專利名稱：一種放電回路微電感的計算機輔助測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于計算機輔助分析以及脈沖功率領域，具體涉及一種放電回路微電感的計算機輔助測量方法。
背景技術：
美國人J.Mrond從60年代初開始研究沖擊片雷管(slapper)，于1971年申請專利。它是炸藥沖擊起爆與金屬電爆炸現(xiàn)象研究相結(jié)合的產(chǎn)物。它由起爆電壓2 5kV、起爆電流；T6kA、瞬時功率5 10MW的電脈沖引起金屬箔爆炸驅(qū)動塑料片(飛片)高速撞擊猛炸藥，使炸藥直接起爆。它具有耐高過載、抗射頻、抗靜電、安全性極好的特點。在引信中使用，可以直接插入主裝藥中，不需任何復雜的隔離元件，從而構成直列式爆炸序列。由沖擊片雷管和發(fā)火電路構成的系統(tǒng)稱為爆炸箔起爆系統(tǒng)(EFIs)，它由爆炸箔起爆器和電源系統(tǒng)兩部分構成，其中爆炸箔起爆器的功能主要是由放電回路來完成的。放電回路中電感的大小對于EFIs有著至關重要的影響，低電感易使回路獲得較高的脈沖電流和功率，減小放電回路的電感，是降低EFIs發(fā)火能量的關鍵所在。那么要想有針對性的減小回路電感，有效的測量整個放電回路中的電感的分布情況就顯的十分重要。但是放電回路中各個部分的電感都為nH量級，其結(jié)構也是非常的緊湊并且固定的，現(xiàn)有的測量設備很難達到所需要的測量精度。目前已公開的放電回路電感測量方法通常為參數(shù)識別法，它利用放電電流波形的峰值與周期參數(shù)通過相關公式進行計算，此方法只能得到整個回路的總電感值，不能計算出其電感的分布情況。因此，迫切需要一種用于測量放電回路微電感分布情況的方法，使我們能夠清楚的了解放電回路各個部分的電感分布情況。使用該方法要能夠準確了解放電回路的電感分布特性，為整個放電回路的設計與優(yōu)化打下良好的基礎。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種利用計算機輔助測量放電回路中微電感分布情況的方法。采用本發(fā)明能夠測量出放電回路ηΗ量級微電感的分布情況，避免盲目的去減小放電回路的電感值，實現(xiàn)放電回路的最優(yōu)化設計。為解決上述技術問題，本發(fā)明放電回路微電感的計算機輔助測量采用的技術方案是利用I^pice軟件建立放電回路準確的I^pice模型，通過仿真波形與實測波形的對比得到放電回路微電感的分布情況。在放電回路狀態(tài)不變的情況下，整個回路的電流波形是固定的，但是電壓波形會隨著測量參考點的不同而發(fā)生變化，這種變化是與回路中各部分的電感與電阻的分布情況相關聯(lián)的，可以利用電壓波形的這種變化來確定放電回路中電感與電阻的分布情況。要建立放電回路的I^spice模型最關鍵的一點就是要建立高壓放電開關的I^spice模型。采用在脈沖功率界比較權威的仿真軟件OrCADPSpice軟件對高壓放電開關進行建模，放電回路其他器件則可以直接利用軟件自帶的分立元件模型。高壓放電開關的I^spice 模型是基于其組合模型拓撲結(jié)構的，通過其組合模型拓撲結(jié)構建立起相應的非線性模型， 然后利用多瞬態(tài)分析法提取器件關鍵參數(shù)，得到較為準確的I3Spice模型。利用示波器對實測放電回路的放電電流進行監(jiān)測，根據(jù)電流的峰值和周期計算出實際放電回路總的電感電阻值。本方法采用的示波器為Tektronix公司的DP040M型示波器。將計算的出的總的放電回路阻值帶入仿真電路中，便可建立起準確的放電回路仿真模型。本發(fā)明的測量方法是利用放電回路的不同部分在放電時的電壓波形的不同來實現(xiàn)的。測量時利用DP040M型示波器對所需測量部分的電壓進行測量，然后通過電路仿真時在總的電感值中提取一部分，使此部分所承載的電壓波形與實測電壓波形一致，那么仿真電路中提取的這部分的電感值即為實測部分的電感值。本發(fā)明放電回路的計算機輔助測量方法，依次包括如下步驟
a.建立高壓放電開關的I3Spice模型
根據(jù)高壓放電開關的組合模型拓撲結(jié)構建立起其等效模型，依據(jù)廠家提供的器件參數(shù)以及實測參數(shù)，利用多瞬態(tài)分析發(fā)提取高壓放電開關的主要參數(shù)，將參數(shù)帶入所建模型之中，從而建立起準確的高壓開關I3Spice模型；
