【《触发隔离方式对单双支路快脉冲直线变压器驱动源FLTD工作特性的影响分析》11000字】

（3-25）：（3-22）（3-23）（3-24）（3-25）对a关于b求导，结果a’<0，即随着b的增大a减小；b与R、C成正比，与L成反比。以上公式可知，随着电阻R的增大，减小；电感L增大，电压增大。考虑到开关分布电容的问题，开关间隙以及开关对地的分布电容与电阻分压器相并联，与隔离电容相串联，两种电容均为pF级，在不忽略不计的情况时，隔离电容增大时电容C减小，电压增大。1.2.2FLTD单支路模型仿真结果单支路FLTD的电路模型如上图3-1所示，脉冲电容并联充电45kV，触发隔离元件选择400Ω的电阻，设置开关导通阈值，使得开关未触通，电压表针放置隔离电阻后，测得开关未触通时触发极的脉冲波形。仿真波形如图3-11所示，电压幅值误差为5.3%，前沿相差4ns，仿真与实验吻合较好。触发隔离元件选电阻隔离、电感隔离、电容隔离这三类。在仿真结果统计中峰值为第一个周期波的峰值，tr为脉冲前沿（脉冲幅值的0.1倍至0.9倍的时间）。仿真参数设置中，触发源主放电电容的充电电压为45kV。图3-11隔离电阻400Ω中间电极处的实验脉冲波形与仿真脉冲波形1）电阻隔离选取100Ω-3kΩ的电阻阻值，在FLTD单支路模型中改变触发隔离电阻阻值，获得不同电阻参数下的中间电极脉冲参数。图3-12为电阻隔离时，中间电极处脉冲波形，脉冲参数如表3-1所示。表3-1电阻隔离下脉冲参数统计电阻/Ω峰值/kVtr/ns100-128.6141.88300-122.8742.98500-117.9641.25800-110.5744.401000-105.7945.331500-95.0047.602000-86.9450.503000-74.0055.31图3-12不同隔离电阻中间电极处脉冲波形随着电阻的增大，脉冲幅值减小，前沿增大。脉冲幅值由100Ω时的128.61kV降至3kΩ时的74.00kV。电阻从100Ω增至1kΩ时，前沿增加了2.5ns，电阻从100Ω升至3kΩ，从41.88ns升至55.31ns，前沿增加了12.5ns。2）电感隔离电感选择2μH、4μH、6μH、8μH、10μH、12μH、16μH，脉冲电压随着电感的变化趋势如图3-13所示，脉冲参数如表3-2所示。由表3-2中数据可知，随着电感的增大脉冲幅值增大，前沿增大。电感参数由2μH升至16μH时，前沿由17.54ns升至40.58ns。电感感值为12-16μH之间时，随着电感的增大前沿变化幅度小，上升1.22ns；脉冲幅值上升幅度变缓。表3-2电感隔离时中间电极脉冲差参数电感/µH峰值/kVtr/ns2-78.4317.544-96.5122.496-107.9327.768-116.3032.2210-121.7635.1012-131.6737.2616-145.2740.58图3-13不同隔离电感中间电极处脉冲波形（3）电容隔离电容容值选择100pF、280pF、560pF、800pF、1nF、1.5nF、2nF，脉冲波形变化图3-14所示，脉冲参数如表3-3所示。随着电容的增大，脉冲幅值增大，前沿基本不变。电容容值在560pF-2000pF的范围内时，电压幅值在130kV左右。而前沿变化<1ns，在45ns左右。图3-14不同隔离电容中间电极处脉冲波形表3-3不同隔离电容参数时中间电极脉冲参数电容/nF峰值/kVtr/ns100-111.0544.39280-124.7344.79560-129.1444.92800-130.5244.961000-131.1744.981500-132.0545.002000-132.4945.021.2.3触发隔离方式对脉冲波形影响的实验结果实验条件的设置，触发源储能电容充45kV正高压，开关以及主放电电容不充电，开关气压设置为0.4MPa，此时触发脉冲不足以使开关间隙导通，开关为未触通状态。