Pspice子模块在脉冲功率装置电路模拟中的应用

介绍了Pspice子模块的建立方法;根据气体开关和强流二极管的工作原理,建立了能够较为准确描述这些部件工作过程的子模块;模拟了闪光二号加速器二极管正常工作和短路状态下的电压电流输出结果,二极管电压电流和阻抗模拟结果与实验结果基本一致。建模方法和参数控制方法可以用于阻抗非线性、工作过程复杂、随机性较大的部件的电路模拟,有利于使用大规模相同部件电路的参数控制。     

LabVIEW软件在模拟电路实验中的应用

虚拟仪器是现代实验的重要组成部分.通过采用虚拟仪器开发语言LabVIEW开发一个积分微分器,阐述基于LabVIEW的虚拟仪器在模拟电路实验中应用的实用性.     

阻尼作用下振子相图的电路模拟

电学量和力学量之间存在一一对应的关系,例如弹簧振子振动和LC电路的微分方程具有相同的形式.我们用电路系统在示波器中直接展现出电磁振荡过程,模拟了黏滞阻尼振动过程的相图.又利用稳压二极管模拟了摩擦阻力作用下弹簧振子振动的相图.将一道力学问题找到对应的电路模拟,在教学过程中具有启发意义.     

脉冲功率驱动器与Z箍缩负载耦合的全电路数值模拟

为了研究电磁能量从脉冲功率驱动器到Z箍缩负载的传输与转化过程,采用电路模型描述驱动器关键部件的充放电过程,采用辐射磁流体模型描述负载的动力学过程并获取动态电感和动态电阻参数,建立了驱动器与负载耦合的全电路数值模拟程序.将该程序应用于"强光一号"装置,研究表明,模拟获得的驱动器电压波形、负载电流波形与实验结果符合较好,各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大.在典型的钨丝阵Z箍缩辐射源物理实验条件下,当初级储能电容器充电35 kV时,中储电容处的电磁功率(峰值)为0.23 TW,上升时间(10%—90%)为550 ns,形成线处的电磁功率为0.80 TW,上升时间为160 ns,水介质传输线末端的电磁功率为1.46 TW,上升时间为45 ns.负载电流为1.5 MA,产生的X射线辐射功率为0.58 TW.     

TBM子模块冷却剂流量分析及结构改进设计

采用计算流体软件FLUENT对国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层模块(TBM)的子模块冷却剂流量分配进行三维数值模拟。结果表明,原有子模块冷却管道内氦气流量分配具有严重的不均匀性,导致冷却剂传热效率降低。为此,在对冷却剂流量进行三维数值模拟的基础上对相应的结构做了合理的改进设计,保证了实验包层模块及ITER的安全运行。     

半导体开关在脉冲功率技术中的应用

国内外脉冲功率技术的一个重要的发展趋势, 即高功率、长脉冲、高重频以及小型化, 由此以半导体器件为基础的全固态脉冲功率技术得到了广泛的关注和应用; 文章以晶闸管(SCR)、绝缘门双极晶体管(IGBT)以及半导体断路开关(SOS)的应用为例进行了说明; 对用晶闸管控制的充电系统、IGBT应用于Marx发生器和脉冲变压器驱动源以及半导体断路开关的应用做了较为详细的原理性说明, 并给出了一些实验结果. 半导体开关技术的应用在一定程度上解决了传统脉冲功率发生器装置中存在的短寿命, 低重复频率, 稳定性差等缺点, 具有广泛的应用前景.     

4 MV同轴-三平板型水介质自击穿开关的电路模拟与实验

在PTS单路样机上进行了4 MV水介质同轴-三平板型水介质自击穿开关实验研究,开关由3个线性排列的球-板结构的电极间隙构成。根据PTS单路样机部件组成及其结构,建立了单路样机Pspice全电路模型及开关等效电路。给出了开关在自击穿电压3.3 MV和2.9 MV状态下的电路模拟与实验对比,模拟结果与实验结果一致。实验及模拟结果表明,装置和开关模型与参数选取及设置合理,水介质自击穿开关的参数与实际值相近。     

