Pspice子模块在脉冲功率装置电路模拟中的应用

第２４卷第３期　２０１２年３月　

强　激　光　与　粒　子　束　

ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏ１．２４。Ｎｏ．３　

Ｍａｒ．，２０１２　

文章编号：１００１－４３２２（２０１２）０３—０６８９—０４　Ｐｓｐｉｃｅ子模块在脉冲功率装置电路模拟中的应用　

来定国，　谢霖桑　（西北核技术研究所，西安７１００２４）　摘　要：　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。　关键词：子模块；　电路模拟；强流二极管；　自击穿开关　中图分类号：　ＴＭ８３６　文献标志码：　Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２Ｏ１２２４Ｏ３．０６８９　

利用Ｐｓｐｉｃｅ建立电路模型模拟脉冲功率装置输出结果为脉冲功率装置设计和实验调试提供重要的参考　依据＿１剖。在脉冲功率装置中，一些部件具有相同的电路模型，例如脉冲功率储能单元、开关等，对于多台并联　的大型装置，由于单元部件数目较大，增加了电路建模和参数调整的难度，如果将一些相同部件建立子模块直　接调用，甚至可以将单台装置作为一个模块，这将会大大减小模拟计算的工作量。如何利用Ｐｓｐｉｃｅ软件提供　的元件描述各部件的工作过程是电路模拟中最重要的问题，尤其是一些阻抗非线性、工作过程复杂、随机性较　大的部件，例如开关和强流二极管　］。本文介绍了Ｐｓｐｉｃｅ子模块的建立方法，以气体开关和强流二极管为例　介绍了其工作过程的描述方法和参数控制方法，并结合“闪光二号”加速器实验结果进行验证。　

１　Ｐｓｐｉｃｅ子模块建立方法　１．１原理图绘制、生成ｎｅｔｌｉｓｔ文件　进人Ｐｓｐｉｃｅ电路绘制界面，绘制单元模块电路。建好电路后，在Ｐｓｐｉｃｅ界面菜单下点击ｅｒｅａｔ　ｎｅｔｌｉｓｔ，然　后ｖｉｅｗ　ｎｅｔｌｉｓｔ，并将文件指定目录保存，格式为ＴＸＴ。其中＊为说明标识，元件的表示格式为元件类型、元件　名、两端节点，以及元件值，其中节点由软件自动生成。例如Ｃ—Ｃｍａｒｘ　Ｎ９８０６４　Ｎ９８Ｏ１２１　３９ｎＦ　ＩＣ一２．５２　ＭＥＧ，电容Ｃｍａｒｘ位于节点Ｎ９８０６４和Ｎ９８０１２１之间，电容值３９　ｎＦ，初始电压２．５２　ＭＶ。　１．２编辑模块文件　Ｐｓｐｉｃｅ子电路语句格式为：　

．ＳＵＢＣＫＴ　ｎａｍｅ　ＮＩ　Ｎ２…Ｎｉ　ＰＡＲＡＭＳ：　．ｅｎｄｓ　其中ｎａｍｅ为子电路名称，Ｎ１，Ｎ２，…，Ｎ　为子电路指定的连接点，至少要有两个，其他为固定格式，电路　的连接点与模块的连接点要一致　。如果模块有方向性，连接点需要说明，例如输出和接地两个连接点，直接　将将其命名为ＯＵＴ和ＧＮＤ，但是要与ｎｅｔｌｉｓｔ文件中的节点对应，并将文件中连接点的名称修改为指定名称。　模块变量控制格式为：＋变量初值（任意值）。选取需要的变量按照格式编辑，并将变量赋予元件，即将元　件参数固定值换为｛变量名），其他语句不变。　将已保存的ｎｅｔｌｉｓｔ文件中的对应节点修改，选择控制参数，加上子电路语句格式保存。将已保存文件的　扩展名由ＴＸＴ改为ｌｉｂ。对于电路较为简单的单元模块也可直接按照模块编辑格式直接编辑。　１．３生成模块　运行ｍｏｄｅｌ　ｅｄｉｔｏｒ，打开编辑好的．１ｉｂ文件，在菜单ｆｉｌｅ下点击ｅｘｐｏｒｔ　ｔＯ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｐａｒｔ　ｌｉｂｒａｒｙ，指定路径和　文件名生成模块。在指定文件夹中包括一个．１ｉｂ和一个．ｏｌｂ文件。　１．４模块调用及图形编辑　将．１ｉｂ，．ｏｌｂ文件分别复制至安装路径下的ＯｒＣＡＤ＼ＯｒＣＡＤ一１０．５＼ｔｏｏｌｓ＼ｃａｐｔｕｒｅ＼ｌｉｂｒａｒｙ和ＯｒＣＡＤ＼Ｏｒ一　

