[发明专利]三电极场畸变气体开关的模型构建方法和导通过程模拟方法

说明书

本发明提供了一种三电极场畸变气体开关的模型构建方法和导通过程模拟方法，旨在更为直观的表征从外部触发电压到来，到开关经过一定的触发与贯通延时后完全闭合的导通过程。本发明通过将整个开关导通过程等效为两个独立间隙各自的击穿过程，并通过导通起始条件确定整个开关的击穿模式，使其与开关的实际使用情况更为接近。通过对结构电路中压控开关的导通控制条件的设定，将间隙击穿起始判据、导通过程延时及抖动等信息引入了开关模型中，使整个导通过程的模拟更为真实。通过间隙导通起始判断条件的改变，可根据实际情况改变开关导通的控制方式，形式灵活多样，适用于脉冲功率技术领域大部分应用中该类开关导通过程的模拟与仿真。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种三电极场畸变气体开关的模型构建方法和导通过程的模拟方法。

背景技术

在大功率、高压脉冲装置研制、调试与运行过程中，通常采用对装置真实充放电过程进行电路建模与仿真的方法来获取装置关键部件、关键部位的状态信息。整个运行过程的准确建模与仿真，对于脉冲功率装置前期设计、指标调试，甚至后续运行过程中故障的发现与排除，均具有重要的指导意义。气体开关作为大型脉冲功率装置中常用且关键的状态切换部件，对其导通过程全面真实的模拟，对于提高整个装置电路仿真模型的准确性与实用性至关重要。开关导通过程受到触发电压、工作电压、结构参数、电流上升时间、抖动等众多参数的影响，其中涉及的时间参量(如触发与导通延时及其抖动)对脉冲功率装置内部电压建立过程与最终输出结果具有十分显著的影响。

三电极场畸变气体开关因为具有耐受电压高、通流时间快、结构紧凑、触发稳定可靠等优点，被广泛应用于大型脉冲功率装置中。三电极场畸变气体开关结构如图1所示，主要由一对主电极、一个置于主电极中间位置的触发电极，以及位于主电极和触发电极之间的支撑绝缘子组成。该结构决定了开关放电主间隙被触发电极分成了两个相对独立的小间隙，如图中所示间隙1和间隙2。由于气体放电物理过程极其复杂，且具有很大的随机性，所以使得该类具有两个独立气体间隙的开关的导通过程也变得十分复杂，因而给基于电路建模的该类开关导通过程的模拟带来很大的困难。

发明内容

基于上述背景技术，本发明提供了一种三电极场畸变气体开关的模型构建方法和导通过程模拟方法，该方法可以更为直观的表征从外部触发电压到来，到开关经过一定的触发与贯通延时后完全闭合的导通过程。

图1所示三电极场畸变气体开关在工作电压与触发电压共同作用下可能会出现顺序击穿和两间隙同步击穿两种工作模式。

顺序击穿模式下开关导通过程如图2所示，以触发极电压作用起始时刻为时间起点，经一段延迟时间t_a后，其中一间隙电压在触发极电压与工作电压共同作用下达到其自击穿电压时发生击穿。其中，t_a定义为开关间隙的触发延迟，主要由产生有效电子所需的统计延时和放电流注通道形成并导致间隙电阻开始发生坍塌所需的形成时延组成。因上述过程均具有很大的随机性，所以该延迟时间t_a在不同放电次数中存在一定的偏差，即触发时延存在一定的抖动△t_a。一个间隙击穿后，主间隙上的电压将完全作用在另一间隙上使其发生过压，进而发生导通。放电的起始与发展需要一定的时间，因此从第一个间隙导通到第二个间隙开始发生击穿存在一个延迟时间t_d。同时，该延迟时间t_d也存在一定的抖动△t_d。两个间隙发生导通后，主间隙上电压发生坍塌，最终降为零，整个开关完全导通。这一过程也因间隙中等离子体放电通道的逐渐膨胀与发展，即通道电阻的坍塌存在一个过程，而需要一定的延迟时间t_c，即间隙贯通延时。

两间隙同步击穿模式下，开关两间隙在触发电压作用下，几乎同时达到静态击穿点而开始发生击穿。经过有效电子产生、流注形成、通道电阻坍塌等过程后，最终导致整个开关发生导通。

可见，无论何种工作模式，均可将单个开关间隙击穿的延时过程简化等效为由触发延时t_a和间隙贯通延时t_c两部分组成。