4MV同轴-三平板型水介质自击穿开关的电路模拟与实验

在PTS单路样机上进行了4 MV水介质同轴-三平板型水介质自击穿开关实验研究,开关由3个线性排列的球-板结构的电极间隙构成。根据PTS单路样机部件组成及其结构,建立了单路样机Pspice全电路模型及开关等效电路。给出了开关在自击穿电压3.3 MV和2.9 MV状态下的电路模拟与实验对比,模拟结果与实验结果一致。实验及模拟结果表明,装置和开关模型与参数选取及设置合理,水介质自击穿开关的参数与实际值相近。     

补偿法在模拟测静电场中的应用

介绍两种利用补偿原理模拟测静电场的方法，消除了由于引入电压表而导致的系统误差。     

1维亚微米弹道二极管在不同外加电压脉冲下的数值模拟

 以适合亚微米器件的流体动力学模型为基础,建立了1维数值模拟程序,程序中采用耦合牛顿法求解非线性方程组。应用该程序对亚微米1维弹道二极管进行了瞬态数值模拟,分析了外加低电压和高电压脉冲情况下的电场强度、载流子浓度、载流子温度等参数的变化情况。低电压脉冲下的结果与文献一致;对于文献中并未开展的高电压脉冲下的模拟,得到了器件处于非正常工作状态的各参数分布曲线,并尝试用二次击穿理论对结果进行分析。结果显示:随着外电压的升高,载流子的碰撞电离将导致少子空穴浓度急剧增大,并达到与电子浓度相同的量级,这时在器件分析中空穴方程已不能省略,并且载流子浓度将取代掺杂浓度控制电势分布,并进而影响电场及电流密度,涌极附近电场将增强,电流密度也将迅速增加。结论可为研究瞬态电磁脉冲对2维器件的损伤效应提供参考。     

微波混频器高功率微波效应等效电路建立及仿真

利用先进设计系统软件设计并制作了单端混频器电路。开展了高功率微波注入效应实验,获得了一组损伤程度不同的混频器。通过测试二极管的伏-安特性曲线和分析失效机理,用拟合方法建立了损伤二极管的等效电路模型。基于此模型建立了损伤混频器等效电路,并对其被高功率微波损伤前后的输入输出特性进行了仿真计算,其变频损耗与混频器损伤后的实验测试结果相吻合。结果表明：损伤二极管的等效电路模型为在正常二极管结电阻两端并联一损伤等效电阻,其阻值大小反应了混频器的损伤程度,阻值越小,损伤越严重。     

变形蔡氏电路中的混沌控制及Pspice仿真研究

针对变形蔡氏系统设计了电路,并通过Pspice仿真软件对其进行电路仿真.利用正比于系统变量的周期脉冲扰动法对其混沌进行控制,得到较好的控制结果.实验结果表明,所设计的控制器只需调整脉冲控制源的周期、脉宽和幅值,即可实现对混沌运动的控制.     

采用单开关谐振电路的脉冲电源设计

谐振电路可以实现软开关,减小开关损耗,而广泛应用于电力电子领域。谐振电路工作在特定模式下可以产生脉冲形式电压,相较于其他脉冲发生器拓扑具有开关数量少、低开关损耗和低电磁干扰（EMI）的优点。谐振电路通常需要半桥或全桥转换器产生一个方波激励,本文提出了一种结合脉冲变压器和单开关谐振电路的脉冲电路,主电路只需使用一个半导体开关,便可通过谐振电路和脉冲变压器在副边得到高压脉冲,且可以实现零电流关断（ZCS）。对电路的工作过程进行了理论分析,并搭建了样机进行了带载实验。试验结果表明,在介质阻挡放电（DBD）负载上实现了频率为10～20 kHz、幅值为5～10 kV的正弦脉冲电压。该电路结构简单,成本低,安全可靠。     

