TELKOM NIKA , Vol.11, No .1, Janua ry 2013, pp. 97 ~102   ISSN: 2302-4 046           97     Re cei v ed Se ptem ber 28, 2012; Revi se d No vem ber  22, 2012; Accepted Novem ber 29, 20 12   Resear ch on High Frequency Amplitude Attenuation of  Electric Fast Transient Generator      Wu Zhu*, Qi Ding, Weiy a  Ma, Yuan Gu i, Huafu Zha ng  Shan gh ai un iv ersit y  of e l ectri c  po w e r    Computer a n d  informatio n  en gin eeri ng co lle ge   Ping lia ng ro ad  210 3, Yang pu  district, Shang hai 2 0 0 090   *corres pon di ng  author, e-mai l : zjmz w z s y @ 1 2 6 .com       A b st r a ct   In order to sol v e the a m pl itu de a ttenu atio n of electric fast trans ie nt (EF T )  gener ator op e r ating i n   hig h  frequ ency ,  the charg i ng  and  disch argi n g  proc ess  of e nergy stor age  capac it or in E F T  generator  a r e   ana ly z e d, the  ma in circ uit vo ltage var i ati on  math e m atic al  mo de l is estab lishe d, the p a rameters of ma i n   l o op  ci rcu i t and  th e pa ram e te rs o f  swi t ch   d r i v i n g  wa vefo rm w h ic h  affect burst a m plitu de  are  disc uss e d .   T h roug h the si mu lati on, this p aper  puts forw ard effect ive  methods to  over come b u rst a m plitu de atte nua ti o n   in hig h  frequ en cy. T he simul a tion resu lts sho w  that  w hen the freque ncy is low ,  the  duty ra tio of drive sign a l   have  little effec t  on en ergy sto r age c apac itor  voltag e a m p litu de atten uati on.  w hen the ch ar gin g  resista n ce   is less than 5 00  Ω , the dut y ratio of driv e sign al is les s   than 0.12 5, the  repetiti on f r equ ency of b u rst  reach e s 1.2  M H z ,  th e a m plit ude  atten uatio n of e ner gy st orag e ca pacit o r  voltag e is  le ss than  9%, t h e   amplit ude of b u rst satisfies IEC61 000- 4-4 stand ards.     Key w ords : E l ec tric  fas t  trans i ents  burs t,  High  freq uen cy atten uatio n,  Analysis, S i m u lation;      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Electri c  fast  transi ent gen erato r  is u s e d   to simulat e  pulse dist urba nce to test the  cap a city of re sistin g tran sie n t pulse  distu r ban ce  fo r el ectro n ic  equi pments, a nd i t  is an impo rtant  electroni c eq uipment for p u lse immu nity test,  theref ore, electric fast transients b u rst gen erato r  is   widely u s ed i n  the electron ics in du stry[1-3].  With the fre quen cy in cre a se  of pul se   disturban ce  gene rated  by power lo ad, the   internatio nal  electroni c co mmission carry on the  revision to IEC6 1000 -4 -4 sta ndards, its m a in  purp o se is to  increa se the  repetition fr e quen cy and  energy den sit y , enhan ce  repeata b ility and  comparability of transient pulse  di sturbance test  with electri c  fa st transient s, satisfy user's  requi rem ents of simul a tion  real  pul se di sturb a n c e.  Howeve r ,  the i n terferen ce  signal g ene rat ed  by existing el ectri c  fa st tra n sie n t gen erator is  l o wer  than the a c tu al frequ en cy , and it can n o t  meet the use r 's a n ti-inte r fe ren c e test re quire m ent s, therefo r e, imp r oving outp u t pulse frequ en cy  of electri c  fa st transie nt ge nerato r  is  ne eded. Bu t wit h  the incre a se of the pul se frequ en cy , the   con s i s ten c y of wave  sh ap e is l o w  whi c h lead s to th e high  freq ue ncy am plitud e attenuatio n  of  burst ope ratin g  .  The math em atical mo del  of energy sto r age  ca pa cito r voltage va ri ation in  cha r ging a n d   discha rgin g pro c e ss is e s tabli s he d, the influen ce  of main circuit para m et ers an d driv ing   para m eters o f  switch K on  amplitude att enuatio n ar e  discu s sed by simulatio n  in this pa pe r .       