轨道车辆用传感器浪涌防护浅析

0引言

传感器作为一种重要的检测仪器,在轨道车辆上大量应用,传感器可靠性是轨道车辆安全稳定运行的重要保证。在实际应用中,传感器遭受来自环境和电路的浪涌干扰的问题时有发生且不可预测,易导致传感器输出信号稳定性和精度降低,进而引起系统监测状态异常或控制异常。更糟糕的情况是,因浪涌干扰能量密度大,传感器直接损坏,从而造成系统故障,带来损失或造成安全隐患。因此,在轨道交通领域,传感器应通过浪涌抗扰度试验已经是基本要求。

1传感器浪涌干扰的特点

传感器浪涌干扰是指由于电路中的电感、电容等元器件和电路本身的自感和互感作用,当附近发生雷电,在系统的电源线上产生干扰时,产生瞬间的高幅值电压或电流,又在传感器供电线上感应产生短暂的、高幅值的电压或电流干扰。浪涌干扰具有以下特点:

1)短暂性:传感器浪涌干扰作用时间很短,一个浪涌脉冲一般在几十微秒级别。

2)高峰值:传感器浪涌干扰的峰值可达几千伏甚至更高。

3)低频率:浪涌波形的上升沿不是很陡,不含有很高的频率。

4)高能量:试验的短路电流可达上千安。

传感器浪涌干扰具有短暂性、高峰值等特点,容易对传感器输出信号造成干扰和破坏,从而损坏传感器的功能或降低传感器的稳定性和精度。

2传感器浪涌抗扰度试验要求分析

传感器浪涌抗扰度通过浪涌抗扰度试验来验证,试验标准按GB/T17626.5—2019《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》^[1]执行。连接到电源线和短距离信号互连线的端口适应的浪涌试验波形如图1、图2所示。

图1是浪涌发生器的输出端开路状态时的电压波形,图2是浪涌发生器的输出短路时的电流波形。电压波形适用于检验受试设备的电源线和信号线与外壳之间的绝缘程度,也就是本文后面提到的线对地浪涌;电流波形适用于检验受试设备电缆入口处的浪涌防护器件对浪涌的承受能力,就是本文后面提到的线对线浪涌。

下面以1.2/50μS电压波形为例进行波形分析。对于1.2/50 μS波形,其函数描述^[2]为:

式中:V(t)为雷电电压;Vp为电压峰值;波形系数包括补偿系数K、波前系数T1、波长系数T2,相关标准中己给出。

对公式(1)进行傅里叶变换,得出幅值频谱:

式中:V(w)为频谱电压幅值;α为第一拐点角速度,β为第二拐点角速度,α=1/T2,β=1/T1+1/T2,w为角频率。

当w=0时,电压幅值为:

幅值频谱的第一拐点和第二拐点频率为:

第一拐点频率由波长系数决定,第二拐点频率由波前系数决定(1.2/50 μS波形的波长系数为68.22 μS、波前系数为0.404 7μS,两者相差100倍以上)。

浪涌脉冲的上升时间在1μS以上,时间较长,脉宽较宽,幅值频谱表明浪涌呈现低频特性,第二拐点以下的低频能量占比约99%,对电路的干扰以传导为主。干扰影响主要体现在过高的差模电压幅度导致输入器件击穿损坏,或过高的共模电压导致线路与地之间的绝缘击穿。因器件击穿后阻抗很低,浪涌发生器产生的大电流随之使器件过热损坏。

浪涌要求,对于安装于轨道车辆转向架牵引电机附近的传感器,按GB/T17626.5—2019^[1] 附录C安装类别为4类:互连线按户外电缆沿电源电缆敷设,并且这些电缆被作为电子和电气线路的电气环境,浪涌电压不超过4 kV,按试验等级4,即开路试验电压线对线为2 kV、线对地为4 kV;1.2/50μS组合波发生器,有效输出阻抗为2 Ω。试验方法:按GB/T17626.5—2019^[1]从试验等级中较低等级开始进行,直到规定的试验等级,施加在直流电源端和互连线上的浪涌脉冲次数为正、负极性各5次,连续脉冲间的间隔不超过1 min。这个试验方法很重要,是浪涌防护设计容易忽视的问题,容易导致设计上似乎没问题,试验时却通不过。

3满足浪涌抗扰度要求应采取的措施

根据浪涌脉冲的低频特点,采用限幅、泄放能量的浪涌抑制器件来抑制浪涌低频能量,而高频成分的干扰,通过电路设计优化、线路布局优化、接地方式优化、屏蔽技术、滤波技术等解决。本文主要分析低频干扰部分的应对措施。

很多传感器本身结构紧凑、尺寸较小,无法安装尺寸相对较大的专用浪涌抑制部件,因此如何在传感器小空间内有效防范浪涌干扰己经成为当下的一个难题。线对地电压浪涌可以通过增加传感器的绝缘防护来解决,本文讨论线对线电流浪涌的防护方法。

按常规方法,通过在传感器电路入口处布置浪涌抑制器件对电压进行钳位,打开电流通道泄放浪涌能量,从而保护传感器后级电路。常用的浪涌抑制器件有气体放电管、压敏电阻、瞬态电压抑制管(简称TVS)^[3]等。实际应用中,压敏电阻的钳位因子(钳位电压与击穿电压之比)太高,钳位电压普遍过高,无法保护后级电路;气体放电管击穿电压偏高,响应时间长,击穿保持电压过低,后级电路无法正常工作。因此,本文讨论采用TVS进行传感器浪涌防护的情况, 目前大容量的贴片型TVS产品,结构紧凑,技术成熟。

