专利名称：一种放电回路微电感的计算机辅助测量方法
技术领域：
本发明属于计算机辅助分析以及脉冲功率领域，具体涉及一种放电回路微电感的计算机辅助测量方法。
背景技术：
美国人J.Mrond从60年代初开始研究冲击片雷管(slapper)，于1971年申请专利。它是炸药冲击起爆与金属电爆炸现象研究相结合的产物。它由起爆电压2 5kV、起爆电流；T6kA、瞬时功率5 10MW的电脉冲引起金属箔爆炸驱动塑料片(飞片)高速撞击猛炸药，使炸药直接起爆。它具有耐高过载、抗射频、抗静电、安全性极好的特点。在引信中使用，可以直接插入主装药中，不需任何复杂的隔离元件，从而构成直列式爆炸序列。由冲击片雷管和发火电路构成的系统称为爆炸箔起爆系统(EFIs)，它由爆炸箔起爆器和电源系统两部分构成，其中爆炸箔起爆器的功能主要是由放电回路来完成的。放电回路中电感的大小对于EFIs有着至关重要的影响，低电感易使回路获得较高的脉冲电流和功率，减小放电回路的电感，是降低EFIs发火能量的关键所在。那么要想有针对性的减小回路电感，有效的测量整个放电回路中的电感的分布情况就显的十分重要。但是放电回路中各个部分的电感都为nH量级，其结构也是非常的紧凑并且固定的，现有的测量设备很难达到所需要的测量精度。目前已公开的放电回路电感测量方法通常为参数识别法，它利用放电电流波形的峰值与周期参数通过相关公式进行计算，此方法只能得到整个回路的总电感值，不能计算出其电感的分布情况。因此，迫切需要一种用于测量放电回路微电感分布情况的方法，使我们能够清楚的了解放电回路各个部分的电感分布情况。使用该方法要能够准确了解放电回路的电感分布特性，为整个放电回路的设计与优化打下良好的基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用计算机辅助测量放电回路中微电感分布情况的方法。采用本发明能够测量出放电回路ηΗ量级微电感的分布情况，避免盲目的去减小放电回路的电感值，实现放电回路的最优化设计。为解决上述技术问题，本发明放电回路微电感的计算机辅助测量采用的技术方案是利用I^pice软件建立放电回路准确的I^pice模型，通过仿真波形与实测波形的对比得到放电回路微电感的分布情况。在放电回路状态不变的情况下，整个回路的电流波形是固定的，但是电压波形会随着测量参考点的不同而发生变化，这种变化是与回路中各部分的电感与电阻的分布情况相关联的，可以利用电压波形的这种变化来确定放电回路中电感与电阻的分布情况。要建立放电回路的I^spice模型最关键的一点就是要建立高压放电开关的I^spice模型。采用在脉冲功率界比较权威的仿真软件OrCADPSpice软件对高压放电开关进行建模，放电回路其他器件则可以直接利用软件自带的分立元件模型。高压放电开关的I^spice 模型是基于其组合模型拓扑结构的，通过其组合模型拓扑结构建立起相应的非线性模型， 然后利用多瞬态分析法提取器件关键参数，得到较为准确的I3Spice模型。利用示波器对实测放电回路的放电电流进行监测，根据电流的峰值和周期计算出实际放电回路总的电感电阻值。本方法采用的示波器为Tektronix公司的DP040M型示波器。将计算的出的总的放电回路阻值带入仿真电路中，便可建立起准确的放电回路仿真模型。本发明的测量方法是利用放电回路的不同部分在放电时的电压波形的不同来实现的。测量时利用DP040M型示波器对所需测量部分的电压进行测量，然后通过电路仿真时在总的电感值中提取一部分，使此部分所承载的电压波形与实测电压波形一致，那么仿真电路中提取的这部分的电感值即为实测部分的电感值。本发明放电回路的计算机辅助测量方法，依次包括如下步骤
a.建立高压放电开关的I3Spice模型
根据高压放电开关的组合模型拓扑结构建立起其等效模型，依据厂家提供的器件参数以及实测参数，利用多瞬态分析发提取高压放电开关的主要参数，将参数带入所建模型之中，从而建立起准确的高压开关I3Spice模型；
