【《快脉冲直线变压器驱动源FLTD单支路模块模型分析》2700字】

快脉冲直线变压器驱动源FLTD单支路模块模型分析图3-1所示为在PSpice软件中搭建的FLTD单支路模型，其中第一部分为触发脉冲产生回路，部分=2\*ROMANII为基于压控开关的气体开关击穿动态模型，部分=3\*ROMANIII为FLTD的基本放电单元等效回路，T为电缆传输线，Zt为触发隔离元件。=2\*ROMANII=3\*ROMAN=2\*ROMANII=3\*ROMANIII=1\*ROMANI图3-1FLTD单支路PSpice模型1.1.1气体开关击穿动态模型研究图3-2为开关击穿动态模型，节点Out1为开关的正高压电极连接正极性放电回路即节点1；主节点Out2为开关的负高压极，连接节点2负极性主放电电容；节点3表示为开关的触发极，即开关宏模块的In节点，连接隔离元件Zt。开关气体间隙模型包括开关压控导通模型和弧道动态电阻模型。使用PSpice中封装子电路功能，将开关导通模型、动态电阻模型同样封装为宏模块。Cp为开关的分布电容，数值为5-10pF；L5、L6为气体火花开关间隙的内感，由火花通道电感和金属电极及连接部分的电感组成，参数约为14nH。以负极性脉冲为例，SC-1、SC-2模块分别表示触发间隙、过压间隙的开关导通模型，模块Ra-1、Ra-2为触发间隙、过压间隙的动态电阻模型。图3-2三电极场畸变气体间隙模块1）弧道动态电阻模型Ra在PSpice软件中，根据ABM提供的逻辑元件对弧道阻抗中的物理量进行数学计算，其中包括积分器，乘法器、电压电流转换器等，按照Rompe-Weizel与Vlastos所提的动态阻抗经验公式进行仿真计算，如式（1-2）至式（1-4）所示。图3-3所示为以Rompe-Weizel经验公式为理论依据搭建的动态电阻模型，在FLTD单支路模型中封装为Ra宏模块。图3-3间隙动态电阻模型（Rompe-Weizel经验公式）放电回路电流i经节点In1流入HPOLY电流控制电压源（简称H1），H1输出与电流i幅值相等的电压Vi。H1输出电压一端直接作为输入电压连接乘法元件EMULT（简称EM1）的输入节点In1，表示回路电流数值。另一端连接幂指元件PWRS实现对电流平方的运算，输出电压至积分元件INTEG，实现电流平方的积分运算，系数K为积分放大倍数由式（1-2）中参数a决定，输出电压Vout1，再通过幂指元件PWRS实现动态电阻R式（1-2）的数学计算，输出电压的Vout2即阻抗R的数值连接EMULT元件的输入节点In2，EM1输出电压数值V=i×R，通过电压控制电压源E1输出至放电回路中。此时Ra模块输入电流i，模块电压V由弧道动态阻抗决定，由戴维南等效定理可知Ra宏磨块等效为电阻。图3-4为基于Vlastos的动态电阻公式（式1-3）搭建的Ra动态电阻宏模块，相对于Rompe-Weizel（以下简称R-W）公式考虑了弧道半径对电阻的影响，其原理同R-W模型，计算模块Ra的输入电流以及两端电压。电流i经H2转换为电压Vi，其中一端连接乘法器EM3的端口In3；另一端连接幂指元件以及积分元件实现电流平方以及积分的运算，最终输出电压Vout2连接E3端口In2；电压Vi通过幂指运算输出电压V2至EM2节点In2。弧道半径存在放电时间t的计算，在模型中使用对1V电压的积分获得随时间线性变化的电压Vt来表示时间t，对Vt开方后输出V1至乘法器EM2的节点In1，乘法器EM2输出电压Vr为弧道半径数值，经过幂指运算后输出Vout1至EM3节点In1，最终乘法器EM3输出电压V至电压控制电压源E2，模块Ra等效为动态电阻。弧道半径r弧道半径r图3-4间隙动态电阻模型（Vlastos经验公式）2)火花通道电感气体开关导通时火花通道形成，通道电感与通道电阻存在于火花间隙中且随时间不断变化，二者与火花通道直径有直接联系，难以实现精确计算，多采用粗略估算REF_Ref69527711\r\h[47]。