一种方波电流发生装置及其实现方法与流程

本发明涉及脉冲电流测量与计量，特别涉及一种方波电流发生装置及其实现方法。

背景技术：

1、快沿大电流方波源是雷电防护、浪涌测试、故障行波定位、脉冲计量的核心装备，现有方波电流源技术存在以下缺陷：

2、1）放电回路杂散电感大，电流上升沿难以控制在10ns以内；

3、2）储能容量不足或内阻偏大，无法实现100a/100μs无顶降输出；

4、3）多开关驱动路径不等长，同步性差，波形过冲大、一致性低；

5、4）无专用快速关断结构，感性能量无法泄放，方波电流波形下降沿拖尾严重；

6、5）方波源整体采用非对称结构引入的电磁干扰大，影响弱信号测量精度。

7、为实现宽频带快响应电流测量装置的频率特性准确评价，需研究大电流方波电流发生技术，实现高幅值、宽脉宽、宽负载量值的电流测量装置频率特性的准确评价。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种方波电流发生装置，利用方波电流源输出陡上升、高幅值、高稳定的方波电流波形，用于对各类电流测量装置的方波响应特性进行标定，给出了方波电流源的结构、工作原理及设计方案，以解决大电流测量装置无法准确评价的技术难题。

2、本发明还提出一种上述方波电流发生装置对应的实现方法。

3、根据本发明的第一方面实施例的方波电流发生装置，其特征在于，包括：

4、高精度高压电源；

5、双阵列开关组件，包括并联的开通开关阵列和关断开关阵列；所述关断开关阵列并联连接于负载端；

6、圆周阵列储能组件，由多个储能电容器呈圆心对称、圆周正列布置，形成中心为高压放电主通路、外围为回流层的同轴拓扑结构；所述高精度高压电源的输出端与所述圆周阵列储能组件的充电输入端连接，用于对所述多个储能电容器充电至设定电压；所述圆周阵列储能组件的放电输出端通过所述开通开关阵列连接至负载端，用于在所述开通开关阵列导通时，通过所述高压放电主通路向所述负载输出方波电流；

7、高速驱动组件，所述高速驱动组件的输出端分别与所述开通开关阵列和所述关断开关阵列的控制端连接，用于控制所述双阵列开关组件的导通与关断；

8、核心开关控制组件，用于向所述高速驱动组件输出时序驱动信号；所述核心开关控制组件的第一控制信号输出端与所述高速驱动组件的输入端连接；

9、安全泄放组件，用于断电后泄放残留电压；所述安全泄放组件并联连接于所述圆周阵列储能组件的两端，用于在方波电流发生装置断电后泄放所述储能电容器上的残留电压；

10、所述方波电流发生装置的输出端并联有旁路泄放模块，所述旁路泄放模块的第一端连接所述负载的高电位端，所述旁路泄放模块的第二端连接所述回流层，且所述旁路泄放模块与所述关断开关阵列并联连接，用于与所述关断开关阵列协同动作实现快速关断。

11、根据本发明实施例的方波电流发生装置，至少具有如下有益效果：

12、本发明提供的方波电流发生装置包括高精度高压电源、圆周阵列储能组件、双阵列开关组件、高速驱动、核心开关控制组件、安全泄放及同轴盒体。储能电容采用圆周正列布局，形成内部高压、外围回流的同轴拓扑，杂散电感低；采用双开关阵列+交错开通+等长驱动，实现开关纳秒级同步；输出端设旁路泄放网络，支撑快速关断，上升沿与下降沿均≤10ns。装置可输出ka级范围内电流可调、脉宽可调、无顶降方波电流，具备自动泄放、本地/远程控制、电参数监测功能，适用于冲击电流计量溯源、高速电流传感器校准。

13、根据本发明的一些实施例，所述圆周阵列储能组件由多个储能电容器并联构成，储能电容器的电容量及额定电压由负载的量值决定；

14、和/或，方波电流发生装置还包括同轴集成盒体，所述同轴集成盒体用于容纳所述高精度高压电源、圆周阵列储能组件、双阵列开关组件、高速驱动组件、核心开关控制组件和安全泄放组件。

15、根据本发明的一些实施例，所述开通开关阵列和所述关断开关阵列均包括多个高速固态开关；所述高速驱动组件的多个驱动信号输出端与所述双阵列开关组件的各开关阵列控制端之间的信号传输路径的物理长度相等，且各所述信号传输路径的阻抗相匹配，以使所述高速驱动组件输出的各路开关驱动信号到达各开关控制端的传输时延一致。

