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磁壓縮脈沖發(fā)生器的仿真與研究

2019-10-15 07:29
關(guān)鍵詞:磁芯柵極電感

(上海理工大學(xué) 光電與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

目前,高功率脈沖發(fā)生器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,如高功率微波[1]、高能激光[2]、等離子體的產(chǎn)生與應(yīng)用[3]、食品加工、節(jié)能環(huán)保等,開(kāi)關(guān)是大功率脈沖發(fā)生器中最重要的器件,如火花隙開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、磁開(kāi)關(guān)等。磁開(kāi)關(guān)相比火花隙開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān),具有功率高、耐壓高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。磁脈沖壓縮技術(shù)能有效地陡化和壓縮脈沖,很大程度上提高脈沖的上升沿,減小了其他大功率開(kāi)關(guān)的損耗問(wèn)題,而且無(wú)觸點(diǎn)閉合動(dòng)作,有較強(qiáng)的可重復(fù)性。脈沖的重復(fù)頻率進(jìn)一步提高,大大提高了脈沖形成單元的性能[4-6]。在實(shí)際應(yīng)用中磁壓縮脈沖發(fā)生器能夠輸出上升沿幾十到幾百納秒、幅值10 kV以上的高壓脈沖。本研究介紹了應(yīng)用于水中放電的磁壓縮脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真,論述了漏感對(duì)磁壓縮發(fā)生器的影響及減小漏感的方法,并介紹了一種直流復(fù)位電路清理剩磁。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)頻率、脈寬、相位和占空比可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)通常替代傳統(tǒng)的氣體、液體開(kāi)關(guān)。由于 MOSFET(field effect transistor)、IGBT(insulated gate bipolar transistor)完全開(kāi)通時(shí)間在幾十到幾百納秒,考慮到IGBT的通流耐壓能力比MOSFET好且其通態(tài)壓降低,本文通過(guò)仿真軟件PSPICE設(shè)計(jì)一種三極管電壓反向放大延時(shí)電路封裝開(kāi)關(guān)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)在功率、導(dǎo)通速度、恢復(fù)時(shí)間等開(kāi)關(guān)性能與實(shí)際應(yīng)用中選用的IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)相對(duì)應(yīng),對(duì)磁壓縮電路起到很好的輔助作用。PSPICE自帶Model Editor功能屬性,根據(jù)磁性材料的物理特性參數(shù),選用鐵基納米晶磁芯在Model Editor中創(chuàng)建磁開(kāi)關(guān)模型并添加封裝庫(kù),磁開(kāi)關(guān)模型能夠很好地模擬 MPC(magnetic pulse compression)在實(shí)際應(yīng)用中電壓電流逐級(jí)壓縮的工作狀態(tài)。

1 磁壓縮脈沖發(fā)生器原理

本研究所設(shè)計(jì)的磁壓縮脈沖發(fā)生器主要由充電系統(tǒng)、中間儲(chǔ)能、磁開(kāi)關(guān)SI與升壓變壓器ST組成。磁壓縮脈沖發(fā)生器工作原理如圖1所示。圖中:T1為常開(kāi)開(kāi)關(guān);T2為IGBT開(kāi)關(guān);LOAD為負(fù)載。

