技术︱1kA脉冲电流发生器测控电路设计
长治市气象局的研究人员李红梅、籍秀斌等，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文，针对1kA电流的脉冲电流发生器展开研究，对如何控制和采集脉冲电流的问题提出了利用STC12C5A60S2的单片机来实现的设计方案。利用单片机控制回路充电，把电能储存在电容器中，电容器在极短时间内快速放电，产生一个很大的瞬时电流，再将产生的信号采集输入给单片机，将采集到的数据及波形显示在液晶屏上，进行雷电仿真。对于预防雷电产生的影响具有较大的现实意义。
雷电灾害有着很大的破坏性，雷电的产生不是目前人类可以阻止或者说可以控制的。雷电放电时电压会很高，有时可以达到500kV以上，而且同时会产生峰值幅度很大的闪电电流，有时甚至会达到100~300kA，或者更高更强。闪电电流一次放电时间极短约为40μs的速度，而且变化很快[1]。同时，雷电也表现出较为强大的冲击波，这也为测试研究带来很大的困难。
脉冲电流是很快的一次性暂态量，而且电流幅值较大，当采集测试时，对测试设备元器件要求较高。因此，脉冲电流测控技术在对于雷电流这样大电流冲击时出现的危害是具有很大的研究意义[1,2]。
1 总体设计方案
1kA脉冲电流发生器是由单片机控制系统、充电回路电路、放电回路、放电采集电路以及液晶显示模块所组成。整个系统通过单片机控制IGBT开关闭合时间以及其断开时间来控制整个电路的充电模块和放电模块，以达到充放电电压、幅值可调的目的。最后再通过采集电路进行采集输入单片机，并显示在液晶屏上。脉冲电流发生器测控系统结构框图如图1所示。
图1 脉冲电流发生器系统总体设计
整个脉冲电流测控系统包括控制模块、采集模块和充放电的主电路模块。系统可分为充电和放电两个过程。
充电过程为：220V的交流电通过整流桥及滤波后产生300V的直流电源，通过按键向单片机发送调节开关闭合时间以及发送充电指令，单片机接受到指令后控制前级充电开关闭合，由IGBT控制的直流电源向储能电容开始充电，直到单片机按指令时间停止对电容充电，自动断开前级开关，停止充电。
随即单片机对后级开关发出指令，闭合开关，使得储能电容开始放电，在后级放电电路中，采用的是RLC回路，在通过负载很小的电阻时，产生一个瞬态的冲击电流，通过参数调整可产生一个8/20μs脉冲波形。
经采集电路采集信号后，由单片机A/D转换输出给液晶显示电路并显示在液晶屏幕上其检测到的波形、幅值、上升沿时间和半波时间等参数。
2硬件设计
2.1 直流电源设计
主回路中分为两个主要部分：充电电路以及放电回路。充电电路中为了给储能电容充电，需要直流电源为其充电。如图2所示，采用单相桥式整流电路整流后为储能电容充电，其构成的原则就是可以保证在充电回路中负载上的电压和电流方向保持一致。
在相同情况下，对二级管的要求是一样的，但单相桥式整流法要比半波整流电路输出电压高、效率高、脉动波动小等，所以选择了单相桥式整流电路。R12的作用是为了起到一个限流作用，防止过大电流对前级IGBT造成毁坏。
图2 主电路原理图
主电路，Q11与Q12均为IGBT开关，C12为储能电容，R15为试样电阻，L11为放电电路中的谐振电感。电路上电之前，处于初始状态，储能电容C12两端电压为0，开关Q11与Q12处于断开状态，当S1闭合后这时的电路将由单片机控制完成。
当电路上电后，利用按键设置好充电时间，然后按下充电按钮，单片机接受到设置的参数信号后，会发出一个高电平信号，控制充电回路中的IGBT开关闭合，使得充电回路导通，从而让整流后的直流电源对储能电容C12开始充电。当充电时间达到预设值后，单片机会发出一个低电平使得开关Q11断开，此时整个充电过程结束。
当Q11断开后，单片机会间隔50μs对开关Q12发出一个高电平，使其闭合，从而开始后级回路中的放电过程。同理，当放电结束后，也就是C12两端电压为0时，单片机会在指定足够长的时间后变成低电平，使其后级驱动开关IGBT断开，这是整个过程就结束了。
2.2 单片机电路
如图3所示，P10口作为A/D采集所用，P11和P12作为给控制开关输出高低电平，当输出高电平时开关闭合，当输出低电平时开关断开。S1是设置充电时间按键，S2是确认按键。J12是单片机的下载端口。
图3 单片机电路
在这里特别说明一点，单片机使用的是30M的晶振，这样对于STC12C5A60S2单片机来讲，可以大大提高其采样率，理论计算采样率为350kHz，采样周期则为2.8μs，为之后采集波形带来了一定程度上的方便，但对于8/20μs波形来讲依旧还是太大，无法精确采集，仍会产生较大的误差，在程序中采用插值法来减少这样所带来的误差。
2.4 采样电路
如图4所示的采样电路，由于放电回路中瞬时电流太大，不易采集测量，这是利用线圈感应的方式把大电流感应成小电流，再测量负载两端的电压大小即可。由于本次设计要求最大电流为1000A，所以经过计算利用铜线自制一个空心线圈。由于计算的比例是1:2000，购买一个电流互感器更为方便。
图4 采样电路
采样电路中负载选用的是10的电阻，所以当最大电流1kA经过时，R13上的电压只有5V，此时才可以输入单片机选用的A/D中，经过单片机的采样与计算再输出显示。
3软件设计
通过单片机控制充放电时间来控制充电电压大小，以达到后级电流可调的目的，再利用采集电路对放电回路中的负载进行电参数采集，然后送给单片机进行运算，最后在液晶显示屏上显示所需要的数据。软件设计的主函数流程图如图5所示。
图5 主函数流程图
4演示结果与分析
实物图如图6所示。右下方模块是单片机电路，包括单片机最小系统及液晶显示模块；而右上方为采样电路部分，左侧是一自制电源，通过变压器将220V电压转成15V和5V电压供给电路。
图6 实物展示
图7 控制电压
单片机控制充放电开关是通过输出一个高低电平来控制通断的，如图7所示，左侧的图显示为充电状态，右侧的图显示为放电状态。单片机输出5V的高电平则表示开关闭合，输出0V的低电平则表示为开关断开。
波形及参数测试如图8所示，液晶显示屏在前端丢失了部分波形，没有采集显示出来；而采集到的电参数，像幅值、半波时间以及上升沿时间是与实际上存在一定的误差。
在这里对这样的结果进行简单分析：波形部分，认为产生丢失波形的原因有两个，其一是使得单片机判断出现波形时的算法还有待改进；其二是雷电波形发生的时候有一定的干扰；电参数部分，幅值、上升沿时间以及半波时间的确定存在一定的误差，这来源于51单片机的缺陷，采样率依旧比较低，采样周期只有2.8μs，对于产生的8/20μs波形来说依旧略大，无法更精细的判断，导致产生一定误差。
图8 波形及参数测试
5 结论
雷电释放瞬间会产生较大的脉冲电流，放电一次时间很短，约在40μs左右，本文主要针对1kA电流的脉冲电流发生器展开研究，对如何控制和采集脉冲电流的问题提出了利用STC12C5A60S2的单片机来实现的设计方案。因此对于脉冲电流测控技术的研究对于预防雷电产生的影响具有较大的现实意义。
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