2. Analy s is of energ y  stora g e capa c itor  charging an d dischargin g  proces s   2.1. Principle of elec tric fas t  tran sien ts burs t  gen e rato r   Simplified m a in  circuit of  Electri c  fa st  tran sient  ge nerato r   are   sho w n  as in  Figu re   1[4].The ci rcuit is co mpo s ed of high vo ltage po we r  sup p ly  E ,  ch argin g  re si st a n ce  R 1 , s t orage   cap a cit o r  C 1 ,  high voltage  switch K, discharging  swit ch K, imped ance matchin g  re sista n ce  R 3   and DC blo cking ca pa citor  C 2 . L is the para s itic ind u ct ance, R 4  is the load impe d ance.  The e nergy storage  ca pa ci tor  C 1  i s   cha r ged by hi gh v o ltage p o wer  sup p ly E thro ugh the  current limiting resistor  R 1  until its value  is po we r sup p ly vo ltage, when  swit ch K  clo s e s , stora ge  cap a cit o r C 1  began to  discha rge th roug h the d i scharge resi stan ce R 2 ,  a high volta ge  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013 :  97 – 10 2   98 nano se co nd  level pul se  i s  p r od uced i n  the  output  po rt, wh en  swit ch K  di scon ne ct, ene rgy  stora ge capa citor C 1  sto p  discha rgin g, stora ge capa citor C 1  is recharg ed by high voltage po we r  sup p ly   E  to prepa re th e ne xt disch arg e . Acco rdi ng to   the IEC610 0 0 -4 -4  stand ards, ele c tri c  fa st  tr a n s ie n t  ge ne r a tor  pr o duc es  pu ls e pe r i o d i c a lly, eve r y 3 0 0  ms c y c l e  pr o duc es  75  p u l se s   contin uou sly, the normalized si ngle p u l s e  waveform, the rise time   ns t r 5 , time-to-half  value ns t d 50 , which i s  sh o w n in Figu re  2, burst of sc hematic di ag ram is shown as Figu re 3 [5 ].  After 75  cont inuous pulse generating, discharg e switch K is off, storage  capacitor is  recha r ge d by high voltage  power suppl y  for the next cycle disch a rg e.          Figure 1. Simplified circuit  diagram  of a Fast Tran sien t Generator          Figure 2 No rmalize d  sin g l e  transi ent pu lse           Figure 3 Spe c ified fast tra n sie n t wavefo rm of burst       2.2. The ana l y s is for the  charging a nd dischar ging v o ltage v a riation o f  e n erg y  storage  capaci tor   In the d r ive  of burst  seri es, hig h   spe ed hig h  volta ge ele c tron  swit ch K  doe s the   contin uou s chargi ng a nd  discha rgin g to ene rgy sto r age  ca pa city, the open a nd cl ose  driv ing   waveform of  the switch a r e a s   sho w n i n  Figu re  4. T he di scha rgin g switch in  the mai n   circuit  clo s e s  wh en i n  high voltag e level, the energy st ora g e  capa city dischargi ng, formi ng a high b u rst  E R 1 L K C 1 R 2 R 3 C 2 R 4 0.1 0.5 0.9 1. 0 t r t d t No rma l i z ed  v o lt ag e 300ms 15 m s Bur s t Voltage t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Re sea r ch on  High F r eq uen cy Am plitude  Attenuation o f  Electric Fa st  Tran sient …  (Wu Zhu )   99 throug h the   sign al shapi n g  ci rcuit; the  switch   disconne cts i n  lo w voltage  le vel, the ene rg y  stora ge  capa city cha r ging.  Recording t o  the  IEC610 00-4 - 4  stand ard, it need s to do 75 times  cha r gin g  an d  discha rgin g  in 300 ms t o  produ ce  7 5  high volta ge bu rst. Becau s e th at b u rst  freque ncy m ade by el ect r ics fa st tran sient in cr ea ses g r a dually, there i s  a   great  differe nce   betwe en the  maximum re p eat frequ en cy and the  minimum repea t frequen cy. Whe n  the re peat  freque ncy is low, the main circuit p a ram e ter  an d the circuit  driving para m eter will n o t do  amplitude  attenuatio n. When the fre q uen cy is hi g h , the resto r i ng ch arging  time of energy  stora ge capa city is sufficie n t relatively and the  voltage declin es, m a kin g  the con s iste ncy of bu rst  amplitude wo rse and worse.  