圖1 磁壓縮脈沖發(fā)生器Fig.1 Magnetic compression pulse generator

該發(fā)生器產(chǎn)生脈沖的過(guò)程如下:直流系統(tǒng)中,高壓直流電源輸出1 kV電壓給電容C1充電,磁開(kāi)關(guān)SI1初始化到負(fù)的飽和磁通量密度處,當(dāng)C1兩端電壓開(kāi)始上升時(shí),SI1兩端電壓也開(kāi)始上升,磁芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之增加。由于SI1未飽和,其有很大阻抗,此時(shí)等效為斷路,因此C2上的電壓幾乎不變,維持在0,SI1中電流也近似為0,SI1兩端承受的電壓近似等于C1上的電壓并滿足伏秒積平衡方程式。當(dāng)C1兩端電壓達(dá)到最大值時(shí),SI1磁芯內(nèi)部的磁通量密度達(dá)到正的飽和處,磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率急劇下降,SI1的阻抗瞬間減小飽和開(kāi)通,等效為短路,此時(shí)存儲(chǔ)在C1的能量開(kāi)始向C2傳送。SI1起到磁輔助功能,使開(kāi)關(guān)T2零電壓開(kāi)通零電流關(guān)斷,消除電壓與電流的重疊區(qū),開(kāi)關(guān)損耗降到最小。SI1材質(zhì)是MnZn鐵氧體,直流工作狀態(tài)下MnZn鐵氧體除了有良好的電磁特性,還有良好的直流疊加特性,疊加直流偏置下,鐵芯的可逆磁導(dǎo)率下降幅度小。當(dāng)電荷量從C1全部轉(zhuǎn)移到C2的瞬間,磁開(kāi)關(guān)SI2飽和導(dǎo)通,形成C2-SI2-C3諧振放電回路。同理,當(dāng)電荷量從C2全部轉(zhuǎn)移到C3的瞬間,SI3飽和導(dǎo)通,C3對(duì)負(fù)載放電,最終在負(fù)載上面輸出一個(gè)高壓脈沖。磁開(kāi)關(guān)實(shí)際是纏繞在可飽和磁芯上的繞組,利用磁性材料的非線性特性,磁開(kāi)關(guān)的感抗隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的變化而急劇下降,飽和磁導(dǎo)率比未飽和時(shí)小數(shù)個(gè)量級(jí)。正是磁開(kāi)關(guān)這一特性使得儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的能量在短時(shí)間內(nèi)得到釋放,從而達(dá)到脈沖壓縮的目的[7-11]。本文選用的磁開(kāi)關(guān)材質(zhì)是鐵基納米晶磁芯,納米晶磁芯的磁導(dǎo)率、矯頑力Hc接近晶態(tài)高坡莫合金和鈷基非晶,是一種高性能的軟磁材料。雖然納米晶磁芯的剩余磁感低于鐵基非晶和硅鋼,但其在高磁感下具有更低的高頻損耗,且耐腐蝕性和磁穩(wěn)定性更好。納米晶磁芯與MnZn鐵氧體相比,工作頻率低于50 kHz時(shí),在更低損耗基礎(chǔ)上具有高出鐵氧體2~3倍的工作磁感。

2 IGBT開(kāi)關(guān)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)及PSPICE模型

T2開(kāi)關(guān)控制磁壓縮脈沖發(fā)生器的工作頻率,由于磁開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由其承受的伏秒數(shù)決定,觸發(fā)信號(hào)脈寬、周期和相位隨著電壓幅值的變化而變化。圖2所示為IGBT開(kāi)關(guān)特性測(cè)試電路,研究了柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓和集電極電阻R1對(duì)IGBT開(kāi)通關(guān)斷速度的影響,實(shí)驗(yàn)所選用IGBT型號(hào)為IXYH50N120C3D1,確定此型號(hào)下IGBT參數(shù)及開(kāi)關(guān)特性。

圖2 IGBT 開(kāi)關(guān)特性測(cè)試電路Fig.2 IGBT switching characteristic of the test circuit

電容C1充滿電后,IGBT柵極施加驅(qū)動(dòng)信號(hào),IGBT開(kāi)通,C1經(jīng)電阻R1、IGBT形成放電回路。柵極電阻設(shè)定在10Ω,由于柵極電阻過(guò)小可以增大開(kāi)關(guān)速度,降低開(kāi)關(guān)損耗,避免因dV/dt的誤導(dǎo)通。缺點(diǎn)是電路中雜散電感的存在容易導(dǎo)致IGBT上產(chǎn)生電壓尖峰,柵極承受噪聲能力減弱,進(jìn)而出現(xiàn)寄生震蕩,甚至過(guò)壓擊穿。電阻過(guò)大,充放電速度削弱,開(kāi)通時(shí)間開(kāi)關(guān)損耗增大。

柵極電阻R2不變的情況下,電源電壓V1設(shè)定在170V,高壓探頭放在IGBT的C極,集射極電壓VCE如圖3所示。隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓V2的增大,IGBT的開(kāi)通速度越來(lái)越快,即dVCE/dt越來(lái)越大,但dVCE/dt增大得越來(lái)越慢。V2幅值在10V時(shí),開(kāi)通速度最慢且拖尾嚴(yán)重;在20V時(shí),開(kāi)通速度最快,加入反向穩(wěn)壓管起到鉗位保護(hù)的作用。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓V2的改變對(duì)IGBT的關(guān)斷速度幾乎沒(méi)有影響,即改變V2,電壓變化率dVCE/dt仍保持一致。