不同频率高功率微波辐照下PCB电路的混合模拟

采用一个混合模拟方法研究计算了不同频率高功率微波(HPM)辐照下含有PIN限幅器的PCB电路上的耦合信号。该混合模拟方法基于瞬态电磁拓扑和器件/电路混合模拟技术,实现了场、路、器件的混合模拟,能够模拟计算出HPM辐照下屏蔽腔内PCB电路上的耦合信号。用该方法研究计算了频率分别为1,1.25和2.5 GHz的HPM在PCB电路上的耦合信号。计算结果表明：当PCB电路无屏蔽腔时,1 GHz HPM的耦合信号最大,而PCB电路有屏蔽腔时,2.5 GHz HPM的耦合信号最大;PIN限幅器在耦合信号较大时具有较好的抑制作用。     

激光电源脉冲功率切换电路仿真分析

激光电源脉冲功率切换电路稳定工作是电源可靠性的保证。电路参数选取直接影响晶闸管、二极管的工况,而晶闸管的良好工况是保证切换激光电源长期可靠运行的基本条件。基于PSCAD软件建立切换电路的仿真模型,重点仿真分析了阻容电路参数配置、限流电阻、并联晶闸管触发同步性对晶闸管和二极管的影响。仿真结果表明,电流上升率过大是晶闸管门极损坏的原因,关断支路中的反向过压是二极管损坏的原因。并针对实际电路,提出晶闸管二极管保护的优化配置方案。     

太赫兹器件测试用高重复频率高压脉冲电源

为了开展太赫兹器件试验研究,设计了高重复频率脉冲电源系统。电源输出脉冲电压30 kV,脉冲电流200 mA,最大重复频率3 kHz,脉冲宽度10~100 μs,采用本地PLC加远程计算机控制模式来实现电源的本控及遥控。对系统的核心部件：充电电源和脉冲开关的拓扑结构进行了研究,并开展了仿真和试验。结果表明：采用LC串联谐振恒流充电技术以提高充电电源工作效率以及在负载打火情况下的可靠性;基于MOSFET并进行优化设计的串联脉冲开关可以获得快速的脉冲前后沿。电源系统的输出指标满足负载工作要求,在高重复频率、打火条件下能够稳定工作。     

激光电源脉冲功率切换电路仿真分析

激光电源脉冲功率切换电路稳定工作是电源可靠性的保证。电路参数选取直接影响晶闸管、二极管的工况,而晶闸管的良好工况是保证切换激光电源长期可靠运行的基本条件。基于PSCAD软件建立切换电路的仿真模型,重点仿真分析了阻容电路参数配置、限流电阻、并联晶闸管触发同步性对晶闸管和二极管的影响。仿真结果表明,电流上升率过大是晶闸管门极损坏的原因,关断支路中的反向过压是二极管损坏的原因。并针对实际电路,提出晶闸管二极管保护的优化配置方案。     

基于漂移阶跃恢复二极管开关的脉冲源仿真计算

介绍了新型半导体开关漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的工作原理和特性,总结了基于半导体开关器件的脉冲源的发展现状及应用。基于DSRD的等效模型,建立了其正反向泵浦电路的仿真模型,按照输出电压参数的要求,对主储能电感、初级储能电感的取值进行了仿真计算分析,并得到了主回路各元件参数的最优值。通过仿真分析了MOSFET漏源端寄生电容与限压并联电容对输出参数的影响,得到了限压并联电容最优值为0.2 nF,通过计算与仿真得到隔直电容的最优值为100 pF。研制了一款可连续输出的脉冲功率源,其重复频率为1 MHz,脉冲前沿等于680 ps(20%~90%),电压幅值2 kV,半高宽1.5 ns。     

大电流纳秒级脉宽激光二极管驱动电路的设计

脉冲激光雷达探测的性能直接与激光束的质量和能量有关,而激光驱动电路则直接决定了脉冲激光的功率和脉冲宽度。基于半导体激光雷达探测系统的要求,设计出应用于激光雷达发射系统的大电流纳秒级脉冲半导体激光二极管的驱动电路。介绍了电路的系统结构和驱动级电路的模型及其理论分析,推导其电流数学模型计算公式,并对关键器件的选择进行了总结;运用SPICE仿真程序对驱动电路进行了仿真。制作了印刷电路板,得到峰值电流25A,脉宽15ns的脉冲电流,满足设计要求。