基於傳輸線單元大型脈衝功率裝置全電路建模方法研究

《基於傳輸線單元大型脈衝功率裝置全電路建模方法研究》是依託西北核技術研究院，由呼義翔擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於傳輸線單元大型脈衝功率裝置全電路建模方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：呼義翔
• 依託單位：西北核技術研究院

項目摘要

基於傳輸線單元的TLCODE模型已廣泛套用於國際各類脈衝功率裝置研製，在降低裝置設計風險、精確預測輸出波形、深入理解裝置工作過程等方面發揮了重要的作用。但由於核心技術封鎖，國內至今尚未完全掌握其建模原理和方法。針對於此，本課題重點就大型脈衝功率裝置關鍵部件（主開關、變阻抗傳輸線、多路並聯結構和磁絕緣傳輸線）的工作機理展開深入理論研究，在此基礎上將傳輸線編碼原理同各部件工作原理相互耦合，開展脈衝功率裝置TLCODE建模方法的系統研究，同時採用不同仿真手段相互印證和部分實驗驗證相結合的方法對模型的有效性進行檢驗。最後，以強光一號加速器為算例，建立包括初級脈衝源、主開關、變阻抗傳輸線、絕緣堆疊和磁絕緣傳輸線在內的大型脈衝功率裝置TLCODE全電路模型，並同實驗結果進行對比分析，進一步檢驗模型的有效性。

結題摘要

基於傳輸線單元的TLCODE模型已廣泛套用於國際各類脈衝功率裝置研製，在降低裝置設計風險、精確預測輸出脈衝波形、深入理解裝置工作過程等方面發揮了重要的作用，因此，有必要進行其相關理論、建模方法的深入研究。 本項目首先通過理論推導，獲得了影響變阻抗傳輸線功率傳輸效率的特徵參數Γ（前行電壓波半峰值脈寬與ITL單倍傳輸時間長度的比值）和Ψ（ITL輸出端單元特性阻抗與輸入端單元特性阻抗的比值）。基於傳輸線編碼原理，建立了任意阻抗變換形式ITL電路模型。計算分析了三種典型阻抗變換ITL功率傳輸效率、脈衝壓縮率與上述特徵參數的定量關係；計算結果表明，相同條件下，標準指數型阻抗變換形式具有最大的功率傳輸效率。 基於傳輸線編碼原理，提出了一種大型脈衝功率裝置主開關電路建模方法。以國際最高功率ZR裝置主開關結構為例，給出了開關模型拓撲結構和開關動態電阻、電感計算方法。理論推導獲得了模型不同節點電壓描述閉合方程組，並對其進行了數值離散化。基於該離散化方程組和Matlab程式，建立了ZR裝置主開關仿真分析程式，給出了關鍵區域電壓、電流波形，並同商用Pspice L-C網路模型計算結果進行了對比。對比結果表明，二者計算偏差幾乎可以忽略（小於0.1%）。 理論推導獲得了三種典型結構MITL不同工作階段動態電流損失和流動阻抗計算模型；建立了MITL磁絕緣形成過程中不同階段的閉合狀態方程。將該閉合方程組同TLCODE傳輸線編碼相互耦合，建立了MITL電路模型。利用所建電路模型，模擬分析了現有Z裝置四層MITL工作特性，給出了絕緣堆電壓、電流波形，外MITL、雙層柱孔盤體電流損失波形和負載箍縮電流、箍縮半徑變化波形，並與相應實驗結果進行了對比，對比結果表明，不同位置計算結果與實驗結果偏差小於5%，初步檢驗了本項目所建MITL狀態方程和電路模型的有效性。 基於“強光一號”加速器，設計並搭建了長約1.0m、陰陽極間隙2.0cm的同軸型MITL實驗平台。研製了用於MITL電流損失特性實驗的單環式B-dot電流測量探頭、差模式B-dot電流測量探頭、積分式電容分壓器和二級電阻分壓器型大功率負載。系統開展了不同負載阻值條件下MITL電流損失特性實驗。實驗檢驗了本項目所建TLCODE電路模型，對比結果表明，不同位置計算結果與實驗結果偏差小於3%，說明本項目所建MITL電路模型可有效分析MITL工作特性。