圖3 V2 對(duì) IGBT 開(kāi)通速度的影響Fig.3 Influence of V2 on the opening speed of IGBT

驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓15 V、R2不變的情況下,選取3種電阻,R1為 10 Ω,5 kΩ和 100 kΩ,分別測(cè)出IGBT集射極電壓在3種電阻下的變化情況。對(duì)dVCE/dt即開(kāi)關(guān)速度進(jìn)行比較,如圖4所示。3種電阻下取每條曲線下降沿中間一段,計(jì)算出每條曲線下降沿的電壓變化率dVCE/dt約為-0.625 V/ns,得出集電極電阻對(duì)IGBT的開(kāi)通速度幾乎沒(méi)有影響。

圖4 R1 對(duì) IGBT 開(kāi)通速度的影響Fig.4 Influence of R1 on the opening speed of IGBT

但在實(shí)驗(yàn)中觀察到R1的變化影響IGBT關(guān)斷速度,主要因?yàn)镮GBT存在寄生電容,包括等效輸入電容Cies、等效輸出電容Coes、轉(zhuǎn)移電容Cres。其中:Cies=Cgc+Cge;Coes=Cgc+Cce;Cres=Cgc(Cgc表示柵極、集電極間寄生電容;Cge表示柵極、發(fā)射極間寄生電容;Cce表示集電極、發(fā)射極間寄生電容)。尤其是Coes,在R1較大,集電極電流較小時(shí),影響最大,即R1越大,IGBT的關(guān)斷速度越慢。實(shí)驗(yàn)中所選探頭型號(hào)為PMK PHV 641-L,示波器是Tektronix公司的MSO3000-DPO3000。

在IGBT開(kāi)關(guān)特性和磁壓縮脈沖發(fā)生器實(shí)驗(yàn)中選用的IGBT型號(hào)均為IXYH50N120C3D1,由于PSPICE元件庫(kù)中沒(méi)有實(shí)驗(yàn)中所選用的IGBT型號(hào),故仿真中設(shè)計(jì)了常規(guī)型號(hào)IGBT驅(qū)動(dòng)厚基區(qū)高壓4H-SiC BJT的開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)中選用的IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)的對(duì)應(yīng),實(shí)現(xiàn)功率、導(dǎo)通速度、恢復(fù)時(shí)間等開(kāi)關(guān)性能與實(shí)際工作保持一致,與SI1起到磁輔助軟開(kāi)關(guān)的作用,并對(duì)此開(kāi)關(guān)電路封裝,取名為L(zhǎng)_BJT_IGBT,如圖5所示。圖中:NET代表網(wǎng)絡(luò)端口;L0為電感;TD為開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間;TR為信號(hào)上升時(shí)間;TF為信號(hào)下降時(shí)間;PW為半峰寬;PER為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期。

圖5 開(kāi)關(guān)電路 L_BJT_IGBTFig.5 Switching circuit L_BJT_IGBT

矩形框中選用10 nH的電感、BJT(三極管)、IGBT。電源電壓V1設(shè)定在170 V,和前面測(cè)得的IGBT開(kāi)關(guān)特性實(shí)驗(yàn)電源電壓保持一致,限流電阻R1對(duì)開(kāi)關(guān)模塊開(kāi)通速度沒(méi)有影響(圖4已驗(yàn)證)。工作中首先V1經(jīng)過(guò)R1對(duì)C1充電,開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間TD=0.7 μs時(shí),在IGBT柵極施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào),進(jìn)而IGBT驅(qū)動(dòng)BJT開(kāi)通,形成一個(gè)L-C振蕩回路。TD設(shè)為0.7 μs,開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間小于磁壓縮脈沖發(fā)生器中SI1飽和開(kāi)通時(shí)間1.5 μs,通過(guò)MPC仿真結(jié)果便于觀察SI1是否起到磁輔助的功能。工作頻率設(shè)定在500 Hz,傳統(tǒng)大功率Si BJT只能承受幾百伏電壓,4H-SiC BJT是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),內(nèi)部由多個(gè)元包單元并聯(lián)而成[12]。SiC材料比Si材料多一個(gè)數(shù)量級(jí)的臨界電壓擊穿電場(chǎng),SiC半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)關(guān)斷漂移層比Si器件更薄且摻雜濃度更高,使得SiC半導(dǎo)體比傳統(tǒng)Si器件導(dǎo)通電阻更低,具有更高的載流子飽和密度,可以承受一千多伏甚至更高電壓,具備更高的工作頻率、工作溫度。開(kāi)關(guān)模塊L_BJT_IGBT框圖內(nèi)部IGBT的輸入信號(hào)在基極和發(fā)射極之間,輸出信號(hào)則取自集電極和發(fā)射極之間,相當(dāng)于一個(gè)三極管電壓反向放大延時(shí)電路,電流增益和通態(tài)壓降均能達(dá)到最小,在降低開(kāi)關(guān)損耗的同時(shí)提高了開(kāi)通速度。

