一种冲击电压发生电路的参数选择方法和装置与流程

本发明涉及高电压试验技术领域，具体地说，是一种冲击电压发生电路的参数选择方法和装置。

背景技术：

雷电上行先导模拟试验是大尺度地面目标物雷击防护研究的基础课题之一，在目标物附近产生与自然雷电等效的时变电场是雷电上行先导模拟试验的关键。研究表明雷云地闪过程中的近地电场具有由缓渐陡且近似呈单调指数上升的时变特征。

目前，一种冲击电压发生装置(见附图2)，可用来解决雷电上行先导模拟试验中的电场时变特征等效性基础问题。所述冲击电压发生装置通过多个单元电路(见附图3)串联输出更高冲击电压，理论上增加串联单元级数n，其电压输出能力随级数成倍增加，并且其产生的冲击电压波形呈单调指数上升的时变特征，可与自然雷电的时变电场等效。

该技术应用时，仅能通过不断试配、不断组合单元电路的多个参数，才能输出符合目的的冲击电压，增加了研制成本和开发时间。如何合理地选择单元电路参数是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种冲击电压发生电路的参数选择方法和装置，根据目标输出电压来确定最优的单元电路参数，降低了研制成本和减少了开发时间。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种冲击电压发生电路的参数选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

a:获取目标输出电压的冲击电压峰值ucmax、冲击电压陡度duc/dt以及高压脉冲主电容c、开断周期ts；

b:由步骤a中的c、ts确定高压绕组电感l2的取值范围，在所述l2的取值范围内选取所述l2的设计值；

c:获取储能电压ud的设计值，并通过所述ud以及步骤a中的c、ucmax、duc/dt、ts以及步骤b中的l2的设计值确定低压绕组电感l1的取值范围，在所述l1的取值范围内选取所述l1的设计值；

d:由步骤a中的c、ucmax以及步骤c中的ud确定储能电容cd的取值范围；

e:由步骤a中的ucmax、步骤b中的l2的设计值以及步骤c中的ud、l1的设计值确定开关s额定电压ue(s)的取值范围；

由步骤a中的c、ucmax、duc/dt、ts以及步骤c中的l1的设计值确定s额定电流ie(s)的取值范围；

f:由步骤a中的ucmax、步骤b中的l2的设计值以及步骤c中的ud、l1的设计值确定硅堆d额定电压ue(d)的取值范围；

由步骤a中的c、ucmax、duc/dt、ts以及步骤c中的l2的设计值确定d额定电流ie(d)的取值范围；

进一步地，所述步骤a中ucmax应满足：

式中uo为输出电压峰值，n为装置串联级数。

进一步地，所述步骤b中，确定l2取值范围的公式为：

进一步地，步骤c中，确定l1取值范围的公式为：

式中，能量储存电流峰值

能量转移电流峰值

进一步地，步骤d中，确定cd取值范围的公式为：

进一步地，所述步骤e中，确定ue(s)取值范围的公式为：

所述步骤e中，确定ie(s)取值范围的公式为：

进一步地，所述步骤f中，确定ue(d)取值范围的公式为：

步骤f中，确定ie(d)取值范围的公式为：

进一步地，还包括步骤h，输出如下参数：

ucmax、duc/dt、ts、c、ue(s)的取值范围、ie(s)的取值范围、l2的设计值、ud、l1的设计值、cd的取值范围、ue(d)的取值范围、ie(d)的取值范围。

一种冲击电压发生电路的参数选择装置，包括：

获取单元，用于获取目标输出电压的冲击电压峰值ucmax、冲击电压陡度duc/dt以及高压脉冲主电容c、开断周期ts；

第一确定单元，用于根据获取单元中的c、ts确定高压绕组电感l2的取值范围，并在所述l2的取值范围内获取所述l2的设计值；

第二确定单元，用于获取储能电压ud的设计值，并通过所述ud以及获取单元中的c、ucmax、duc/dt、ts以及第一确定单元中的l2的设计值确定低压绕组电感l1的取值范围，在所述l1的取值范围内获取所述l1的设计值；