测量中间电极处电压，可知隔离方式对脉冲参数的影响。1）电阻隔离实验电阻选择160Ω、400Ω、970Ω、1997Ω四种电阻参数，电阻隔离参数对脉冲波形的影响如图3-15所示，其脉冲参数如表3-4可知，随着电阻的增大脉冲幅值减小，脉冲前沿增大。电阻隔离在400欧时，脉冲电压幅值实验结果为103kV，仿真结果为110.5kV，此时误差为4%。隔离电阻为970、1997Ω时，与实验结果相比，前沿仿真误差<2ns；隔离电阻为160、400Ω时，仿真误差分别为10%、4%。（a）实验结果（b）仿真结果图3-15隔离电阻参数对脉冲波形影响实验与仿真对比表3-4电阻隔离的实验结果电阻/Ω1604009701997幅值/kV111.510388.575前沿/ns37.8339.4241.1549.152）电感隔离电感选择用铜线绕制的2.2µH、4.2µH、6.1µH、8µH，由图3-16和表3-5数据可知，随着电感参数增大，脉冲前沿、幅值均增大。仿真结果与实验结果能够较好的拟合，各电感参数下，脉冲前沿与幅值的误差分别小于8.5%与5%。表3-5电感隔离脉冲实验结果电感/μH2.24.26.18幅值/kV110115125135前沿/ns20.226.2229.8334.6（a）实验结果（b）仿真结果图3-16实验中电感隔离对脉冲波形影响3）电容隔离电容选择280pF、560pF、860pF以及1070pF的高压陶瓷电容器。由图3-17与表3-6可知，电容隔离对脉冲幅值、前沿的影响较小。仿真与实验误差较大的是电容280pF，脉冲幅值误差为6.92%，前沿误差为7.8%。（a）实验结果（b）仿真结果图3-17电容隔离对脉冲波形影响表3-6电容隔离脉冲实验结果电容/pF2805608601070幅值/kV111.7118.33121.97130.5前沿/ns40.2541.0941.8841.741.3触发隔离方式对开关同步特性影响1.1.1FLTD双支路并联触发击穿模型在触发隔离效果研究中，一支路提前击穿时，观察其余支路脉冲波形变化，可以使用双支路触发隔离效果说明多支路并联时各触发隔离方式的不同影响。在仿真、实验过程中采用双支路并联运行，研究触发隔离方式不同以及隔离元件参数不同时的隔离效果。图3-18所示为双支路并联触发模型，触发源输出脉冲经传输线、隔离元件输出至第一支路的触发极。在第一支路隔离元件前端，连接导线，并通过第二支路的隔离元件输出脉冲至第二支路的触发极。图3-18双支路电路等效模型1.1.2双支路并联时不同触发隔离方式对脉冲波形的影响在双支路运行时，两支路均为未触通状态，FLTD并联两支路仿真电路如图3-18所示。第二支路（远离触发脉冲输入端的支路）通过500nH的线路电感，连接至第一支路的隔离前端。图3-19所示为双支路运行时不同触发隔离方式对触发脉冲波形的影响。触发隔离对脉冲参数的影响如表3-7至3-9所示。表中峰值1为支路1的最高脉冲幅值，峰值2为支路2的第一周期脉冲峰值，tr1、tr2分别为支路1、支路2的脉冲前沿。（a）双支路电阻隔离（b）双支路电感隔离（c）双支路电容隔离图3-19双支路不同触发隔离方式下每支路中间电极脉冲波形电阻隔离阻值选取300Ω、500Ω、800Ω，由表3-7中数据结果可知，相对与单支路运行，双支路运行时支路1与支路2脉冲前沿均增大，前沿均增加了1ns左右；同时两支路脉冲幅值均下降，支路1脉冲电压幅值下降2kV，支路2脉冲电压下降0.7kV，由于回路电感的存在，使得支路2的脉冲幅值高于支路1。