用PSPICE建立L_BJT_IGBT模型,添加到庫(kù)中以備用。首先在PSPICE中點(diǎn)擊Create Netlist生成網(wǎng)絡(luò)表,View Netlist,在桌面新建一個(gè)記事本,將網(wǎng)絡(luò)表語(yǔ)句復(fù)制到其中,格式改為.lib格式。然后在Model Editor中打開(kāi),把網(wǎng)絡(luò)表中的語(yǔ)句修改成子電路描述的標(biāo)準(zhǔn)格式,保存為以.subckt作為起始語(yǔ)句,以.ends作為結(jié)束語(yǔ)句的.mod文件,其中.subckt和.ends之間的語(yǔ)句是器件的連接方式和屬性[13]。L_BJT_IGBT模型封裝庫(kù)語(yǔ)句編寫(xiě)如下:

.subckt L_BJT_IGBT IN OUT

L_L0 IN NET1 10 nH

Q_BJT OUT NET2 NET1 4H-SiC BJT

Z_IGBT NET2 NET3 OUT CM300HA-24H

V_V2 NET3 OUT+PULSE 0 20 v 0.7 us 1 ns 1 ns 1 ms 2 ms

.ends L_BJT_IGBT

CM300HA-24H是PSPICE元件庫(kù)中自帶的常規(guī)型號(hào)IGBT,L_BJT_IGBT封裝開(kāi)關(guān)模型電路如圖6所示。將.lib文件導(dǎo)出為.olb文件,仿真時(shí)將.lib文件導(dǎo)入 PSPICE的 Simulation Settings中,選擇configuration file,點(diǎn)擊 Addas Global按鈕,將其添加為全局庫(kù)。

圖6 L_BJT_IGBT 模型電路Fig.6 Test circuit of L_BJT_IGBT model

3 磁開(kāi)關(guān)的PSPICE模型

3.1 磁滯回線

環(huán)形磁芯繞制而成的磁開(kāi)關(guān)通常要求磁芯材料滿足如下條件[4,14]:磁開(kāi)關(guān)的非線性電感需有良好的開(kāi)關(guān)特性,即其鐵心材料應(yīng)具有很好的矩形系數(shù),即矯頑力Hc要盡量小,矩形比(剩磁比)Br/Bs越接近于1越好。Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖7所示磁滯回線表示磁性材料的特性是磁性開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)[15],在曲線每一側(cè)飽和點(diǎn)P和Q附近。磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率的曲線斜率變化很大,根據(jù)式(1),可以看出繞組的感抗急劇減小。若分別以μu,μs表示磁飽和前后磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率,以Lu,Ls表示磁飽和前后磁芯的電感量,顯然μu> >μs,故有Lu> >Ls,亦即磁芯在磁飽和前后其電感量會(huì)發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的銳減。

圖7 鐵磁材料的磁滯回線Fig.7 Hysteresis loop of ferromagnetic material

式中:LMS為鐵磁材料的電感;μ0,μr分別表示真空和磁性材料的磁導(dǎo)率;δ為磁開(kāi)關(guān)的占空比;N為繞組的匝數(shù);H,Dout,Din分別表示磁開(kāi)關(guān)的高度、外徑和內(nèi)徑。通常μ0=4π×10-7。

根據(jù)磁開(kāi)關(guān)的伏秒積平衡方程式可知,電感兩端承受的電壓對(duì)時(shí)間的積分始終和繞組匝數(shù)、磁芯截面積磁通密度變化量三者的乘積保持相等。因此,當(dāng)電感所承受的伏秒積增大到一定值時(shí),磁通密度不斷增大,磁芯工作點(diǎn)進(jìn)入B-H曲線的飽和段。可見(jiàn),通過(guò)控制電感兩端的伏秒積就可以控制電感的飽和與否。