第三确定单元，用于根据获取单元中的c、ucmax以及第二确定单元中的ud确定储能电容cd的取值范围；

第四确定单元，用于根据获取单元中的ucmax、第一确定单元中的l2的设计值以及第二确定单元中的ud、l1的设计值确定开关s额定电压ue(s)的取值范围；

第五确定单元，用于根据获取单元中的c、ucmax、duc/dt、ts以及第二确定单元中的l1的设计值确定s额定电流ie(s)的取值范围；

第六确定单元，用于根据获取单元中的ucmax、第一确定单元中的l2的设计值以及第二确定单元中的ud、l1的设计值确定硅堆d额定电压ue(d)的取值范围；

第七确定单元，用于根据获取单元中的c、ucmax、duc/dt、ts以及第一确定单元中的l2的设计值确定d额定电流ie(d)的取值范围。

进一步地，还包括输出单元，用于输出如下参数：

ucmax、duc/dt、ts、c、ue(s)的取值范围、ie(s)的取值范围、l2的设计值、ud、l1的设计值、cd的取值范围、ue(d)的取值范围、ie(d)的取值范围。

有益效果：

本发明的冲击电压发生电路的参数选择方法和装置，通过目标输出电压逆向推导出单元电路的各个参数，针对性强，降低了研制成本和减小了项目开发时间。

附图说明

图1是本发明冲击电压发生电路的参数选择方法的流程图；

图2是本发明的一实施例的冲击电压发生装置电路示意图；

图3是图2冲击电压发生装置的单元电路示意图；

图4是图3单元电路的输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一：

冲击电压发生装置，如图2所示，利用所述单元电路通过多级串联输出更高输出电压峰值uo。理论上增加串联单元级数n，其电压输出能力随级数成倍增加。

冲击电压发生装置的单元电路，如图3所示，图中，cd为储能电容，ud为储能电压，可近似为电路的直流电压源；s为全控型电力电子开关，vr为开关s的过压保护电阻；t为高压大功率反激变压器，兼有储能、升压和隔离的作用，l1和l2分别表示其低压绕组和高压绕组电感，高、低压绕组耦合系数k12接近1；d为高压快恢复脉冲硅堆；c为高压脉冲主电容。单元电路作为构建mv级新型冲击电压发生装置的基本单元。

冲击电压发生装置工作过程：通过对s实施高频通断控制，在s导通期间，d截止，cd通过l1向反激变压器储存磁能，i1为变压器储能电流，在s断开期间，d导通，反激变压器磁能通过l2对c快速充电，i2为主电容充电电流，从而实时控制c的充电过程，在c上产生ucmax。

