高压点火电源的Pspice仿真技术.pdf

第 4 5卷第 9期 2 0 1 1年 9月 电力电子技术 P o w e r E l e c t r o n i c s Vo 1 ． 4 5，No ． 9 S e p t e mb e r 2 01 1 高压点火电源的 P s p i c e 仿真技术 朱鸿志 ，杨永辉 ，刘 炜 中国工程物理研究院电子工程研究所 ，四川绵阳6 2 1 9 0 0 摘要高压点火电源是直列式引信爆炸箔起爆系统 E F I s 的关键部分。传统设计主要依赖 于经验的积累和大 量重复试验， 如果利用计算机辅助分析则可大大提高其设计水平。这里基于 P s p i c e 仿真平台建立 了高压点火 电源的计算机仿真模型 ， 解决了高压变压器、 逻辑控制模块等关键部分的建模问题 ， 并对其充 电特性进行了计 算机仿真分析。通过实验监测了实际样机的充电特性 ， 发现实测波形与仿真波形吻合较好， 验证了该仿真模型 的准确性。 关键词 高压点火电源仿真 ；模型 中图分类号 T N 8 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 1 0 0 X 2 0 1 1 0 9 - 0 0 0 5 - 0 2 Ps p i c e S i mu l a t i o n o f Hi g h Vo l t a g e I g n i t i o n Po we r S u p p l y Z HU Ho n g ． z h i ．YANG Yo n g h u i 。L I U We i I n s t i t u t e o fE l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g C h i n a Ac a d e m y o fE n g i nee r i ng P h y s ic s ，Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 0 ，Chi n a Ab s t r a c t H i g h v o l t a g e i g n i ti o n p o w e r s u p p l y i s a k e y p a r t i n t h e e x p l o d i n g f o i l i n i ti a t o r s y s t e m E F I s o f i n l i n e f u z e ， a n d t h e d e s i g n o f i t ma i n l y d e p e n d s o n e x p e ri e n c e a s w e l l a s r e p e a t e d e x p e rime n t ． Ho we v e r ， t h e d e s i g n e f f i c i e n c y ma y b e i mp r o v e d b y u s i n g c o mp u t e r - md e d a n a l y s i s ． On e s i mu l a ti o n mo d e l o f h i g h v o l t a g e i gni t i o n p o w e r s u p p l y i s e s t a b - l i s h e d b a s e d o n P s p i c e s o f t wa r e a n d t h e c h a r g e c h a r a c t e ri s t i c i s a n a l y z e d wi t h s i mu l a t i o n ． At t h e s a me t i me， t h e c h a r g e c h a r a c t e ri s t i c i s s t u d i e d w i t h e x p e rime n t s ， a n d t h e e x p e rime n t a l r e s u l t s a r e c o mp a r e d wi t h the s i mu l a t i o n ． I t i s o b v i o u s l y s e e me d t h a t t h e y h a v e t h e s a me r e s u l t s ． Ke y wo r d s h i g h v o l t a g e i g n i ti o n p o we r s u p p l y；s i mu l a t i o n；mo d e l 1 引 言 2 高压点火电源的工作原理 直列式引信 由于采用冲击片雷管Ⅲ 这种无需 机械隔离且全部使用 电子器件的高能冲击片雷 管 ， 因此能实现保险与可靠解除保 险的功 能。 