Co nsi d e r ing  high  fr eq uen cy amplit ude attenu ation of the bu rst   seri es,   we t a ke inf l u e n c in g f a ct o r s  of  main  cir c uit p a ram e ter  and  circuit d r ivin g pa ramete r i n to  con s id eratio n ,  analyzing  ch argin g  and di schargi ng p r o c e ss of the b u rst formation  circuit.   For sim p lified  mathematical analysi s , the si mplifie d model of ch a r ging a nd discha rgin g  circuit is  sho w n a s  fig. 5. The ci rcuit driving  waveform is sh own a s  fig 4, assu ming the swit ch   driving si gnal  freque ncy is  f , duty ratio is  k , the power  voltage is  E , the voltage of energy storag e   cap a city after m times  dischargi ng i s   V pm  ,  the voltage of ene rgy  storage  capa ci ty voltage after  m times charging  r e c o ver y  is   V qm . Con s iderin g the  in fluence of  k ,  f  , cha r gi ng  a nd di scha rgin g   resi stan ce,  a nalyzin g the  voltage  of en ergy sto r age   ca pacity b e fore   the formi ng  of the 7 5 th b u rst  to find the decline la w that the burst am plitude vary  with the para m eter. In ord e r to facilitate  the   analysi s ,  a ssuming   the sy stem po wer as  i deal   voltage so urce, energy  stora ge cap a city has  been  charged  full, it's  ampli t ude i s   E , the   freque ncy f  a nd d u ty ratio   k of th e  swit ch in  main  ci rcuit  remai n  un cha nged.            Figure 4. Driv e sign al wave form of swit ch          Figure 5. Cha r ge -di s charge  circui t of Fast Transi ent G enerator      (1)  Whe n  the  swi t ch K cl oses f o r the first ti me , the main  circuit b egin s  to di scha rg e, the  discha rge ti me t on  and the voltage V p 1  of energy  stora ge  cap a c ity after discha rgin g are  a s   following res p ec tively:    f k t on /   (1)    Cf R k C R t p e E e E V on 2 2 1   (2)    (2)  After the first disch arge, the swit ch K di scon ne cts, the energy  storag e ca pa ci ty in   main  circuit  begin s  the fi rst re cove ry charg e , the  ch argin g  time  t of f  and the th e  voltage  V q1  of  energy storag e cap a city after ch argi ng a r e as follo win g  respe c tively:   f k t off 1  (3)   V p1 V q1 V p2 V q2 V p7 5 V p74 300 m s t 1 t 2 E R 1 K C R 2 i 1 i 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013 :  97 – 10 2   100    Cf R k 1 Cf R k Cf R k 1 C R t 1 p 1 p 1 q 1 2 1 1 off e e 1 E e 1 V E V V  (4)     (3)   Whe n  in the  2 nd  discha r g i ng, the cha r ging time ton remain s th e same, an d  the   voltage  V p2  is :    Cf R k q p e V V 2 1 1 2  (5)     (4)   Whe n  in the  2 nd  cha r ging,  the ch argi ng  time toff remains th e sa m e , and the vo ltage  V q2  is:    Cf R k 1 1 p 1 p 2 q 1 e 1 ) V E ( V V  (6)     From the ite r ation, it can b e  got t hat the  energy stora ge capa city voltage  V qm  after the m  times chargin g  and voltage   V pm  after m times di scha rg ing are a s  foll owin g:    Cf R k m p m p qm e V E V V 1 1 ) 1 ( ) 1 ( 1 ) (      （ m = 2 ,3... n ）  (7)     Cf R k m q pm e V V 2 ) 1 (             （ m = 2 ,3... n ）  (8)     It can be se en that the remai n ing vo ltage in  ene rgy storag e capa city after every  discha rgin g a r e d e ci ded  b y  the last  ch argi n g  voltag e, the d r iving  sign al frequ ency  f , the  duty   ratio  k, the e nergy  storag e ca pa ci ty C  and the  disch a rgin g resi sto r   R 2 ； T he di scha rgin g voltage   is de cide d by last rem a inin g voltage, in cha r gi n g , the  drive sig nal  freque ncy f, the duty ratio  k,  the en ergy  storage  capa city  C an d th e charging  resi stor  R 1 ； T he o p timizati ons of ratio  k,  cha r gin g  re si st or  R 1  and di scharging  re sistor  R 2  ca n b e  done to ov ercomin g  the  high amplitu d e   attenuation.       