁感应强度的波形如图５和图６所示。

磁场峰值分别为０．１２Ｔ和０．０３Ｔ。采用对Ｂ－ｄｏｔ信号

进行低频滤波的方法，得到的磁感应强度信号的频谱分

布分别如图７和图８所示。从图中可以看出，气体放电

开关磁场高频区域，信号主要分布在ＩｏＭＨｚ以内，可

控硅开关的磁场信号则主要分布在１ＭＨｚ以内。

２．３可控硅开关附近磁场的衰减情况Ｆｉｇ．５Ｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎ口ｕｔｉｍｅ／ｍｓｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｓｐａｒｋｇａｐｓｗｉｔｃｈ

图５气体放电开关磁感应强度波形

强激光与粒子束第２１卷

ｔｉｍｅ／ｍｓ

Ｆｉｇ．６Ｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ｌ－ｌｚｗａｖｅｆｏｒｍｏｆＦｉｇ．７Ｍａｇｎｅｔｉｃ

ｇａｐｉｎｄｕｃｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｆｏｒｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｗｉｔｃｈｓｐａｒｋｓｗｉｔｃｈａｆｔｅｒｆｉｌｔｅｒｉｎｇ

图６可控硅开关磁感应强度波形图７气体放电开关附近磁感应强度的高频频谱ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／Ｈｚ

Ｆｌｇ．８ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｃｍＦｉｇ．９ＭａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎａｒｏｕｎｄＭａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｆｏｒｓｉｌｉｃｏｎ

ｆｉｌｔｅｒｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｗｉｔｃｈａｆｔｅｒｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｗｉｔｃｈ

图８可控硅开关附近磁感应强度的高频频谱图９可控硅开关附近磁场衰减情况

对采用可控硅开关的脉冲电源，在与开关轴线垂直，与开关中心相交的直线上，磁场的衰减情况如图９所示，横轴是测量点和轴线间的距离。从中可以看出，磁场大小随距离的增加衰减很快。

３暂态磁场测量装置与探头系数校验

３．１时域测量装置

本文的测量采用ＴＤＳ－７２５４ｓ数字示波器采集探头的信号，其最高采样率为２０ＧＨｚ，存储深度为４Ｍ。以２５０ＭＨｚ采样率４路同时工作，可以采集４ｍｓ的信号，满足实验测量要求。选取微分磁场探头测量磁场睁引。实验中共使用了ＥＴＳ７４０５，ＢＫＨ一３及ＨＴ一６这３种微分磁场探头。探头输出信号通过５０Ｑ同轴电缆传输到示波器。在频率较低的范围内，电缆的衰减很小，可以忽略其影响‘６１。

３．２微分探头及其特性校验

３．２．１微分探头测量原理

最基本的磁场测量方法是基于电磁感应定律，利用环形线圈探头来测量磁场‘７吨］，线圈匝数一般仅取１匝。该测量方法不能直接测量磁场，只能是先测得磁场的变化率或对时间的微分，然后通过积分处理而得到磁场的时域波形。

被测磁场在线圈探头端口产生的开路电压ｙ对应线圈中的感应电动势：Ｖ＝ｄ缈／ｄｔ＝ＡｄＢ／ｄｔ，其中９是线圈交联的磁链，Ａ是线圈的面积，Ｂ是被测处的磁感应强度。由于环形线圈半径较小，所以近似认为圆环面积上磁场均匀分布。对感应电动势Ｖ进行积分即可得到磁感应强度Ｂ。

３．２．２探头系数分析

微分探头通常会给出其探头系数，计算公式为：ｋ／（ｄＢ／ｍ）＝Ｅ／（ｄＢｕＶ／ｍ）一ｖ／（ｄＢ／ｕｖ），反映了探头的输出输入关系随频率的变化情况。式中，Ｖ是探头开路输出电压，Ｅ是磁场强度Ｈ按照平面电磁波情况下的电场强度折算值，通常按照Ｅ／Ｈ＝３７７Ｑ计算。探头通常在ＴＥＭ传输室内校对，所以通常采用折算后的Ｅ来计算探头系数。探头系数和探头物理结构之间有着紧密的联系。在低频段，探头输出电压近似等于开路电压，

第９期曹荣刚等：脉冲功率电源辐射电磁场测量与分析１４２９其幅值等于感应电动势的大小，此时探头系数主要受环的面积和匝数的制约。由定义得忌＝－－２０－ｇｆ－４－２。・ｇ（施）（１）

如式（１）可知，在低频区域，是和ｌｇｆ的关系是斜率为

一２０的直线，并且和微分探头的匝数Ｎ与面积Ａ有关。

实际手册的ＢＫＨ一３天线系数曲线和上述分析一致。

根据手册的系数曲线验证天线系数和探头圆环面积Ａ

的关系。已知探头匝数为１匝，探头圆环半径为３ｃｍ，通

过手册曲线，选取表１中的频点，按照式（１）且代人关系式

Ｅ／Ｈ＝３７７Ｑ，计算出探头的面积大小为０．００２９ｍ２。裹１按照探头系数计算微分探头环面积参数ＴａｂｌｅｌＰｒｏｂｅｒｉｎｇａｒｅａｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｐｒｏｂｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｏｒＢ－ｄｏｔｐｒｏｂｅｓ

理论值Ａ＝７ｃｒ２—７ｃ×０．０３２＝ｏ．００２８ｍ２，这与表１中得到的数值大致相等。即在低频区域，微分探头的输出电压近似等于开路电压，幅值等于感应电动势大小，磁场微分探头在低频区域的测量结果通过积分即可得到磁场大小。但是，随着频率的升高，微分磁场探头的输出电压不再简单地等于感应电动势的大小，低频区域的分析不再成立。