式中:V(t)為磁開(kāi)關(guān)兩端電壓;ΔB為磁通密度變化量;Am為磁開(kāi)關(guān)的橫截面積。

3.2 磁開(kāi)關(guān)用PSPICE建模

對(duì)磁壓縮電路進(jìn)行PSPICE仿真驗(yàn)證,仿真中SI1,SI2和SI3參數(shù)與MPC在實(shí)際應(yīng)用中保持一致,SI2和SI3選用同型號(hào)磁芯繞組。SI1和SI2(SI3)的外徑、內(nèi)徑、高度尺寸分別為64,40,25 mm 和66,40,26 mm。表1、表2分別為MnZn鐵氧體磁開(kāi)關(guān)和鐵基納米晶磁開(kāi)關(guān)參數(shù)。表中:l為磁路長(zhǎng)度;Am為磁芯橫截面積;g為磁芯間隙。

表1 SI1 參數(shù)Tab.1 SI1 parameters

表2 SI2(SI3)參數(shù)Tab.2 SI2(SI3)parameters

由于 PSPICE軟件中自帶有 Model Editor功能,利用其創(chuàng)建磁開(kāi)關(guān)模型,選擇Magnetic Core,考慮到磁芯繞組非線性,故選擇Nonlinear Ferrite,把鐵芯磁性材料的參數(shù)輸入到Model Editor中。保存后將.lib文件導(dǎo)出為.olb文件,添加到PSPICE庫(kù)。選中常規(guī)的電感元件圖標(biāo),打開(kāi)其屬性設(shè)置將生成的.olb文件添置到Implementation Path,電感的參數(shù)Value表示磁開(kāi)關(guān)的匝數(shù)。仿真時(shí)再將.lib文件導(dǎo)入PSPICE的Simulation Settings中,選擇configuration file,點(diǎn)擊 Add as Global按鈕,將其添加為全局庫(kù)。若創(chuàng)建快前沿變壓器型磁壓縮開(kāi)關(guān),選擇Breakout庫(kù)中帶鐵芯式XFRM_NONLINEAR,添置庫(kù)方式同上。

4 磁壓縮脈沖發(fā)生器仿真

圖8所示創(chuàng)建的開(kāi)關(guān)模型U1應(yīng)用到磁壓縮脈沖發(fā)生器的仿真電路中,發(fā)生器工作頻率控制在500 Hz。圖中,I1,I2為電流??紤]到磁開(kāi)關(guān)中勵(lì)磁電流由零開(kāi)始線性增長(zhǎng),省掉磁芯復(fù)位電路,勵(lì)磁電流將在本周期結(jié)束的剩余值基礎(chǔ)上累積增加,從而導(dǎo)致磁開(kāi)關(guān)勵(lì)磁電感飽和。勵(lì)磁電感飽和后勵(lì)磁電流迅速增長(zhǎng),最終損壞電路中的開(kāi)關(guān)元件。采用直流復(fù)位電路清理磁芯內(nèi)的剩磁,如圖8虛線框圖所示,保證重頻工作狀態(tài)下每個(gè)周期輸出脈沖幅值相等。仿真磁開(kāi)關(guān)模型為理想元器件,實(shí)際應(yīng)用中磁通量在通過(guò)納米晶磁芯構(gòu)成的磁路時(shí)有一部分漏入空氣,在空氣中形成閉合磁路從而產(chǎn)生漏磁。漏感的存在,當(dāng)開(kāi)關(guān)器件截止瞬間會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)易過(guò)壓擊穿開(kāi)關(guān)器件;漏感還可以與電路中的分布電容構(gòu)成振蕩回路,產(chǎn)生振蕩并向外輻射電磁能量,造成電磁干擾。繞組系數(shù)正比于漏感,對(duì)于簡(jiǎn)單的一次繞組和二次繞組取3,如果二次繞組與一次繞組交錯(cuò)繞制取0.85。繞組匝數(shù)的二次方正比于漏感,匝數(shù)控制在最少,繞組越寬越有利于減小漏感。變壓器PT繞組比值為 5∶50,電容C1設(shè)置為 2 μF,根據(jù)式(3),計(jì)算得出C2為 20 nF。

圖8 磁壓縮脈沖發(fā)生器仿真圖Fig.8 Simulation diagram of the magnetic compression pulse generator