＊收稿日期：２０１１－１１－０１；　修订日期：２０１１－１２—１５　作者简介：来定国（１９８Ｏ一），男，助理研究员，从事脉冲功率技术研究；ｌｄｇｃｘ＠１６３．ｃｏｒｎ。　６９Ｏ　强　激　光　与　粒　子　束　第２４卷　ＣＡＤ＿１０．５＼ｔｏｏｌｓ＼Ｐｓｐｉｃｅ＼１ｉｂｒａｒｙ，安装路径和软件版本以安装情况为准。建立电路时将建好的模型按路径添　

加，将ＯｒＣＡＤ＼ＯｒＣＡＤ＿１０．５＼ｔｏｏｌｓ＼Ｐｓｐｉｃｅ＼ｌｉｂｒａｒｙ目录下的．１ｉｂ设置为全局模块。选中电路中的模块，点击　右键菜单Ｅｄｉｔ　Ｐａｒｔ，进入图标编辑界面，根据需要进行绘制，绘制完关闭编辑界面，并选择ｕｐｄａｔｅ　ａ１１完成编　辑。　

２　自击穿开关及强流二极管模型　Ｐｓｐｉｃｅ软件提供的模型库往往不能满足实际需求，例如电压控制开关，电流控制开关等等。在Ｐｓ．ｐｉｃｅ元　件库中提供有电压控制和电流控制开关模块，可以利用其建立需要的可控元件。这里以自击穿开关为例介绍　工作过程描述方法和参数控制方法。　自击穿开关模型节点较少，直接采用ｍｏｄｅｌ　ｅｄｉｔｏｒ直接编写。　开关高压电极和低压电极的节点为１和２，等效电路由三部分　组成，即开关电容、开关电感和压控开关模块　。利用压控开关控　制击穿电压、阻抗变化曲线。压控开关的控制电路由一个直流电　源、充电电阻和电容组成，压控开关的控制电压取控制电路电容上　的电压，电路如图１所示。开关电容位于节点１和２之间，电压为　０，电感位于节点５和２之间，电流为０，压控开关的正负节点为１　和５，控制节点为４和０，其中０特指地电位。控制单元是一个ＲＣ　充电回路，电容位于４和０之间，电阻位于６和４之间，阻值１　Ｑ，　充电直流电源位于６和０之间。　控制方法：当开关两端１和２节点的电压差的绝对值大于自击　穿电压（　），并且时间大于开关击穿时刻时，充电电源的幅值为１Ｏ　Ｖ，否则为０，实现电压和时间的同时控制，语句格式参考模型对应　

Ｆｉｇ．１　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｓｅｌｆ－ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｓｗｉｔｃｈ　

图１　自击穿开关电路　

语句。充电电阻１　Ｑ，电容阻值可调（ｔｔｒａｎ），根据ＲＣ充电回路的特点，在ＲＣ时间内电容上的电压为　０．６３２　Ｕ。，因此将压控开关的导通电压设置为６．３２　Ｖ（充电电源为１０　Ｖ），通过调整电容值控制开关击穿延迟　时间，结合开关开路电阻和导通电阻的控制，实现开关阻抗变化的控制。例如开关击穿的延迟时间１０　ｎｓ，导通　电阻１　Ｑ，开路电阻１　ＭＱ，则表明开关的阻抗在１０　ｎｓ内由１　Ｍｆｌ变为１　Ｑ，不同开关可根据实际情况设置３　个参数。压控开关通过语句调用，参数根据需要按照格式进行控制。　二极管类似于开关，只是通过二极管间隙的是电子束流，而开关为电弧通道。在启动前二极管相当于一个　隔离开关，启动时刻二极管电压对应开关的自击穿电压，电子束流对应于开关电弧电流，利用开关模型等效二　极管，通过控制开关的电弧电阻变化时间及其变化范围和自击穿电压近似模拟二极管阻抗特性Ｉ８］。　

３“闪光二号”加速器电路模拟　“闪光二号”加速器由Ｍａｒｘ发生器、形成线、主开关、传输线、输出线和二极管组成，形成线由３根６　Ｑ水　线并联组成，３个并联运行的气体开关作为主开关　］。开关和二极管采用建立的模块模拟，其他部件采用　

