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Pspice電路仿真軟件在脈沖功率裝置設計中的應用
 
文章編號:
091221112344
文章分類: EDA技術 OrCAD/PSPICE
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关 键 词: 單線,雙線,電路模型,脈沖功率裝置
文章來源:
互联网,作者:计 策 曹文彬 王文斗 丰树平
摘 要:
應用Pspice仿真軟件對采用單線和雙線的脈沖功率裝置建立了電路模型,並對照閃光-裝置的參數對雙線模型進行了驗證。

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

  對于脈沖功率裝置電路仿真的結果是否跟實際的情況相符,關鍵問題取決于裝置電路模型的准確性。電路模型構造的合理和各元器件所取參數的准確,對仿真的結果至關重要。

2.1 单线脉冲功率装置

  典型的脈沖功率裝置主要由Marx發生器、脈沖形成線、主開關、傳輸線、預脈沖開關、負載等幾部分組成(有些裝置在脈沖形成線前還有中間儲能器),如圖1所示。脈沖形成線分爲單線和雙線兩種,采用單線作爲脈沖形成線的就是單線脈沖功率裝置。

圖1 脈沖功率裝置的組成

  Marx發生器作爲脈沖功率裝置的第一級儲能單元,一般由多個電容器組成,按照並聯充電、串聯放電連接在一起。主要考慮的參數是總串聯電容、串聯電感、等效串聯電阻和並聯等效電阻。

  脈沖形成線和傳輸線需要確定的參數是電長度、阻抗、電容和幾何長度。Pspice軟件中傳輸線的模型只需要輸入電長度和阻抗。

  開關是脈沖功率裝置中的重要部分,主開關的總電感直接影響到負載波形的上升前沿,而開關的耦合電容雖然較小,但在兆伏電壓作用下,通過主開關電容耦合到預脈沖開關上的電壓可達上百千伏,從預脈沖開關電容再耦合到負載上的電壓也有幾千伏。因此,開關的電感和耦合電容是主要參數。

  負載部分,在設計時按不同的負載類型加以簡化,可按一個電感和一個電阻的串聯來考慮。

  根據前面的分析,采用Pspice軟件繪出的單線脈沖功率裝置的電路模型如圖2所示。圖中1是Marx發生器,2是單線脈沖形成線,3是主開關,4是傳輸線,5是預脈沖開關,6是傳輸線,7是負載。

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

圖4雙線電路模型

  由于Pspice軟件的元器件庫中沒有雙線的現成模型,因此需要根據雙線的工作原理用兩條單線構造雙線的等效模型,如圖4所示。

  有了雙線模型,雙線脈沖功率裝置的電路模型也就可以繪出了。

3 双线脉冲功率装置电路模型的验证

3.1 电路模型参数

  雙線模型的正確性需要進行驗證。閃光-I是我國80年代初建成的一台脈沖功率裝置,采用的就是油介質雙線。現在根據閃光-I的參數,其電路模型如圖5所示。
 

图5 闪光-I电路模型

  圖5所示的閃光-I電路模型中,1是Marx發生器,其回路參數是:串聯電容6.2nF,等效串聯電感65μH,等效串聯電阻15Ω,等效並聯電阻3.6kΩ,對地分布電容1.02nF,每個電容器按充電70kV計算,Marx輸出電壓7MV。2是雙線,電長度爲42.5ns,外線阻抗12.6Ω,內線阻抗21.5Ω,總阻抗34Ω。中筒和內筒之間的主開關電感450nH,耦合電容0.12nF,在充電電壓峰值的90%時,主開關導通。接地電感4μH。3是一段短傳輸線。4是預脈沖開關,電感爲5nH,耦合電容0.12nF,在主脈沖達到300kV時導通。5是負載二極管,電感爲1.7μH,電阻是75Ω,並聯電容是0.12nF。

3.2 Pspice仿真计算结果

  根據閃光-I電路模型和參數,應用Pspice計算的結果如圖6、圖7和圖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。

  應用Pspice軟件對采用兩種脈沖形成線的脈沖功率裝置建立電路模型,其電路模型能較好的反映實際運行的裝置的一些特性,但也不是十全十美,還需對電路模型進行不斷的修正,使其能與實際裝置很好的吻合。該電路模型對今後設計新的脈沖功率裝置提供了極大的幫助,使以設計更加高效准確。
 

 
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