表3-7双支路运行时电阻隔离对脉冲参数的影响电阻/Ω峰值1/kV峰值2/kVtr1/nstr2/ns300-120.90-122.1241.4744.02500-115.99-116.9244.4245.12800-108.84-109.4845.4846.282）电感隔离选取4µH、6µH、8µH三种电感参数，由图3-19（b）以及表3-8可知，双支路运行时支路1与支路2的脉冲前沿均高于单支路运行时的脉冲前沿；两支路脉冲幅值均小于单支路运行时的脉冲电压幅值。支路2的脉冲前沿高于第一支路1-2ns；支路2的脉冲幅值高于第一支路6-8kV。表3-8双支路运行时电感隔离对脉冲参数的影响电感/µH峰值1/kV峰值2/kVtr1/nstr2/ns4-125.35-131.3621.5325.536-144.88-150.2329.1131.718-158.9-162.432.9734.933）电容隔离选取560pF、800pF的容值，支路1与支路2脉冲参数如图3-19（c）及表3-9所示，双支路运行时支路1与支路2的脉冲峰值均高于单支路运行的结果，支路2电压脉冲幅值高于第一支路2kV，高于单支路的脉冲电压3kV。与单支路脉冲前沿相比，两支路的脉冲前沿增加了2-3ns，支路1前沿高于支路1.5ns左右。表3-9双支路运行时电容隔离对脉冲参数的影响电容/pF峰值1/kV峰值2/kVtr1/nstr2/ns280800-130.28-131.62-132.54-131.9450.9651.0351.3552.42综上，在双支路运行时，三种隔离方式支路2的脉冲电压幅值均高于支路1；采用电容隔离，脉冲电压在双支路运行的脉冲幅值高于单支路运行的结果，电容参数改变对固定支路脉冲参数影响较小，造成支路间脉冲参数改变的主要原因在于连接线路的寄生电感，电容隔离时各支路脉冲上升沿、幅值变化小；在保证连接线路内感较小时，各支路触发极的脉冲一致性较高，降低开关因脉冲参数差异而导致的放电分散性。电感隔离时可产生高脉冲幅值；在隔离电感与线路电感的作用下各支路脉冲参数差值较大，增大各支路开关的分散性。电阻隔离时，双支路的脉冲电压幅值低于单支路，同样各支路脉冲参数差值小，利于降低开关放电分散性。1.1.3不同触发隔离方式下提前击穿对脉冲参数影响仿真1）支路2触发击穿仿真设置支路2模型中的两时控开关，触发间隙的时控开关在310ns时闭合，触发间隙导通，过压间隙的时控开关319ns时闭合，此时支路2开关击穿回路放电，支路1触发极脉冲参数如图3-20所示。（a）隔离电阻前后脉冲电压（b）隔离电感前后脉冲电压（c）隔离电容前后电压图3-20不同隔离方式时支路1隔离前后脉冲波形电阻隔离时，脉冲电压在负幅值内震荡，在支路1触发击穿后，中间电极的脉冲电压减小至95kV；中间电极高压维持时间为56.5ns。电感隔离时，隔离电感前的电压为80kV，经过隔离电感后电压升至114.5kV，中间电极电压维持时间为27.1ns。电容隔离时，在支路2中间电极迅速改变时，支路1隔离前脉冲电压迅速上升，隔离电容不适合独立作为隔离元件应用于FLTD。2）双支路隔离效果实验研究研究双支路时触发隔离的效果，其实验条件是第一支路击穿后，测量第二支路未触通时，开关触发极电压变化趋势。实验研究中，由于实验条件限制，第二支路为未触通状态。其连接方式如上图2-7所示，在第一支路隔离前连接等效后的第二支路。（1）电阻隔离电阻双支路时，隔离效果如图3-21所示，电阻参数选择150、300、1000Ω。