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Pspice电路仿真软件在脉冲功率装置设计中的应用
 
文章编号:
091221112344
文章分类: EDA技术 OrCAD/PSPICE
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关 键 词: 单线,双线,电路模型,脉冲功率装置
文章来源:
互联网,作者:计 策 曹文彬 王文斗 丰树平
摘 要:
应用Pspice仿真软件对采用单线和双线的脉冲功率装置建立了电路模型,并对照闪光-装置的参数对双线模型进行了验证。

1 引言

  随着高功率脉冲技术的发展,世界各国都相继建成了一些脉冲功率装置。对建成一台脉冲功率装置,前期的设计是相当复杂的。计算机辅助设计的出现和发展,使脉冲功率装置的设计效率大大提高,让设计者在装置建造之初就能对装置的特性有比较全面的了解,这对装置建成后的调试、运行都有极大的帮助。对所设计脉冲功率装置的电路图,依靠手工求解是比较复杂的,其求解的精度也不高,而通过电路仿真软件来计算求解,就能提高工作效率和计算的准确性。Pspice电路仿真软件由于收敛性好,在国内外的用户十分广泛。它采用数学模型和仿真算法,利用计算机的计算、存储和图形处理的高速和高效率,以电路理论为依据,对电路进行各种分析、计算和校验。本文应用Pspice软件 对脉冲功率装置进行电路仿真,结果表明仿真效果好,可信度高,对新装置的设计有重要的参考价值。

2 脉冲功率装置的电路模型

  对于脉冲功率装置电路仿真的结果是否跟实际的情况相符,关键问题取决于装置电路模型的准确性。电路模型构造的合理和各元器件所取参数的准确,对仿真的结果至关重要。

2.1 单线脉冲功率装置

  典型的脉冲功率装置主要由Marx发生器、脉冲形成线、主开关、传输线、预脉冲开关、负载等几部分组成(有些装置在脉冲形成线前还有中间储能器),如图1所示。脉冲形成线分为单线和双线两种,采用单线作为脉冲形成线的就是单线脉冲功率装置。

图1 脉冲功率装置的组成

  Marx发生器作为脉冲功率装置的第一级储能单元,一般由多个电容器组成,按照并联充电、串联放电连接在一起。主要考虑的参数是总串联电容、串联电感、等效串联电阻和并联等效电阻。

  脉冲形成线和传输线需要确定的参数是电长度、阻抗、电容和几何长度。Pspice软件中传输线的模型只需要输入电长度和阻抗。

  开关是脉冲功率装置中的重要部分,主开关的总电感直接影响到负载波形的上升前沿,而开关的耦合电容虽然较小,但在兆伏电压作用下,通过主开关电容耦合到预脉冲开关上的电压可达上百千伏,从预脉冲开关电容再耦合到负载上的电压也有几千伏。因此,开关的电感和耦合电容是主要参数。

  负载部分,在设计时按不同的负载类型加以简化,可按一个电感和一个电阻的串联来考虑。

  根据前面的分析,采用Pspice软件绘出的单线脉冲功率装置的电路模型如图2所示。图中1是Marx发生器,2是单线脉冲形成线,3是主开关,4是传输线,5是预脉冲开关,6是传输线,7是负载。

图2 单线脉冲功率装置的电路模型

2.2 双线脉冲功率装置

  双线即Blumline线,从工作原理 上讲是两条单线并联充电然后主开关导通串联放电。它的基本结构是由三个不同半径的同轴圆筒组成,如图3所示。主开关是位于内筒和中筒之间,内筒上接有接地电感。在Marx发生器向双线脉冲形成线充电时,接地电感起着短路的作用。在形成线向负载放电时,接地电感又起着开路的作用。

图3 双线结构示意图

图4双线电路模型

  由于Pspice软件的元器件库中没有双线的现成模型,因此需要根据双线的工作原理用两条单线构造双线的等效模型,如图4所示。

  有了双线模型,双线脉冲功率装置的电路模型也就可以绘出了。

3 双线脉冲功率装置电路模型的验证

3.1 电路模型参数

  双线模型的正确性需要进行验证。闪光-I是我国80年代初建成的一台脉冲功率装置,采用的就是油介质双线。现在根据闪光-I的参数,其电路模型如图5所示。
 

图5 闪光-I电路模型

  图5所示的闪光-I电路模型中,1是Marx发生器,其回路参数是:串联电容6.2nF,等效串联电感65μH,等效串联电阻15Ω,等效并联电阻3.6kΩ,对地分布电容1.02nF,每个电容器按充电70kV计算,Marx输出电压7MV。2是双线,电长度为42.5ns,外线阻抗12.6Ω,内线阻抗21.5Ω,总阻抗34Ω。中筒和内筒之间的主开关电感450nH,耦合电容0.12nF,在充电电压峰值的90%时,主开关导通。接地电感4μH。3是一段短传输线。4是预脉冲开关,电感为5nH,耦合电容0.12nF,在主脉冲达到300kV时导通。5是负载二极管,电感为1.7μH,电阻是75Ω,并联电容是0.12nF。

3.2 Pspice仿真计算结果

  根据闪光-I电路模型和参数,应用Pspice计算的结果如图6、图7和图8所示。
 

图6 Marx对双线充电电压波形                          图7 负载二极管上电压波形

图8 负载二极管上电流波形

4 结论

  仿真计算的结果与闪光-I运行的实验结果 基本相符,证明双线脉冲形成线的电路模型是正确的。根据该模型,还可以推广出主开关在中筒和外筒之间的其他双线模型。

  应用Pspice软件对采用两种脉冲形成线的脉冲功率装置建立电路模型,其电路模型能较好的反映实际运行的装置的一些特性,但也不是十全十美,还需对电路模型进行不断的修正,使其能与实际装置很好的吻合。该电路模型对今后设计新的脉冲功率装置提供了极大的帮助,使以设计更加高效准确。
 

 
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