b.測量實際放電回路放電電流波形，計算其總電感、電阻值
利用示波器測量實際放電回路的放電電流波形，根據(jù)電流周期以及峰值信息通過參數(shù)識別法計算出實際放電回路總的電感、電阻值；
c.建立放電回路I3Spice模型
依據(jù)原理圖在I^spice環(huán)境下建立仿真電路，a中建立的開關模型以及b中得到的實際放電回路的電感、電阻值帶入仿真電路。這里由于高壓放電開關自身的電感、電阻值相對于回路總的電感、電阻值來說是一微小量，可以忽略；
d.測試實際放電回路中待測部分電壓波形
以高壓電容陰極為起點，將放電回路分成待測的若干部分。首先測量高壓電容陰極到第一部分的電壓波形；
e.調(diào)整仿真電路進行仿真
同樣的以高壓電容陰極為起點將仿真電路中總的電感、電阻分為與d中相等的部分， 通過調(diào)整第一部分的電感、電阻值，同時保證總的電感、電阻值不變，監(jiān)測第一部分上的電壓波形，直至此波形與d中所測波形一致。那么可以認為此部分的電感、電阻值便為實際放電回路中所測部分的電感、電阻值；
f.測量其他部分的電感、電阻值
依據(jù)d、e步驟進行其他部分的測量，最終得到整個放電回路的電感分布情況； 采用本發(fā)明，能夠準確得到放電回路各個部分nH量級微電感的分布情況。在需要以了解放電回路微電感的分布情況為基礎的回路優(yōu)化設計工作中，利用此方法能夠解決微電感的分析測量問題。此測量方法對于減小放電回路電感，提高脈沖放電電流峰值，降低起爆電路高壓工作電壓有實際指導意義。本發(fā)明的放電回路微電感的計算機輔助測量方法能夠達到現(xiàn)有微電感測量設備無法達到的測量精度。此測量方法實質(zhì)是將微小的電感量轉(zhuǎn)化為與之相關的、便于測量的電壓量，從而能夠減小測量誤差。另外，放電回路電感與電路的安裝形式、包圍面積緊密相關，此方法測量時不用改變電路的裝配狀態(tài)，只需要測試各個參考點之間的電壓波形即可得到最精確的回路參數(shù)。本發(fā)明適用于各種形式的放電回路微電感的測量，通用性好。


圖1為本發(fā)明的原理框圖。圖2為本發(fā)明的流程圖。圖3為圖1中的高壓放電開關的等效電路模型。圖4為與圖2所示放電回路對應的仿真電路。圖5為實測電路的測量連線圖。圖6為實測波形。圖7為仿真波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。圖1為本發(fā)明所涉及的放電回路原理框圖。從圖中可以看出，放電回路主要由高壓放電開關、高壓儲能電容、觸發(fā)電路以及各種接插件構成。工作時首先給高壓儲能電容充電至一定的高壓，當觸發(fā)電路給出觸發(fā)信號時高壓放電開關導通，此時高壓儲能電容便通過回路釋放能量形成脈沖大電流。圖2為本發(fā)明的測量方法流程圖，該方法主要是依靠電路仿真與實際測試結(jié)果的對比來實現(xiàn)的建立放電回路關鍵器件高壓放電開關的非線性模型，提取實際放電回路阻抗參數(shù)，建立起仿真電路；同時，搭建測量電路測量回路待測部分電壓波形。仿真時在保證總的回路阻抗固定的前提下，通過不斷調(diào)整仿真電路阻抗分布使得所監(jiān)測的電壓波形逐漸的逼近實際測量到的待測部分電壓波形，那么可以認為仿真時所監(jiān)測的那一部分電感量即為實際電路待測部分的電感量。放電回路中最關鍵的器件為高壓放電開關，它是一種新型的半導體器件屬于非線性元件。I^spice軟件中現(xiàn)有的器件庫中沒有此類元器件的模型，因此需要自己去建立其等效仿真模型。圖3給出了高壓放電開關的等效電路模型。其中MN、MP是分別控制高壓放電開關導通和關斷的兩個MOSFET。QP、QN分別為PNP、NPN雙極晶體管；RVN為高壓放電開關的N層體電阻，RVP為高壓放電開關的P層體電阻，RLN表示電流由導通溝道流向N基區(qū)時經(jīng)過路徑的橫向電阻，VDRON表示PNP管基區(qū)壓降。另外，A-K之間反向并聯(lián)了一個快速恢復的二極管DBACK。該模型可直接利用PSpice對高壓放電開關的靜態(tài)和動態(tài)特性進行分析和模擬。建立了等效模型以后，依據(jù)廠家提供的器件參數(shù)以及實測參數(shù)，利用多瞬態(tài)分析發(fā)提取高壓放電開關的主要參數(shù)，將提取的參數(shù)帶入所建模型之中，從而建立起準確的高壓開關仿真模型。通過多瞬態(tài)分析發(fā)現(xiàn)對通態(tài)壓降敏感的參數(shù)有NF (雙極性晶體管模型參數(shù))、RVP+、VDR0N ；而對開啟電壓敏感的有VT0 (M0S管模型參數(shù))。應用多瞬態(tài)分析法提取模型的參數(shù)為:RVP+=3. 7E-4, VDRON=O. IV,NF (PNP)=L 88,VTO(MOSON) =0. 7,T0X=7E-9o
