[發(fā)明專利]三電極場畸變氣體開關的模型構建方法和導通過程模擬方法

有效

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• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN108229038B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發(fā)明（設計）人: 賈偉;郭帆;陳志強;湯俊萍;李俊娜;楊天;陳維青;曾江濤;邱愛慈
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 楊引雪

本發(fā)明提供了一種三電極場畸變氣體開關的模型構建方法和導通過程模擬方法，旨在更為直觀的表征從外部觸發(fā)電壓到來，到開關經過一定的觸發(fā)與貫通延時后完全閉合的導通過程。本發(fā)明通過將整個開關導通過程等效為兩個獨立間隙各自的擊穿過程，并通過導通起始條件確定整個開關的擊穿模式，使其與開關的實際使用情況更為接近。通過對結構電路中壓控開關的導通控制條件的設定，將間隙擊穿起始判據(jù)、導通過程延時及抖動等信息引入了開關模型中，使整個導通過程的模擬更為真實。通過間隙導通起始判斷條件的改變，可根據(jù)實際情況改變開關導通的控制方式，形式靈活多樣，適用于脈沖功率技術領域大部分應用中該類開關導通過程的模擬與仿真。

技術領域

本發(fā)明屬于脈沖功率技術領域，涉及一種三電極場畸變氣體開關的模型構建方法和導通過程的模擬方法。

背景技術

在大功率、高壓脈沖裝置研制、調試與運行過程中，通常采用對裝置真實充放電過程進行電路建模與仿真的方法來獲取裝置關鍵部件、關鍵部位的狀態(tài)信息。整個運行過程的準確建模與仿真，對于脈沖功率裝置前期設計、指標調試，甚至后續(xù)運行過程中故障的發(fā)現(xiàn)與排除，均具有重要的指導意義。氣體開關作為大型脈沖功率裝置中常用且關鍵的狀態(tài)切換部件，對其導通過程全面真實的模擬，對于提高整個裝置電路仿真模型的準確性與實用性至關重要。開關導通過程受到觸發(fā)電壓、工作電壓、結構參數(shù)、電流上升時間、抖動等眾多參數(shù)的影響，其中涉及的時間參量(如觸發(fā)與導通延時及其抖動)對脈沖功率裝置內部電壓建立過程與最終輸出結果具有十分顯著的影響。

三電極場畸變氣體開關因為具有耐受電壓高、通流時間快、結構緊湊、觸發(fā)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于大型脈沖功率裝置中。三電極場畸變氣體開關結構如圖1所示，主要由一對主電極、一個置于主電極中間位置的觸發(fā)電極，以及位于主電極和觸發(fā)電極之間的支撐絕緣子組成。該結構決定了開關放電主間隙被觸發(fā)電極分成了兩個相對獨立的小間隙，如圖中所示間隙1和間隙2。由于氣體放電物理過程極其復雜，且具有很大的隨機性，所以使得該類具有兩個獨立氣體間隙的開關的導通過程也變得十分復雜，因而給基于電路建模的該類開關導通過程的模擬帶來很大的困難。

發(fā)明內容

基于上述背景技術，本發(fā)明提供了一種三電極場畸變氣體開關的模型構建方法和導通過程模擬方法，該方法可以更為直觀的表征從外部觸發(fā)電壓到來，到開關經過一定的觸發(fā)與貫通延時后完全閉合的導通過程。

圖1所示三電極場畸變氣體開關在工作電壓與觸發(fā)電壓共同作用下可能會出現(xiàn)順序擊穿和兩間隙同步擊穿兩種工作模式。

順序擊穿模式下開關導通過程如圖2所示，以觸發(fā)極電壓作用起始時刻為時間起點，經一段延遲時間t_a后，其中一間隙電壓在觸發(fā)極電壓與工作電壓共同作用下達到其自擊穿電壓時發(fā)生擊穿。其中，t_a定義為開關間隙的觸發(fā)延遲，主要由產生有效電子所需的統(tǒng)計延時和放電流注通道形成并導致間隙電阻開始發(fā)生坍塌所需的形成時延組成。因上述過程均具有很大的隨機性，所以該延遲時間t_a在不同放電次數(shù)中存在一定的偏差，即觸發(fā)時延存在一定的抖動△t_a。一個間隙擊穿后，主間隙上的電壓將完全作用在另一間隙上使其發(fā)生過壓，進而發(fā)生導通。放電的起始與發(fā)展需要一定的時間，因此從第一個間隙導通到第二個間隙開始發(fā)生擊穿存在一個延遲時間t_d。同時，該延遲時間t_d也存在一定的抖動△t_d。兩個間隙發(fā)生導通后，主間隙上電壓發(fā)生坍塌，最終降為零，整個開關完全導通。這一過程也因間隙中等離子體放電通道的逐漸膨脹與發(fā)展，即通道電阻的坍塌存在一個過程，而需要一定的延遲時間t_c，即間隙貫通延時。

兩間隙同步擊穿模式下，開關兩間隙在觸發(fā)電壓作用下，幾乎同時達到靜態(tài)擊穿點而開始發(fā)生擊穿。經過有效電子產生、流注形成、通道電阻坍塌等過程后，最終導致整個開關發(fā)生導通。

可見，無論何種工作模式，均可將單個開關間隙擊穿的延時過程簡化等效為由觸發(fā)延時t_a和間隙貫通延時t_c兩部分組成。