本实施例以雷电流幅值10ka，间隙尺度为10m的模拟实验为典型情况开展装置设计与分析。

该典型情况要求的装置输出电压峰值在1.3mv左右，最大电压上升率约为1.3～2.6kv/us。

依图1冲击电压发生电路的参数选择方法的流程图开展电路设计。

电路参数选择：

a：获取目标参数：获取目标输出电压参数，包括ucmax、duc/dt、c、ts；

本实施例中，为实现输出电压峰值uo＝1.3mv，设计装置串联级数n为60，考虑到电压输出效率问题，因而ucmax需满足：

即21.6kv＜ucmax＜28kv；

获取单元电路的ucmax＝25kv；

在此级数配置下，对单元电路的电压上升率要求约为0.02～0.04kv/us，因此，获取duc/dt＝0.04kv/us；

考虑高压大功率开关器件的短时高频通断能力，本实施例获取ts＝50us；

各单元电路主电容的取值应一致且考虑装置的电压输出效率问题，一般应使输出总电容比模拟试验间隙电容cgap至少大一个数量级，按此条件c的选取应满足：

式中：n＝60，cgap按间隙尺度10m和板电极直径20m考虑，其等效电容约280pf，得c≥168pf；

获取c＝200pf。

b:确定l2设计值:l2设计值应保证任一开关周期变压器储能向c全部转移，即满足：

式中，c＝200pf，ts＝50us；

计算得出l2＜5.07mh；

l2取值越小，能量转移时间越短，能量转移速度就越快。但在主电容能量增量一定的情况下，其取值越小，对d的短时峰值通流能力要求就越高。获取l2＝5mh。

c:确定l1、ud：ud和l1设计值应保证单开关周期内变压器最长储能时间与主电容充电时间之和小于ts，即满足：

式中，能量储存电流峰值

能量转移电流峰值

式中，c＝200pf，ucmax＝25kv，duc/dt＝0.04kv/us，ts＝50us，l2＝5mh，计算得出：

获取ud＝500v,则l1<18.06uh，l1取值越小，s承受的电压应力越小，并且在开关周期充电量一定的情况下，减小l1有利于提高大容量磁能的存储速度。但l1取值越小，i1max越大，对s的短时峰值通流能力要求就越高，在此范围内选择l1＝18uh。

d：确定cd：cd设计值应保证冲击电压发生过程中，其压降满足：

式中，c＝200pf，ucmax＝25kv，ud＝500v，计算得出：

cd＞10mf,

获取cd＝30mf。

e：开关选型参数：获取ue(s)、ie(s)取值范围；

式中，ucmax＝25kv，l2＝5mh，ud＝500v，l1＝18uh，计算得出：

ue(s)＞2kv；获取ue(s)＝3.3kv；

式中，ucmax＝25kv，c＝200pf，duc/dt＝0.04kv/us，l1＝18uh，ts＝50us，计算得出：

ie(s)＞1033a，获取ie(s)＝1500a。

f:确定ue(d)、ie(d)：ue(d)、ie(d)满足：

式中，ucmax＝25kv，l2＝5mh，ud＝500v，l1＝18uh，计算得出：

ue(d)＞33.3kv，获取ue(d)＝40kv；

式中，ucmax＝25kv，c＝200pf，duc/dt＝0.04kv/us，l2＝5mh，ts＝50us，计算得出：

ie(d)＞62a，获取ie(d)＝100a。

h：输出参数

ucmax＝25kv；duc/dt＝0.04kv/us；ts＝50us；c＝200pf；ue(s)＝3.3kv；ie(s)＝1500a；l2＝5mh；ud＝420v；l1＝18uh；cd＝30mf；ue(d)＝40kv；ie(d)＝100a。

如图4，本实施例的单元电路输出电压波形图，与典型目标波形吻合度较高，实现了发明目的。

一种冲击电压发生电路的参数选择装置，包括：

获取单元，用于获取目标输出电压的冲击电压峰值ucmax、冲击电压陡度duc/dt以及高压脉冲主电容c、开断周期ts；

第一确定单元，用于根据获取单元中的c、ts确定高压绕组电感l2的取值范围，并在所述l2的取值范围内获取所述l2的设计值；

第二确定单元，用于获取储能电压ud的设计值，并通过所述ud以及获取单元中的c、ucmax、duc/dt、ts以及第一确定单元中所得出的l2的设计值确定低压绕组电感l1的取值范围，在所述l1的取值范围内获取所述l1的设计值；

第三确定单元，用于根据获取单元中的c、ucmax以及第二确定单元中的ud确定储能电容cd的取值范围；

第四确定单元，用于根据获取单元中的ucmax、第一确定单元中的l2的设计值以及第二确定单元中的ud、l1的设计值确定ue(s)的取值范围；

第五确定单元，用于根据获取单元中的c、ucmax、duc/dt、ts以及第二确定单元中的l1的设计值确定ie(s)的取值范围；

第六确定单元，用于根据获取单元中的ucmax、第一确定单元中的l2的设计值以及第二确定单元中的ud、l1的设计值确定ue(d)的取值范围；

第七确定单元，用于根据获取单元中的c、ucmax、duc/dt、ts以及第一确定单元中的l2的设计值确定ie(d)的取值范围；

输出单元，用于输出如下参数：ucmax、duc/dt、ts、c、ue(s)的取值范围、ie(s)的取值范围、l2的设计值、ud、l1的设计值、cd的取值范围、ue(d)的取值范围、ie(d)的取值范围。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。