随着电阻增大，中间电极脉冲前沿增大，并且高压幅值以及高压维持时间增大，参数变化规律与仿真一致。FLTD选择电阻元件作为触发隔离时，电阻过小时脉冲前沿小，但隔离效果差；电阻越大，隔离效果越好相应的脉冲前沿幅值增大。因此电阻的选择中间范围的阻值，本文中选择范围为100Ω-1000Ω。图3-21支路1击穿电阻隔离时支路2脉冲波形（2）电感隔离电感隔离方式，电感增大，中间电极脉冲电压越大，高压维持时间越长。仿真与实验变化趋势一致，脉冲幅值误差小于6%，前沿误差最大7.1%，仿真与实验误差在工程误差范围内，仿真与实验拟合较好。同样，电感越大脉冲前沿越大，隔离效果越好，电感选择范围为2-10µH。（a）实验波形（b）仿真图3-22支路1击穿电感隔离时支路2的脉冲波形综上所述，在单支路隔离中电感隔离时，中间电极获得较大的脉冲幅值，短脉冲前沿；电阻隔离能够维持高压的时间最长，且电压极性不会反转，电阻越大隔离效果越好；电感隔离也能维持较高的脉冲电压；电容缺乏瞬态隔离，在电压瞬间变化时没有隔离效果。在高频状态工作时，电容为低阻状态，隔离效果弱，同时电容两端电压不能突变，在中间电极电压迅速改变时，隔离电容前的电位相对应的迅速改变，因此电容隔离效果最差。1.4隔离方式的优化1.4.1优化隔离方式的仿真研究电阻隔离，随着支路数的增大，各支路脉冲电压幅值减小，两支路的脉冲前沿相差小，即在多支路同时并联工作时能够减小放电分散性。当一支路提前击穿时，电阻隔离效果最好，使得另一支路可靠放电；电阻越大隔离效果越好，但电阻越大使得脉冲电压幅值越小。电感隔离可以得到较高的电压幅值，相对于电阻、电容较短的脉冲前沿，电感进一步增加将导致脉冲前沿变缓，使气体开关触发击穿延时增大，不利于降低开关触发击穿抖动。电容隔离在一支路提前击穿时，隔离前后电压迅速同时变化，隔离效果差，若要用作隔离元件需要同其他隔离方式相配合。基于三种触发隔离方式的优缺点可知，要提高触发隔离效果，可以通过采用混合隔离方式。目前可用的混合隔离方式有：电阻和电感串联以及电阻和电容串联隔离。电阻与电感串联隔离，电阻隔离弥补电感隔离多支路并联时前沿变化浮动大，同时降低前沿，电感隔离的高幅值弥补电阻隔离出现支路电压幅值下降问题，可在提高触发脉冲幅值的条件下获得较好的隔离效果。电阻起主要隔离作用，串联后体积大，占用空间，增大元件绝缘问题；同样电容与电阻隔离无法起到提高脉冲幅值或降低脉冲前沿的作用，因此电阻与电容串联不适用于工程应用。在优化中主要考虑电阻与电感串联的隔离方式。1）电阻和电感串联隔离（阻感隔离）（1）阻感隔离方式对脉冲参数影响的仿真研究为保证短脉冲前沿，选择使得脉冲前沿在43ns（纯电阻隔离）内的隔离电阻，阻值为100Ω、300Ω、500Ω。在阻感隔离方式中选择电阻300欧，电感分别选择2µH、4µH、8µH。仿真结果如图3-23所示，在串联中，随着电感的增大，脉冲峰值增大。具体参数如表3-10所示。相对于电感隔离增加电阻使得脉冲前沿增大、幅值减小。由3-23可知，电感参数固定时，增大电阻使得上升沿增大；电阻一定时，增大电感数值，脉冲电压增加，相对于电阻隔离时，脉冲前沿前沿呈现先减小后增大的趋势，以此可选择适当参数使得触发极可获得高幅值、短前沿触发脉冲。（a）变量电感参数（b）变量电阻参数图3-23阻感隔离时不同元件参数对脉冲波形的而影响表3-10阻感隔离方式对脉冲参数的影响隔离方式峰值/kVtr/nsR300-122.8742.98R300+L2-12641.94R300+L4-128.4838.44R300+L8-14337.35R300+L10-15040.4（2）电阻电感串联的隔离效果仿真图3-24为阻感隔离方式时，支路2提前击穿，支路1隔离前的脉冲波形、中间电极的电压波形变化。