用于 起 爆 冲 击片 雷管 的 E F I s是直 列 式 引信 中的关键 部分 ， 具有传统起爆系统无法 比拟 的优 点【 2 J 。E F I s 能否可靠工作主要取决于高 压点火 电源 ，因此对 于高压 点火 电源 的研究就 成了直列式 引信设计 工 作的重点 。 目前 ．对 高压点火 电源 的设计 主要依靠相 关 经验及大量重复 的实验来完 成 。若将计算机辅助 设计与相关设计工作结合 ． 将大大提高设计 水平 ． 缩 短产 品的研发周期 ，因此 这里将基于 P s p i c e仿 真 平 台 ， 解 决高压 变压器 、 逻辑控 制模块 、 非线性 半导体器件等关键部分的建模问题。建立准确的 高压点火电源仿真模型 ， 并进行实验研究。 定 稿 日期 2 0 1 1 0 3 0 9 作 者 简 介 朱 鸿 志 1 9 8 5 一 ， 男 ， 湖 北 宜昌人 ， 硕 士 ， 研 究方 向为 武 器电子 学。 高压 点火 电源即高压变换器 ， 其作用是在直列 式 引信系统完成解除保 险后 ， 给高压 电容充 电。其 电路原理如 图 1 所示 。 图 1 高压点火电源 电路原理示意图 C 当控 制模块为 开关管 V M 提供 充 电激励信 号 S W时 ， 就 开始 给 高压变 压器 T的初 级励 磁 电 感 厶 充 电 ， T的初 级 电流 i由零 开始上 升 ，直到 V M 的关 断信 号来到 。当 V M关 断后 ， 上的能量 就通过 耦合转移到 次级励磁 电感 L 上 。由此 ， 通 过控制模块驱动 V M进行逆变 ， 就能将约 3 0 v的 直流 电转换成几十千赫兹 的交流 电压 。由 T升压 至 1 2 k V， 然 后经高压硅堆整 流后给 电容 C充 电 至需要 的高压起爆 电压 。 5 ⋯一 电 力 电子技 术 2 01 1年 9月P o we r E l e c t r o n i c s Vo 1 ． 4 5 ，No ． 9 S e p t e mb e r 2 01 1 3 引信 高压 点火 电源 的仿 真模 型 【 1 - k 一 】 ／ Ⅳ为变压器匝比 ； ⑥￡ 一 。 利 用 P s p i c e仿真对 高压点火 电源进行计算机 辅助分析和 设计 ，图 2示 出高压 点火 电源 的仿真 模 型。图中 N MO S 与 P MO S构成整个 点火 电源 的 安全控制 模块 ； 高压变压器 T 与场效应管 N MO S 构成 换流模 块 ，将 电压转 化为数千 伏的交流 脉 冲 电压 ； R ， V D ， C 3 构成 吸 收 电路 ，用 于保 护 N MO S 在换流工作时不被变压器漏感所产生 的尖 峰 电压击 穿； V D ， R ， C 构成整 流模块 ， 可将 数千 伏 的脉冲 电压整流为所需的稳定高压 ，并且储能 于 C 中 ； R ， ， R 。 构成 反馈 电路 ，将实 时高压值通 过分压反馈给控制模块，进而由控制模块来控制 点火 电源工作 ， 使 c 2 能够得到稳定高压 。 图 2高压 点火 电源 仿真模 型 为 能准 确模拟 高压 点火 电源 的工作 情况 ， 要 求 电路各部分的模型 能够尽 可能准 确。在建模时 需注意 以下事项 1 场效 应管模 型的建 立 为达到较 高 的仿 真精度 ，最好在互联 网上下载 所使 用场效应管的 P s p i c e模 型或根据器件 d a t a s h e e t 上 的相 关参数利 用 P s p i c e mo d e l e d i t o r工 具建 立对 应 的器 件仿 真 模型， 从而提高仿真的准确性。 2 高压 变压 器模 型的建立 高压变压器 的 建模是整个仿真过程 中的重点 。完整 的双绕组变 压器 P s p i c e模型如图 3所示[ 3 ] 。 T 。 为只 有匝 比参 数 的理 想变 压 器模 型 江 m z 为 变压 器 的初 、 次 级漏 感 ； ⋯R 为初 、 次 级直 流 电阻； ￡ 为变压 器磁 化 电感 。 图 3 完整的双绕组变压器 P s p i c e模型 图 3中各参数计算方法如下 ①在频率约为 1 k H z 处测量初级 电感得到 一 ； ②将次级短路 ， 在频率为 1 0 k H z 处测量初级电感得到 ； ③耦 合系数 、 ／ T 二 ； ④L 1 1 - k L 一 ； ⑤L 6 用欧姆表测量 R 。 