16、根据本发明的一些实施例，所述旁路泄放模块在关断过程中吸收放电回路的感性能量。

17、根据本发明的一些实施例，储能电容器、高速驱动组件、开通开关阵列、关断开关阵列采用层叠同轴进行布置以形成层叠结构，层叠结构中由下至上依次为储能电容器、高速驱动组件、开通开关阵列、关断开关阵列；所述核心开关控制组件与所述安全泄放组件分置于层叠结构的左右两侧。

18、根据本发明的一些实施例，所述核心开关控制组件中的核心控制器的时钟频率为200mhz，时序信号输出端以5ns为步长向所述高速驱动组件输出开通时序信号和关断时序信号。

19、根据本发明的一些实施例，所述高速驱动组件具有多个驱动信号输出端，所述多个驱动信号输出端分别与所述开通开关阵列中各开关的控制端及所述关断开关阵列中各开关的控制端一一对应连接；

20、所述高速驱动组件的多个驱动信号输出端与所述双阵列开关组件的各开关控制端之间的信号传输路径的物理长度相等，且各所述信号传输路径的阻抗相匹配，以使所述高速驱动组件输出的各路开关驱动信号到达各开关控制端的传输时延一致。

21、根据本发明的一些实施例，所述高精度高压电源为线性稳压电源；所述方波电流发生装置具备在负载过载时自动触发过载保护并报警的功能。

22、根据本发明的第二方面实施例的

23、方波电流发生装置的方波电流实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

24、利用高精度高压电源对圆周阵列储能组件充电至设定电压，生成储能电压信号；

25、使核心开关控制组件输出时序驱动信号，高速驱动组件利用时序驱动信号驱动开通开关阵列中的开通开关阵列和关断开关阵列交错导通，以所述储能电压信号作为放电能量源；

26、通过同轴拓扑结构的高压放电主通路放电，以在负载上输出方波电流；

27、当输出的方波电流达到设定脉宽时，所述核心开关控制组件输出关断时序，高速驱动组件利用关断时序控制关断开关阵列关断，并同时导通旁路泄放模块；

28、在方波电流发生装置断电后，安全泄放组件自动启动。

29、根据本发明的一些实施例，所述利所述高精度高压电源对所述圆周阵列储能组件充电至设定电压，生成储能电压信号的步骤中，所述arm+fpga控制组件实时监测圆周阵列储能组件的电压，当圆周阵列储能组件的电压达到设定值时，向fpga发送充电完成信号。

30、根据本发明的一些实施例，所述交错导通的间隔为10ns，所述时序的步长为5ns。

31、根据本发明的一些实施例，输出的所述方波电流为0~100a可调、脉宽≤100μs、上升沿与下降沿均≤10ns的标准方波电流。

32、根据本发明的一些实施例，所述设定脉宽通过自动控制模块时序编程调节。

33、根据本发明的一些实施例，所述方波电流用于冲击电流测量装置的标定与量值溯源。

34、根据本发明的一些实施例，所述安全泄放组件快速将残留电压泄放至安全电压范围内，并自动关断安全泄放组件。

35、本发明实施例提供通过卫星或网关侧构建三层异构导频池，将专用免竞争导频层、抗频偏共享导频层和免授权叠加导频层分别映射至不同优先级的电力业务，实现了对控制、采集、视频三类业务的差异化承载。专用免竞争导频层采用otfs调制下的专属资源块，为紧急控制业务提供免竞争接入，使其接入时延压缩至20ms以内、碰撞率低于1%；抗频偏共享导频层采用fds-lfm前导码，在±300khz大频偏下提升检测概率，等效导频容量扩展至256个；免授权叠加导频层采用叠加前导码传输与压缩感知检测，过载吞吐量比传统acb机制提升50%以上。同时，通过多智能体强化学习模型以各层负载、碰撞概率、接入时延和业务到达率为状态输入，以各层资源占比的调整量为动作输出，以sla满足奖励、过载惩罚和动作平滑惩罚为奖励函数，动态调配各层资源占比，使系统能够自适应跟踪业务分布变化，保障不同优先级业务的差异化服务质量。进一步引入灾害触发机制，在短时碰撞率骤增时强制提升专用免竞争导频层的资源占比并从抗频偏共享导频层借用资源，确保灾害等极端场景下控制业务的优先接入。基于上述方案，系统兼顾低时延、高可靠、大容量与自适应能力，填补了现有ntn标准在混合业务保障方面的空白。

36、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。