式中,n為PT的繞組比值,且C2=C3,進(jìn)而得出C3取值亦為 20 nF。

SI1飽和開(kāi)通時(shí)間為1.5 μs,根據(jù)磁開(kāi)關(guān)的伏秒積平衡方程式(3)計(jì)算出SI1在使用一個(gè)鐵芯時(shí)需要繞組6匝。為了保證C2,C3足夠的充電時(shí)間,SI2,SI3飽和時(shí)間分別設(shè)置為 1.2,0.8 μs。同理,計(jì)算出SI2在使用2個(gè)磁芯時(shí)需要繞組7匝,SI3在使用1個(gè)磁芯時(shí)需要繞組9匝。仿真中采用L1,L2模擬實(shí)際電路中可能存在的雜散電感,電感量分別設(shè)置為 100 nH,1 μH。

圖9(a)所示為磁壓縮脈沖發(fā)生器模擬實(shí)際工作過(guò)程中C1,C2,C3,LOAD和U1上電壓波形,封裝開(kāi)關(guān)模型U1控制在0.7 μs時(shí)開(kāi)通,此刻降為 0。時(shí)延 0.8 μs,在 1.5 μs時(shí) SI1飽和開(kāi)通C1開(kāi)始對(duì)C2放電,通過(guò)這3條曲線可以看出SI1對(duì)開(kāi)關(guān)U1起到磁輔助軟開(kāi)關(guān)的功能,實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通零電流關(guān)斷。C2充電時(shí)間為1.2 μs,即在 2.7 μs時(shí)C2電壓達(dá)到幅值 9 kV,此時(shí)SI2飽和開(kāi)通C2對(duì)C3放電,C3充電時(shí)間為0.8 μs,即在 3.5 μs時(shí)C3電壓達(dá)到幅值,此刻SI3飽和開(kāi)通對(duì)負(fù)載放電。由仿真結(jié)果可以看出各級(jí)電容的充放電時(shí)間與設(shè)置的SI1,SI2和SI3飽和開(kāi)通時(shí)間基本一致。經(jīng)過(guò)兩級(jí)快前沿變壓器充電型磁壓縮器的壓縮,C2,C3和LOAD上得到的脈沖電壓的上升沿逐級(jí)陡化,最終在50 Ω純電阻性負(fù)載上輸出一個(gè)上升沿90 ns、幅值8.5 kV的高壓窄脈沖,前沿壓縮倍數(shù)為6.4,預(yù)脈沖約為0.3 kV。預(yù)脈沖電壓產(chǎn)生的原因主要是傳輸線與開(kāi)關(guān)及負(fù)載之間的電容耦合,約為主脈沖電壓的2%~4%。電容C2放電結(jié)束之后,其兩端電壓沒(méi)有降為0,這可能是由于PSPICE仿真計(jì)算中L2的感應(yīng)電勢(shì)導(dǎo)致,仿真中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)L2,情況會(huì)有所改善。脈沖下降沿主要受電阻阻值大小的影響,通過(guò)調(diào)節(jié)阻值來(lái)改變脈沖的下降沿。仿真輸出電壓低于10 kV是由于PSPIC軟件本身在計(jì)算中各個(gè)元器件上存在損耗。

圖9 仿真波形圖Fig.9 Simulation waveform diagram

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種能夠應(yīng)用于水中放電,輸出快前沿納秒級(jí)高壓窄脈沖的兩級(jí)磁壓縮脈沖發(fā)生器,磁開(kāi)關(guān)快恢復(fù)、高功率、高耐壓、穩(wěn)定性好的特性對(duì)輸出脈沖上升沿的陡化有著重要的作用,論述了漏感對(duì)磁壓縮發(fā)生器的影響及減小漏感的方法,并介紹了一種直流復(fù)位電路清理剩磁。通過(guò)PSPICE仿真軟件設(shè)計(jì)一種三極管電壓反向放大延時(shí)電路封裝開(kāi)關(guān)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)在功率、導(dǎo)通速度、恢復(fù)時(shí)間等開(kāi)關(guān)性能與實(shí)際選用IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)相對(duì)應(yīng),對(duì)磁壓縮電路起到很好的輔助作用。PSPICE元件庫(kù)本身沒(méi)有磁開(kāi)關(guān)模型和封裝開(kāi)關(guān)模型,本文創(chuàng)建的磁開(kāi)關(guān)模型很好地模擬了MPC在水中放電、介質(zhì)阻擋放電等應(yīng)用中電壓電流逐級(jí)壓縮的工作狀態(tài)。

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