传感器要求在直流12~24 V电源下能正常工作,传感器内部电路元件正常使用电压的绝对最大额定值为40V。选用TVS时,几个关键参数应该关注,选择不当,均可能导致传感器的浪涌防护性能达不到设计要求。首先,TVS的触发(击穿)电压VBR和反向关断电压VR须高于24 V,以保证在电源电压最大至24 V时,浪涌防护器件处于高阻状态,电路能正常工作;而当发生浪涌,TVS击穿,触发浪涌电流泄放时,最大钳位电压不能超过后级器件的最大额定值40 V,否则多次浪涌波峰过后,电路中电源最大额定值不到40 V的器件会因为浪涌防护钳位电压过高而发生损坏;浪涌峰值电流不应超过TVS的最大峰值脉冲电流IPPM,否则TVS器件将过热烧毁。另外,应注意TVS的结电容,高频电路应考虑其影响。

按GB/T17626.5—2019[1],传感器工作电压为24 V,在直流60 V以内,传感器端口归为互连线,传感器采用屏蔽电缆,单端接地,非对称线,浪涌耦合配置选择GB/T17626.5—2019^[1] 中的“图9”,如图3所示。

图中CD按GB/T17626.5—2019的“表8”^[1]选择GDT(气体放电管),传感器的频率特性不重要时可选用0.5μF电容。可以看到耦合通路的总电阻为42 Ω(含信号发生器内阻2Ω),可知浪涌峰值脉冲电流IPPM不超过47.62 A(2 kV/42 Ω,未考虑TVS的钳位电压和GDT击穿后维持电压),这样可以选择峰值脉冲功耗PPPM为3kW的3.0SMCJ26CA双向型TVS,参数如下:击穿电压VBR为28.9~31.9 V,反向关断电压VR为26 V,最大峰值脉冲电流IPPM为71.3 A,钳位电压VC (最大峰值电流时)为42.1 V,因为浪涌电流不超过47.62 A,远低于71.3 A,钳位电压不会超过40 V。这里需要注意的是,以上是常温参数。不同的温度下, TVS关键参数—峰值脉冲功率与结温的关系曲线如图4所示。这是器件选型时容易忽视的一个重要参数。

从前面所述浪涌试验方法可知,试验过程中,传感器线—线防浪涌TVS会经受从500 V、1 kV到2 kV共30次浪涌脉冲,如果浪涌脉冲时间间隔过短,电路散热情况不好,TVS的结温会急剧升高。从图4中可看出,从25℃开始,温度每升高25℃,峰值脉冲功率衰减掉额定值的10%左右。到结温150℃时,峰值功率会衰减至常温的50%左右，对于常温峰值脉冲功耗3 kW的3.0 SMCJ26CA，结温150℃时，峰值脉冲功耗会降至1.5 kW，钳位电压不变的情况下，最大峰值脉冲电流，PPM减至35.7A左右，小于试验峰值浪涌电流，这时会发现，特殊情况下，3 kW的TVS存在容量不足的问题，这是在进行防浪涌设计选型时容易忽略的一个细节。因此,考虑到试验方法以及传感器实际运用的环境温度可能较高,TVS易处于高温状态,需要选用更高容量的PPPM为5 kW的5.0SMCJ26CA双向型TVS,参数如下:击穿电压VBR为28.9~31.9V,反向关断电压VR为26V,最大峰值脉冲电流IPPM为892.5 A(8/20μS脉冲电流),钳位电压VC(最大峰值电流时)为54.4 V,实际钳位电压与之前相同,不会超过40 V。这样即使结温达150℃ ,也可满足浪涌要求。试验证明,使用峰值功率3 kW的TVS时,到2 kV浪涌脉冲等级时,传感器出现功能异常故障(TVS击毁,继而电路击毁),而使用5 kW的器件时,试验能顺利通过。

4 结论

TVS的适当选型,能较好地解决小空间低电源电压传感器的浪涌防护问题,选型应遵循的主要原则如下:

击穿电压VBR和反向关断电压VR应高于传感器的工作电压,实际钳位电压VC应低于后级元件的最高耐受电压。

2)基于浪涌的试验方法,选型应考虑多次浪涌冲击后结温升高器件性能降级的因素,合理选择器件的峰值脉冲功率容量。

随着科技发展日新月异,传感器产品越来越广泛地应用于各种工业装备和生活用品中,为了保证产品的安全性、可靠性,传感器浪涌抗扰度研究成为当前传感器研究的热点之一。通过对传感器浪涌干扰的特点分析和测量,研究抗干扰技术,进行仿真模拟和试验研究,制定和完善传感器浪涌抗扰度标准,不断提高传感器的可靠性和稳定性,可为传感器在各个领域的可靠应用提供保障。

[参考文献]

[1]全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验:GB/T 17626.5—2019[S].北京:中国标准出版社,2019.

[2] 翟毅涛,吴峻,曾晓荣.中低速磁浮列车传感器防浪涌设计及改进[J].国防科技大学学报,2016,38(1):181-184.

[3]杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证[M].北京:电子工业出版社,2004.

《机电信息》2025年第14期第9篇