3. The parame ter simulatio n  of chargin g  and discha r ging proce s ses   The  en ergy storage ca pa citor  ch argi ng and  di sc ha rgi ng processe s in the main  circuit  were di scussed in the la st se ction. It sh o w ed the  analytic ex pre ssi on of  energy stora g e   cap a cito r voltage at the e nd of the ch argin g  and  d i scharging. B y  adjusting p a ram e ters, the  voltage of the energy st o r age  cap a cit o r befo r e 75 th  disch arge  wa s solve d , the suita b le h i gh- freque ncy bu rst para m eters were fou nd to r edu ce the  high-f r eq uen cy amplitude a ttenuation.   In ord e r to  re sea r ch the i n fluence that t he  dut y  ratio  of the  driving  sign al on  the  ene rgy  stora ge  cap a c itor voltag e high-f r eq uen cy  attenuation ,  the cha r gin g  re sisto r  R 1  was val ued  as  1000 Ω , the  d i scharging  re sisto r   R 2   w a s valued as  200 Ω  and   en e r gy stora ge capa citor  C  was  valued as 1 n F , acco rdi ng to the formula (7),  the la w of the ene rgy storage capa citor volta ge  amplitude  attenuatio n wa s found out through  cha ngin g   the duty rati o with the iterative algorith m .  Figure 6   sho w ed  curve s  t hat the  en ergy sto r ag e  capa citor volta ge va ried  wit h  duty  ratio.  The  curve  B re pre s ente d  the  ch ange  wh en b u rst frequ en cy is 100 kHz,  The  curve B  repre s e n ted t he  cha nge  whe n  bu rst  freq u ency i s   500 kHz an d  D i s  100 0kHz. In  the Fi gure  6, the a b sci s sa   rep r e s ent s the duty factor k, the ordin a te is the  ratio  of the last discha rgin g voltage value of the  energy storag e cap a cito r to the powe r  su pply voltage.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Re sea r ch on  High F r eq uen cy Am plitude  Attenuation o f  Electric Fa st  Tran sient …  (Wu Zhu )   101 The Fi gu re  6  sh owed  that  the im pa ct t hat t he duty ratio of  the dri v ing sign al  to   sto r ag e   cap a cito r am plitude attenu ation is little whe n  the fr eq uen cy is lo w, and that with  the the increa se   of frequen cy, the energy  stora ge capa citor vo ltage  amplitude att enuatio n become larg er.  So,  whe n  the burst repetition freque ncy wa s higher,  the e nergy sto r ag e capa cito r voltage amplit ude  attenuation  could  be  re du ced  by  red u ci ng the  valu e   of the  duty ra tio and  exten d ing th e  storage   c a pac i tor c harging time relatively.         Figure 6. Amplitude attenu ation ch angi n g  with the dut y cycle and freque ncy       The time-to - h a lf value of t d  = 50 ns of burst was d e te rmine d  by the value of R 2  and C,  whi c h is  con s tant in comm on. If the burst repet ition fre quen cy is very high and voltage amplitu de  attenuation  wa s too hi gh , the high -fre quen cy a tten uation i s sue s  coul d be  so lved by way  of  redu cin g  the value of R 1 , improvin g the cha r gin g  sp e ed and  cha n g i ng the duty ratio.  Whe n  set discha rgin g re si stor  R 2  a s  200 Ω  ,e nergy st orag e  ca pacit or  C  as 1n F a nd b u rst  freque ncy a s  1.2 MHz, the paramete r  simul a tion  of the energ y  storage  ca pacito r  voltage  amplitude ch ange s  is sho w ed  in  the Figure  7.  Th e cu rve B showed the chang e wh en  the  cha r gin g  r e si st or i s  3 0 0 Ω ,  the cu rve i s  5 0 0 Ω  a nd  D i s  700 Ω . T he a b scissa  rep r e s ente d  the d u t y  factor, the  ordinate i s  the  ratio of the  last  di scharging voltag e  value  of the  energy sto r a ge  cap a cito r to the po wer  sup p ly voltage.        