由图3-24（a）、（b）可知，电感固定不变，电阻越大，脉冲高压维持时间（电压高于50kV）时间越长，隔离效果越好，高于纯电感的隔离效果；隔离前、中间电极电压幅值下降小；中间电极处上升沿增大。由图3-24（c）和（d）可知，当电阻一定时，增大电感，脉冲幅值、前沿增大；电感越大，隔离前脉冲电压下降电压越小，并且上升电压越高，中间电极电压高压维持时间增大。可知在阻感隔离方式中，增大电阻参数，触发隔离效果增强，但脉冲幅值降低、前沿增大；增大阻感隔离中的电感参数，脉冲电源前沿增大，脉冲幅值增大。（a）电阻参数对隔离前脉冲波形影响（b）电阻参数对中间电极脉冲波形影响（c）电感参数对隔离前脉冲波形影响（d）电感参数对中间电极脉冲波形影响图3-24阻感隔离方式中电阻对隔离前脉冲、中间电极电压的而影响仿真2）电阻与电容串联的隔离方式（阻容隔离）（1）阻容隔离方式对脉冲参数影响仿真电阻电容串联隔离方式，选择100-500Ω的电阻，280pF、560pF、800pF的电容，阻容参数改变时对脉冲波形的影响如图3-25与表3-11所示。单支路正常工作时，随着电容的增大，脉冲幅值增大，但幅值均小于纯电阻隔离；前沿变化小。当电容选择560pF时，电阻选择100Ω、300Ω、500Ω。与电容相比，当电阻增大时，幅值减小，前沿基本不变。相对于纯电阻隔离，阻容隔离使得中间电极电压幅值下降，前沿基本不变。表3-11电容对中间电极脉冲参数的而影响隔离方式峰值/kVtr/nsR300-122.8742.98C560-129.1444.92R300+C280-115.3142.934R300+C560-118.9942.95R300+C800-120.1442.965C560+R100-124.5341.96C560+R500-114.3741.18（a）电容对脉冲电压的而影响（b）电阻对脉冲电压的而影响图3-25阻容隔离电阻、电感对中间电极脉冲电压的影响（2）阻容隔离方式的隔离效果图3-26所示为采用阻容隔离支路2提前击穿时，阻容参数改变对支路触发极脉冲波形影响的仿真研究。电阻为固定参数，增大电容数值对支路触发极脉冲参数影响较小；当电容参数不变，随着电阻的增大隔离前电压下降幅度减小，维持高压时间增长。由图3-26（b）可知，当支路2触发击穿时，主要由300Ω的电阻起到隔离作用，其阻容隔离效果同300Ω纯电阻隔离基本相等。因此在选择阻容隔离时，隔离电阻不能过小，选择大电容提高脉冲幅值，电容参数大小对脉冲前沿影响较小。阻容隔离方式不适用于工程实际应用。（a）电容参数对隔离前脉冲波形影响（b）电容参数对中间电极脉冲波形影响图3-26触发间隙击穿电容、电阻对隔离前脉冲电压的影响1.4.2优化隔离方式的实验研究1）阻感隔离方式对脉冲波形的影响由表3-12中数据可知，在电阻一定时，增大电感，使得脉冲幅值增大，高电压幅值有利于开关触发击穿，此时电感越大越有利于增大脉冲幅值。同时，电感增大触发脉冲前沿先减小后增大，一定参数的电感可以降低脉冲前沿，但电感过大使得脉冲前沿增大，将增大开关抖动，降低FLTD模块的输出特性，因此电感选择不易过大。由下图3-27所示，增大电阻降低脉冲幅值，同时增大脉冲前沿，因此电阻不易选择过大。表3-12阻感隔离方式时不同元件的隔离参数对脉冲波形的而影响阻感R300+L2R300+L4R160+L8R300+L8幅值/kV106.88111.13128.15121.25前沿/ns36.7131.9331.235.78（a）脉冲与电感参数的关系（b）脉冲与电阻参数