一般而言，火花通道的直径约为10-4m量级，远小于导通两电极间的距离，可根据高频导线或者同轴线电感的计算方法进行估算，式REFeq34\h（3-1）表征气体开关击穿时火花通道的电感：（3-1）式中：L——火花电感/nH；d——火花长度/cm；r——火花通道半径/mm。本文中，气体火花开关间隙长度10mm，开关导通时其火花电感计算约为14nH。3）气体开关导通模型图3-5所示为触发间隙开关导通模型REF_Ref69527281\r\h[44]，例如触发极输入负极性脉冲时，节点1电压（正高压极）与节点3电压（触发极）分别连接减法元件DIFF的正、负极，输出的压差至压控开关S1的正极，压控开关负极接地。设置开关S1导通阈值为间隙静态击穿电压130kV，当脉冲电压达到阈值时，压控开关S1导通，此时100kV电源向电容器Cs充电，电容Cs两端电压迅速升高，将经过同击穿时延相等时间段时电容C1电压设置为压控开关S2的阈值，开关S2导通后，开关触发间隙导通。压控开关S1与S2相配合是为了保证在触发间隙导通后，中间电极电位下降时触发间隙依旧为导通状态。以上方法不满足的是，由于压控开关内部电路的影响，在中间电极处的脉冲电压达到S1导通阈值后，中间电极处的电压不能维持继续上升的状态，而是迅速下降，这与实验结果不一致。因此对S1压控开关阈值修改为，在脉冲上升至静态击穿电压后脉冲电压继续上升，将维持高压时间与击穿延时相等时脉冲电压的幅值设置为S1的导通阈值，开关S1导通后，将维持触发间隙击穿时延时电容CS的端电压设置为开关S2导通阈值。过压间隙开关导通模型与触发间隙击穿原理基本一致，不同点在于，过压间隙的压差由节点3和节点2（负高压极）决定，开关S3的阈值设置为静态自击穿电压的幅值，击穿延时时间小于触发间隙。触发间隙开关导通模型中S1的阈值设置为190kV，S2阈值设置为50V；过压间隙开关S3的阈值设置为120kV，S4阈值设置为55V。同时设置开关S4导通前电阻为100MΩ，导通后为0.001Ω。图3-5开关间隙压控模型Sc1.1.2传输线模型与隔离元件图3-1中T模型所示为传输线模型REF_Ref69527711\r\h[46,REF_Ref69820340\r\h47]，使用无损传输线模型，其标准参数包括：特征阻抗Z0，传输延迟时间TD，归一化传输线长度NL。NL为特定频率下脉冲传输某长度时波形的数目，计算公式如式REFeq35\h（3-2），设置传输线参数时不能同时输入TD和NL。传输线的延迟时间TD的计算公式为：（3-2）式中，TD——传输时延/s；LEN——传输线长度/m；vp——信号的传播速度m/s。归一化传输线长度的计算公式如式REFeq36\h（3-3）与式REFeq37\h（3-4）所示：（3-3）（3-4）式中，为信号波长，单位为m；f为信号频率。依据实验中所选取的传输线同轴电缆，由以上公式计算该电缆1m的传输时延为5ns。PSpice中传输线参数设置，传输时延TD为20ns，特征阻抗为75Ω。1.1.3触发器模型与放电回路模型1）触发脉冲产生回路FLTD单支路需要百千伏数十纳秒的触发脉冲，图3-6为触发脉冲产生回路的PSpice电路模型REF_Ref69526441\r\h[2]。其原理为C1和C2并联充电完成后，开关S1导通，电容C1、L1和R1形成振荡放电回路，由于电容C2上的电压差不能突变，电容C1与C2串联放电，当振荡至1/2周期时，开关S2导通，电压经传输线连接外电路，由于开关未导通前处于高阻状态，此时可在气体开关触发极最高可获得接近2U0。R2与L2为置地电阻及其线路电感，电阻阻值为10MΩ，主要作用是构成充电回路，保证电容C2可靠充电。R1为放电回路的等效电阻，包括放电回路的线路电阻、导通时火花电阻；L1为放电回路的等效电感，包括线路电感、火花开关电感；R3包括线路电阻、陡化开关弧道电阻、接触电阻；L3包括线路电感，陡化开关弧道电感、连接板电感；Rd为电阻分压器。图3-6触发脉冲产生回路PSpice电路模型2）主放电回路模型研究图3-7所示为