Figure 7. Amplitude attenu ation ch angi n g  wi th the different cha r gin g  resi stan ce       The Fi gure 7   sho w e d  that i n  the  sam e   d u ty ratio, the  cha r gin g   re sistor R 1  i s   sm aller, the  voltage ampli t ude attenuati on is sm aller.  When  the ch argin g  re sisto r  is less than  500 Ω ,duty ratio   of the driving signal is le ss than 0.125  and bu rst  fre quen cy is less than 1.2MHz, the amplitude   attenuation  of  the e n e r gy  storage   capa ci tor voltage  i s   less tha n  9%,  whi c h  is met  IEC61 000 -4-4   stand ard.   0. 05 0. 10 0. 1 5 0. 20 0. 25 0. 30 0. 35 0. 50 0. 55 0. 60 0. 65 0. 70 0. 75 0. 80 0. 85 0. 90 0. 95 1. 00 1. 05 1. 10 amplitude  atteneution puls e  duty  fac t or  B  C  D 0. 05 0.1 0 0 . 1 5 0. 20 0 . 2 5 0 . 30 0.3 5 0. 50 0. 55 0. 60 0. 65 0. 70 0. 75 0. 80 0. 85 0. 90 0. 95 1. 00 1. 05 1. 10 amplitude at tenuation pu ls e  du t y   f a c t or  B  C  D Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 1, Janua ry 2013 :  97 – 10 2   102 4. Conclu sion   Without  co nsi derin g th e im pact  of the  m a in  circuit  distribution  pa ra meters a n d  p a ra sitic  para m eters, t he a nalysi s  a nd  simulatio n  that en ergy storage   capa ci tor cha r gin g  and disch a rgi ng  voltage of the electri c al f a st tran sient  are stu d i ed i n  this articl e. The results  of the simula tio n   sho w e d  that  the impa ct  of the  duty  ra tio of t he  dri v ing  sign al o n  sto r ag e ca pacito r  volta g e   amplitude  attenuatio n wa s little when freque ncy wa s low. Wh en t he freq uen cy  of the drivin g   sign al is hig h e r, cha r ging  resi stor  and  ra tio of  driving   sign al have  e ffect on the  voltage, the  hi gh- freque ncy att enuatio n co ul d be re du ced  by means  of redu cin g  the  value of R 1 , improving th e  cha r gin g   spe ed a nd  ch an ging th e d u ty ratio.  Wh en t he  cha r gin g   resi stor is le ss than  500 Ω ,duty   ratio of the driving si gnal  is less than  0. 125 and  burst frequ en cy is less than 1.2MHz, the  amplitude  attenuatio n of the ene rgy st orag e capa ci tor voltage i s  less than 9 % , which i s   met  IEC6100 0-4-4 stand ard s .       Ackn o w l e dg ment   T his pap er was su ppo rted   by  Shan ghai   Tec hnol ogy I nnovation P r oject  (10 110 5 0220 0),  innovation Progra m  of Shanghai Mu nici pal Education  Commi ssi on  (11Z Z173 )      Referen ces   [1]  Che ng-C h e ng  Yen, Ming- Do u  Ker, Yung-Ya ng Ch en. T r ansient-i nduc ed  Latchu p  in CM OS Ics Under   Electrical T a st-T ransient T e st.  IEEE   T r ansactions o n  Devi ce an d Materri als Re lia bil i ty.  200 9; 9(2):   255- 264.   [2]  Le  Xu, Shu j ua n W ang, Gu of u Z hai, Z h en g q ia ng  Che n . Stud y o n  EMS  of DC SSR  Un d e r interfer enc e   of EFT  Burst.  IEEE Conference on Industrial  Electronics and Applications.  201 1; 6:193 8-1 942.   [3]  W ang Yufe ng, Li Shi w e i ,Z o u  Ji yan.N anos ec ond-ris e ti me H i gh-v o ltag e Ele c trical F a st T r ansi ent/Burst   Generator. Aut o mation of Electric Power Sy stem s .2 006, 1 1 (22): 96- 10 0.  [4] F r anceco M u solin o, F r anc o F i ori. M o d e lin g th e IE C61 000- 4-4 E F T  Injection  Clamp.  IE EE  Tra n s a c ti on s on  El e c trom ag ne ti c C o m p a t i b il ity.  2008; 50(4):  869-8 7 5 .  [5]  Niu Bo, So ng  Z heng xian g, W ang Ji an hu a. Stud y   on E l ec tri c al F a st T r ansient Burst Immunit y   of Dig ita l   Rela y.  Hi gh Vo ltage Ap par atu s . 2007; 2(1): 1 4 -17.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.