b.测量实际放电回路放电电流波形，计算其总电感、电阻值
利用示波器测量实际放电回路的放电电流波形，根据电流周期以及峰值信息通过参数识别法计算出实际放电回路总的电感、电阻值；
c.建立放电回路I3Spice模型
依据原理图在I^spice环境下建立仿真电路，a中建立的开关模型以及b中得到的实际放电回路的电感、电阻值带入仿真电路。这里由于高压放电开关自身的电感、电阻值相对于回路总的电感、电阻值来说是一微小量，可以忽略；
d.测试实际放电回路中待测部分电压波形
以高压电容阴极为起点，将放电回路分成待测的若干部分。首先测量高压电容阴极到第一部分的电压波形；
e.调整仿真电路进行仿真
同样的以高压电容阴极为起点将仿真电路中总的电感、电阻分为与d中相等的部分， 通过调整第一部分的电感、电阻值，同时保证总的电感、电阻值不变，监测第一部分上的电压波形，直至此波形与d中所测波形一致。那么可以认为此部分的电感、电阻值便为实际放电回路中所测部分的电感、电阻值；
f.测量其他部分的电感、电阻值
依据d、e步骤进行其他部分的测量，最终得到整个放电回路的电感分布情况； 采用本发明，能够准确得到放电回路各个部分nH量级微电感的分布情况。在需要以了解放电回路微电感的分布情况为基础的回路优化设计工作中，利用此方法能够解决微电感的分析测量问题。此测量方法对于减小放电回路电感，提高脉冲放电电流峰值，降低起爆电路高压工作电压有实际指导意义。本发明的放电回路微电感的计算机辅助测量方法能够达到现有微电感测量设备无法达到的测量精度。此测量方法实质是将微小的电感量转化为与之相关的、便于测量的电压量，从而能够减小测量误差。另外，放电回路电感与电路的安装形式、包围面积紧密相关，此方法测量时不用改变电路的装配状态，只需要测试各个参考点之间的电压波形即可得到最精确的回路参数。本发明适用于各种形式的放电回路微电感的测量，通用性好。
图1为本发明的原理框图。图2为本发明的流程图。图3为图1中的高压放电开关的等效电路模型。图4为与图2所示放电回路对应的仿真电路。图5为实测电路的测量连线图。图6为实测波形。图7为仿真波形。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。图1为本发明所涉及的放电回路原理框图。从图中可以看出，放电回路主要由高压放电开关、高压储能电容、触发电路以及各种接插件构成。工作时首先给高压储能电容充电至一定的高压，当触发电路给出触发信号时高压放电开关导通，此时高压储能电容便通过回路释放能量形成脉冲大电流。图2为本发明的测量方法流程图，该方法主要是依靠电路仿真与实际测试结果的对比来实现的建立放电回路关键器件高压放电开关的非线性模型，提取实际放电回路阻抗参数，建立起仿真电路；同时，搭建测量电路测量回路待测部分电压波形。仿真时在保证总的回路阻抗固定的前提下，通过不断调整仿真电路阻抗分布使得所监测的电压波形逐渐的逼近实际测量到的待测部分电压波形，那么可以认为仿真时所监测的那一部分电感量即为实际电路待测部分的电感量。放电回路中最关键的器件为高压放电开关，它是一种新型的半导体器件属于非线性元件。I^spice软件中现有的器件库中没有此类元器件的模型，因此需要自己去建立其等效仿真模型。图3给出了高压放电开关的等效电路模型。其中MN、MP是分别控制高压放电开关导通和关断的两个MOSFET。QP、QN分别为PNP、NPN双极晶体管；RVN为高压放电开关的N层体电阻，RVP为高压放电开关的P层体电阻，RLN表示电流由导通沟道流向N基区时经过路径的横向电阻，VDRON表示PNP管基区压降。另外，A-K之间反向并联了一个快速恢复的二极管DBACK。该模型可直接利用PSpice对高压放电开关的静态和动态特性进行分析和模拟。建立了等效模型以后，依据厂家提供的器件参数以及实测参数，利用多瞬态分析发提取高压放电开关的主要参数，将提取的参数带入所建模型之中，从而建立起准确的高压开关仿真模型。通过多瞬态分析发现对通态压降敏感的参数有NF (双极性晶体管模型参数)、RVP+、VDR0N ；而对开启电压敏感的有VT0 (M0S管模型参数)。应用多瞬态分析法提取模型的参数为:RVP+=3. 7E-4, VDRON=O. IV,NF (PNP)=L 88,VTO(MOSON) =0. 7,T0X=7E-9o