（ａ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌ　ｃ　ｌ　（ｂ）ｅｘｐｅｎ，＂ｍｅｎｔａｌ　ｒｅ　ｍｌｔ　

、　广　Ｏ　＿．．ｆ．一　≯＼　／：　’　。　７　

＂　Ｏ　．２００　耄　＼＼　ｌ＼　

￡ｕＩＴｅｎｔ　一４００　Ｖ。　＼　－－４　ｃｕｒｒｅｎｔ　５００　ｖｏｌｔａｇｅＳ＂＼　Ｌ　

－６００　：　＼　

＼／＼　／　－８００　ｊ　

Ｆｉｇ．２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｄｉｏｄｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　图２二极管电压电流模拟结果和实验结果　第３期　来定国等：Ｐｓｐｉｃｅ子模块在脉冲功率装置电路模拟中的应用　６９１　二极管阻抗特性。加速器二极管输出结果和模拟结果如图２～５所示，二者基本吻合，说明自击穿开关及强流　二极管模型能够反映开关和二极管的工作过程。　

＞　＼（ａ）ｓｉ　ｍｕｌ　ａ１　ｉｏｆｔ　ｒｅｓｕｌｔ　

｛　＼　＼＼　＼　—，，、＼　

ｔ／ｇｓ　５　ｆｂ　ｅｘｐｅｎｍｅｒ　ｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　＼　、　。、　＼．　、Ｌ—　—／　＼　＼　、一　、．　１５０　２００　Ｆｉｇ．３　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｄｉｏｄｅ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　图３　二极管阻抗模拟结果和实验结果　（ａ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　，　／　协　Ｖ　／　￣ｕｒｒｅｎｔ　＼一／　２５０　３００　３５０　ｔ／ｇｓ　

（ｂ）ｅｘｐｅｈｍｅｎｔａｌ　ｒｅ　！ｓｕｉｔ　＿ｎ　，　＼　ｌ＼　／，，　１　

／、　一　—　Ｉ　｛　…　＼　｝　ｌ／　ｊ　』　｝　…Ｖ　ｖ－ｏｌｔａｇ￣　ｎ』　…　、＿＿ｆ　。　～　眦　

＼　／　＼／；　Ｏ　１Ｏ０　２００　３００　４００　５００　ｔ／ｇｓ　ｔ／ｎｓ　

Ｆｉｇ．４　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｄｉｏｄｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｔａｔｅ　图４二极管短路电压电流模拟结果和实验结果　

：　：　（　ｓｉｍｕｌａ．ｔｉｏｎ　ｒｅｓ　ａｌｔ　

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、　气　＼　＼　。＼　＼　

（］　））ｅｘｐｅｒ　【ｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　、　＼　＼．　＼　＼　

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ｔ／ｕｓ　ｔ／ｎｓ　Ｆｉｇ．５　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｄｉｏｄｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　图５　二极管短路阻抗模拟结果和实验结果　

４　结　论　介绍了Ｐｓｐｉｃｅ子模块的建立方法，建立了能够反映开关和强流二极管工作过程的电路模型，并通过比较　“闪光二号”加速器实验结果和模拟结果对其进行了验证。建模方法和参数控制方法可为阻抗非线性、工作过　程复杂部件的模拟提供参考，如何将单元模块实验结果代入模型实现更为准确的模拟，还需进一步研究。　

参考文献：　Ｅｌｌ　黄子平，王文斗．非线性含磁芯线圈的ＰＳｐｉｃｅ模拟ＥＪ］．强激光与粒子束，２００４，１６（８）：１０６３—１０６６．（Ｈｕａｎｇ　Ｚｉｐｉｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｗｅｎｄｏｕ．　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｒｅ　ｂｙ　ＰＳｐｉｃｅ．Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌａｓｅｒ　ａｎｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｂｅａｍｓ，２００４，１６（８）：１０６３—１０６６）　Ｅ２３黄涛，丛培天，张国伟，等．“强光一号”加速器电路模拟与分析ＥＪ］．强激光与粒子束，２０１０，２２（４）：８９７—９００．（Ｈｕａｎｇ　Ｔａｏ，Ｇｏｎｇ　Ｐｅｉｔｉａｎ，　Ｚｈａｎｇ　Ｇｕｏｗｅｉ，ｅｔ　ａ１．Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｑｉａｎｇｇｕａｎｇ—Ｉ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ．Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌａｓｅｒ　ａｎｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｂｅａｍｓ，２０１０，２２（４）：