團隊介紹

深圳市盾牌防雷技術(shù)有限公司成立于2000年，其實驗室200kA（8/20μs）模擬雷擊試驗沖擊平臺是國內(nèi)首家自主設(shè)計研發(fā)的大通流量測試平臺，10/350μs測試平臺是國內(nèi)唯一采用電感儲能電路的模擬雷電沖擊平臺。設(shè)計產(chǎn)品通過TUV、UL、ETL、FM等多個國際認(rèn)證。2009年成為一家外資獨資公司。

羅佳俊

工程師，研究方向為雷擊風(fēng)險評估、防雷產(chǎn)品研發(fā)、檢測等領(lǐng)域。

馮海洋

測試工程師，研究方向為SPD模擬雷擊測試，產(chǎn)品認(rèn)證等。

冷丁丁

廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院講師，從事雷電防護方向的教學(xué)和研究20余年。

蔡劍碧

廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院講師，從事雷電防護及電子信息方向教學(xué)20余年。

研究背景

電子信息系統(tǒng)已經(jīng)向高度集成化發(fā)展，這對雷電電磁脈沖防護提出了新的要求。傳統(tǒng)SPD依靠內(nèi)部的壓敏電阻MOV、氣體放電管GDT和瞬態(tài)抑制二極管TVSS等非線性元器件來實現(xiàn)對雷電流的泄放和過電壓的鉗位。這種方案需要多級SPD配合才能達(dá)到良好的保護效果，可靠性低，成本高。同時，在電子設(shè)備越來越小型化的趨勢下，大多數(shù)場合已經(jīng)無法滿足安裝要求。

考慮到成本、安裝空間和保護效果等多方面的因素，利用殘壓波是一種低頻率的脈沖波的特點，拋開傳統(tǒng)的時域分析法，從頻域的角度研究降低SPD的殘壓及其抑制電路。

論文所解決的問題及意義

濾波器的種類很多，常見EMC/EMI濾波器主要針對線路中的操作過電壓或者納秒極的脈沖信號的產(chǎn)生高頻信號進(jìn)行過濾，串聯(lián)在線路中，包含差模保護和共模保護。而雷電波是一種微秒級的脈沖波，泄放雷電流和鉗位電壓的電源SPD主要是對地的共模保護。因此設(shè)計一款與雷電波頻率匹配的、可以提供共模保護并且能承受預(yù)期雷電流和過電壓、在雷電流沖擊下可以將濾波電路輸出端的電壓進(jìn)行抑制的濾波器是本論文要研究的主要問題。

將SPD與專用濾波器組合后，可以降低SPD的殘壓達(dá)50%以上，成本也降低50%以上。

論文方法及創(chuàng)新點

本文采用SPD殘壓波頻率分析、濾波電路選擇、殘壓波頻率確認(rèn)、雷擊測試比對的方法，遴選出最佳的濾波器組合方案。創(chuàng)新點在于通過模擬雷擊測試SPD輸出端和LC輸出端電壓的對比，確定殘壓波的頻率，從頻域的角度為LC電路參數(shù)選擇提供依據(jù)。還證明磁芯電感不能用在SPD濾波電路中。

1 SPD殘壓波頻率分析

盡管通過對雷電流波形的傅里葉變換可以計算出雷電流及主要能量的頻譜范圍，為了更加直觀的觀察頻譜分布，實驗室對單個SPD進(jìn)行雷擊沖擊，對采集到的殘壓波直接在示波器上進(jìn)行FFT變換，找出殘壓波的頻譜范圍。

圖1 殘壓波FFT變換后的頻譜分布

2 濾波電路的設(shè)計

試驗證明采用單級LC濾波電路是最佳的設(shè)計方案，多級LC電路會增大SPD殘壓的增益。另外，濾波電路中的電容采用耐沖擊的電解電容，電感采用空心電感。磁芯電感在雷電流沖擊下會產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，從而降低LC電路對殘壓的抑制效果。

圖2 濾波型SPD殘壓測試電路

3 通過測試確認(rèn)殘壓波的實際頻率

選擇不同截止頻率的LC組合并聯(lián)在SPD后端，分別測試3kA和20kA下SPD的輸出電壓和LC后端的電壓，當(dāng)兩者電壓沒有變化時，此時的諧振頻率就是SPD殘壓的頻率。試驗證明殘壓的最大頻率在20kHz左右，殘壓越高對應(yīng)波頻率越高。

圖3 不同諧振頻率下的殘壓增益對比

4 殘壓抑制效果

為了使LC電路具有廣泛的應(yīng)用，對不同類型的SPD進(jìn)行測試，對LC輸出端電壓抑制增益達(dá)到-6dB時截止頻率對應(yīng)的LC組合作為最終的設(shè)計組合。實驗證明LC輸出端的電壓幅值和陡度有了顯著的降低。

圖4 諧振頻率6kHz@20kA的殘壓波形

結(jié)論

本文通過仿真和測試證明，匹配的濾波電路與SPD并聯(lián)時可以滿足大通流低殘壓的保護要求，不需要考慮多級SPD保護時的能量配合問題；無需對現(xiàn)有SPD進(jìn)行改造，具有廣泛的適用性；節(jié)約成本，提升保護的可靠性和效果。

引用本文

羅佳俊, 馮海洋, 冷丁丁, 蔡劍碧. 基于低通濾波原理的電涌保護器超低殘壓研究[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(3): 17-22. LUO Jiajun, FENG Haiyang, LENG Dingding, CAI Jianbi. Study on ultra-low residue voltage of surge protective device based on low pass filter principle. Electrical Engineering, 2022, 23(3): 17-22.