实验中所涉及的测量主要在２０ＭＨｚ以内，探头系数和ｌｇｆ

为线性关系，探头输出电压为感应电动势，因此通过积分即可直

接得到磁场大小。

３．２．３探头系数校验

磁场探头校验可以按照文献［９—１０３中的方法，通过标准场

强仪器来校验。首先，在螺线圈中加不同频率的正弦电流，线圈

有足够的高度和尺寸，在螺线圈中央的场可以近似认为是均匀

的；然后，通过比较ＰＭＭ一８０５３Ａ场强仪和微分探头测量值，对

探头系数校对，给出校正曲线。

图１０为ＨＴ６探头和ＰＭＭ－８０５３Ａ标准场强仪的测量对比

图，可以看出ＰＭＭ一８０５３Ａ和ＨＴ６探头的数据吻合的较好。

４Ｆｉｇ．１０ｆｆｅｑｕｅｎｃｙ／ｌ－ｌｚＰｒｏｂｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ图ｌＯ探头校对比较由探头测量结果重构时域磁场波形

如果被测暂态磁场信号的频带位于微分探头天线系数的低频段，那么磁场微分探头测量结果可以直接积分得到磁场时域波形；如果其频带覆盖到天线系数的高频段，则需要进行相应的处理才能得到磁场时域波形。４．１微分探头输出积分

当信号频带位于低频段，此时磁场微分探头输出电压等于探头感应电动势大小，因此通过积分即可得到磁感应强度信号。

４．２自积分式探头输出

当被测信号的频带位于探头系数的较高频区时，可以通过改造探头结构、添加积分电阻的办法［９“卜１２］，根据探头参数选取电阻值，使得设计频段内的探头输出电压直接反映磁感应强度的大小。

４．３利用探头传递函数

设探头的输出信号为Ｖ（ｆ），频域中记作Ｖ（∞），通过实验可得探头的传递函数Ｔ（∞）＝Ｖ（ｏｏ）／Ｂ（∞），将Ｖ（ｃｕ）代入该式即可得到Ｂ（∞），然后反变换得到时域磁场Ｂ（￡）。具体可通过设计滤波器Ｔ。（ｃｔ，）＝１／Ｔ（ｃｏ）进行处理。通常探头校对时仅仅给出幅频特性曲线，此时对于最小相位系统，可以仅通过探头的幅频特性曲线构造得到相频特性［１“，进而得到传递函数，然后通过传递函数和探头输出波形重构出时域磁场波形。

５结论

虽然脉冲功率电源产生的主电流的频谱分量一般在１００ｋＨｚ以下，但整个装置产生的脉冲电磁场的频谱分量可达１０ＭＨｚ。放电开关是产生高频电磁场的主要来源。气体放电开关和可控硅开关产生的电磁场的高频分量相差很大，前者可达１０ＭＨｚ，而后者一般在１ＭＨｚ以内。根据实际脉冲电源的尺寸以及测量点距电源的距离可知，所测量的辐射源属于近场区域，磁场与电场必须分别测量，且电场强度很弱。对该频谱特性的

１４３０强激光与粒子柬第２１卷磁场测量应采用磁场微分探头，然后通过对测量结果的数值积分得到磁场的时域波形。对一般的信号，探头对不同频率分量的信号增益不同，要对测量结果校正，重构时域原始波形。

致谢本文工作得到华中科技大学电气学院何俊佳、夏胜国教授和南京理工大学动力工程学院董健年教授及其课题组的大力支持，谨致诚挚

的谢意。

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ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆＥＭＦａｒｏｕｎｄｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｉｅｓ

ＣａｏＲｏｎｇｇａｎｇ，ＺｏｕＪｕｎ，ＹｕａｎＪｉａｎｓｈｅｎｇ

（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，ＤｅｐｔａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４．Ｃｈｉｎａ）Ｔｓｉｎｇｈｕａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｕｌｓｅ

ｐｒｏｄｕｃｅｇｒｅａｔｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｏｕｌｄｂｅｓｅｖｅｒａｌｈｕｎｄｒｅｄｔｈｏｕｓａｎｄａｍｐｅｒｅｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｓｐａ—ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄｏｔｈｅｒｍｏｄｕｌｅｓｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｉｍａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｒａｄｉａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｆｕｌ．Ｔｗｏｓｕｐｐｌｉｅｓｗｉｔｈｓｐａｒｋｇａｐ（ＳＧ）ｓｗｉｔｃｈｅｓａｎｄｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒ（ＳＣＲ）ｓｗｉｔｃｈｅｓ

ｐｒｏｂｅｓａｎｄａａｒｅｆｏｃｕｓｅｄ，ａｎｄｒａｔｅｂｏｔｈｕｓｅｃａｐａｃｉｔｏｒｓｔｏｓｔｏｒｅｅｎｅｒｇｙ．ＳｅｖｅｒａｌＢ－ｄｏｔｐｒｏｂｅｓ．Ｄ－ｄｏｔｔｏ

０ｄｉｇｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ，ｗｉｔｈｅｎｏｕｇｈｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｍｅｍｏｒｙｄｅｐｔｈ．ａｒｅｕｓｅｄｃａｂｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓａｒｏｕｎｄＳＧｓｗｉｔｃｈｅｓ

ｃｈｅｓｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１ｒｅａｃｈ１ＭＨｚ，ｗｈｉｌｅｔｈａｔａｒｏｕｎｄＳＣＲｓｗｉｔ—ＭＨｚ．Ｔｈｅｌａｔｔｅｒｗｏｕｌｄｂｅｂｅｔｔｅｒｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．

ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅ—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｐａｒｋｇａｐｓｗｉｔｃｈ；ｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓｗｉｔｃｈｌ

ｍｅｎｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