接着就是实际放电回路阻抗参数的提取。利用示波器测量实际放电回路的放电电流波形，根据电流周期以及峰值信息通过参数识别法计算出实际放电回路总的电感、电阻值。有了准确的高压放电开关模型以及实际放电回路总的阻抗参数以后，可以根据图1所示的放电回路原理图建立起对应的仿真电路，具体仿真电路如图4所示。为了便于描述，将图4所示仿真电路回路阻抗分为了 4个待测部分(Li、Rl，L2、R2，L3、R3, L4、R4)，其中这4 部分阻抗之和为实际回路的总阻抗。同样，也将实际放电回路分为与之对应的4个待测部分，如图5所示。测量时，首先通过示波器测量实际电路待测部分1两端的电压波形并记录下来，详见图6。接下来进行仿真，在保证电路总的电感、电阻值不变的情况下不断调整Li、 Rl的值，监测待测部分1上的电压波形，详见图7直至此波形与d中所测波形一致。那么此时可以认为L1、R1的值便为实际放电回路中待测部分1的电感、电阻值。测量出了待测部分 1的电感以后，可以利用相同的步骤计算其他部分的电感值，直到完全了解整个放电回路的电感分布情况。
权利要求
1. 一种放电回路微电感的计算机辅助测量方法，其特征在于，依次包括如下步骤a.建立高压放电开关的I3Spice模型根据高压放电开关的组合模型拓扑结构建立起其等效模型，依据厂家提供的器件参数以及实测参数，利用多瞬态分析法提取高压放电开关的主要参数，将参数带入所建等效模型之中，从而建立起准确的高压开关的I^spice模型；b.测量实际放电回路的放电电流波形，计算其总电感、电阻值利用示波器测量实际放电回路的放电电流波形，根据电流周期以及峰值信息通过参数识别法计算出实际放电回路总电感、电阻值；c.建立放电回路的I3Spice模型在I^pice环境下建立仿真电路模型，步骤a中建立的高压开关的I^spice模型以及步骤b中得到的实际放电回路的总电感、电阻值带入仿真电路模型；d.测试实际放电回路中待测部分电压波形以高压电容阴极为起点，将放电回路分成待测的四个部分，首先测量高压电容阴极到第一部分的电压波形；e.调整仿真电路模型进行仿真以高压电容阴极为起点将仿真电路模型中总的电感、电阻分为与步骤d中相等的部分，通过调整第一部分的电感、电阻值，同时保持总的电感、电阻值不变，监测第一部分上的电压波形，直至此波形与步骤d中所测波形一致；f.测量其余三个部分的电感、电阻值依据步骤d、步骤e进行其余三个部分的测量，最终得到整个放电回路的电感分布数
全文摘要
本发明提供了一种放电回路微电感的计算机辅助测量方法。本发明基于Pspice软件建立精确的高压放电开关Pspice模型以及准确的放电回路Pspice模型，结合实际放电回路利用放电时回路中各个参考点之间的电压波形的差异，通过改变测试参考点，比较实测电压波形与仿真电压波形来得到放电回路中nH量级微电感的分布情况。此测量方法实质是将微小的电感量转化为与之对应的、便于测量的电压量，从而能够减小测量误差。放电回路电感与电路的安装形式、包围面积紧密相关，此方法测量时不用改变电路的状态，可以得到最精确的回路参数。
文档编号G06F17/50GK102339346SQ20111017235
公开日2012年2月1日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者朱鸿志, 李华梅, 杨永辉 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所