接著就是實際放電回路阻抗參數(shù)的提取。利用示波器測量實際放電回路的放電電流波形，根據(jù)電流周期以及峰值信息通過參數(shù)識別法計算出實際放電回路總的電感、電阻值。有了準確的高壓放電開關模型以及實際放電回路總的阻抗參數(shù)以后，可以根據(jù)圖1所示的放電回路原理圖建立起對應的仿真電路，具體仿真電路如圖4所示。為了便于描述，將圖4所示仿真電路回路阻抗分為了 4個待測部分(Li、Rl，L2、R2，L3、R3, L4、R4)，其中這4 部分阻抗之和為實際回路的總阻抗。同樣，也將實際放電回路分為與之對應的4個待測部分，如圖5所示。測量時，首先通過示波器測量實際電路待測部分1兩端的電壓波形并記錄下來，詳見圖6。接下來進行仿真，在保證電路總的電感、電阻值不變的情況下不斷調(diào)整Li、 Rl的值，監(jiān)測待測部分1上的電壓波形，詳見圖7直至此波形與d中所測波形一致。那么此時可以認為L1、R1的值便為實際放電回路中待測部分1的電感、電阻值。測量出了待測部分 1的電感以后，可以利用相同的步驟計算其他部分的電感值，直到完全了解整個放電回路的電感分布情況。
權利要求
1. 一種放電回路微電感的計算機輔助測量方法，其特征在于，依次包括如下步驟a.建立高壓放電開關的I3Spice模型根據(jù)高壓放電開關的組合模型拓撲結(jié)構建立起其等效模型，依據(jù)廠家提供的器件參數(shù)以及實測參數(shù)，利用多瞬態(tài)分析法提取高壓放電開關的主要參數(shù)，將參數(shù)帶入所建等效模型之中，從而建立起準確的高壓開關的I^spice模型；b.測量實際放電回路的放電電流波形，計算其總電感、電阻值利用示波器測量實際放電回路的放電電流波形，根據(jù)電流周期以及峰值信息通過參數(shù)識別法計算出實際放電回路總電感、電阻值；c.建立放電回路的I3Spice模型在I^pice環(huán)境下建立仿真電路模型，步驟a中建立的高壓開關的I^spice模型以及步驟b中得到的實際放電回路的總電感、電阻值帶入仿真電路模型；d.測試實際放電回路中待測部分電壓波形以高壓電容陰極為起點，將放電回路分成待測的四個部分，首先測量高壓電容陰極到第一部分的電壓波形；e.調(diào)整仿真電路模型進行仿真以高壓電容陰極為起點將仿真電路模型中總的電感、電阻分為與步驟d中相等的部分，通過調(diào)整第一部分的電感、電阻值，同時保持總的電感、電阻值不變，監(jiān)測第一部分上的電壓波形，直至此波形與步驟d中所測波形一致；f.測量其余三個部分的電感、電阻值依據(jù)步驟d、步驟e進行其余三個部分的測量，最終得到整個放電回路的電感分布數(shù)
全文摘要
本發(fā)明提供了一種放電回路微電感的計算機輔助測量方法。本發(fā)明基于Pspice軟件建立精確的高壓放電開關Pspice模型以及準確的放電回路Pspice模型，結(jié)合實際放電回路利用放電時回路中各個參考點之間的電壓波形的差異，通過改變測試參考點，比較實測電壓波形與仿真電壓波形來得到放電回路中nH量級微電感的分布情況。此測量方法實質(zhì)是將微小的電感量轉(zhuǎn)化為與之對應的、便于測量的電壓量，從而能夠減小測量誤差。放電回路電感與電路的安裝形式、包圍面積緊密相關，此方法測量時不用改變電路的狀態(tài)，可以得到最精確的回路參數(shù)。
文檔編號G06F17/50GK102339346SQ20111017235
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權日2011年6月24日
發(fā)明者朱鴻志, 李華梅, 楊永輝 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所