和 R ， 代入 图 3所示 电路即 可得到较为准确 的高压变压器仿真模型 3 控制模块模型的建立 由于 P s p i c e软件不 能直接模拟集成 电路 芯片的逻辑工 作状态 ．因此 仿真 中的逻辑控制需要搭 建电路来 实现 。控制模 块主要 实现安全信号 S F 、频率信号 S W 的控制及 电压反馈信 号 F K的判 断功能 。控 制模块 的实现 方法 为 首先 电压源 ， 分别 给出 S W 与 S F， 然 后用一个非 门 N 1来实现 F K信号 的判断。非门的 模型 网表如下 ．s u bc k t nl 1 3 e 1 4 0 v a l u e {i f v 1 2 ． 5 ，1 0 0 m，5 } r d 4 3 1 o o c d 3 0 1 0 p ．e n d s 这 里通 过设 置 v 1 的 比较 值来 确定 反馈 的 参考 电压 值 2 ． 5 V ， 此时若反馈 电压小于 2 ． 5 V， 则 N 端 口 3的输 出电压为 5 V，反之端 口 3的输 出电压 为零 。最后用 一个 与 f 1 A N D 2来实现通过 反馈判断来控制 S W 输 出的 目的 ， 只有当 A N D 2的 端 口 1为高电平时， S W 才能加到 N MO S 的栅极上。 工作流程如下 仿真开始后 3 2 m s 时 ， 分 别给 出 S W 与 S F ，同时 N1判断其端 口 1上 的反 馈 电压 小于 2 ． 5 V， 则其端 口 3输 出 5 v的高 电平 加在 A N D 2的端 口 1上。此 时 产 生的 S W 就能 输入到 N MO S 的栅极上 ， 换流模块 开始工作 ， 开 始充高压 。 当 上的电压 U 晓超过一定值使得反馈 的分压 大于 2 ． 5 V时 ， N1的端 口 3输 出低 电平 ， 此 时 产 生的 S W 不能输 入到 N MO S 的栅极上 ， 换流模块及 c 停止工作。这样通过该 闭环控 制可 使 上的电压稳定在所设定 的电压值 附近。将其 他分立元器件的值代入仿真模型进行分析 ， 图 4为 高电压点火 电源 上 的充 电电压和高压变压器端 口2，即 N MO S 场效应管漏极上的电压仿真波形。 可见 ， 高压充 电时间约为 9 0m s ， 充电电压为 1 k V。 ； t ／ m s 图 4 高压点火电源仿真波形 4实验 研 究 按照仿真 电路 设计 并制作样机 ， 下转第9页 L P WM控 制 的 正 交 二 相 电磁 搅 拌 电 源 形在 电流为 正的情况 下封锁 了下 管的触 发脉冲 ． 电流为负的情况下封锁了上管的触发脉冲。这样 在 电流正、负半周期 的时间内就不可能 出现上 下 管直通 的情况 ， 而只有在 电流 由正转负换相 ， 或 由 负转 正换相的时间点上加上死 区就能有效地保护 功率管的正常使用 。 t ／ 2 5 0 u s ／ 格 图 7 L P WM 脉 冲死 区波 形 5 ． 3 两相 负载输 出电压 波形 虽 然 L P WM 的输 出电压波 形不是 正弦 波 ． 但 由图 8可见 ，经滤波 后输 出电压波 为非常光滑 的 正弦波 ，这对 于负载 要求的磁场 电压 是完全符合 的。只是在换相 点处有 一两个载波 周期不连续 的 波形 ， 可通过手动调节换相角 使其波形更加完 善。 t ／ 5 0 ms ／ 格 图 8 电磁搅拌电源输出电压波形 5 ． 4 L P WM 输 出电压 与 中间电压波形 图 9示 出直流 电压 波形 与输 出 电压 ‰波 形 。若 波 动过大 ， 会 导致 I G B T爆炸 ， 所 以监视 的波动也是电磁搅拌电源的一项重要指标。由 图可见 ， 的波 动基 本上是 u 。 波 动频率 的两倍 。 在实验过程 中还可知 ． 当给定频率越小 。 给定 电压 越大 ， 的波动也越大。解决该 问题的方法可在 中间直流侧多加电容。 蛙 三 ； 一 蝗 三 ； ～ S t ／ 5 0 ms ／ 格】 图 9 直流 电压波形与输出电压波形 6 结 论 由于该 电磁搅 拌 电源 采用 L P WM调 制 方式 ． 仅需在换相点处加～个死 区即可满足 功率管保护 条件 ， 没有 上下 功率开关 管同时导通 的危 险。 增强 了整个系统的安全性 ，提高 了开关频率及 电能利 用效率 ， 减少 了死 区损 失。 参考 文 献 [ 1 】 赵可斌， S B D e w a n ． 连续铸钢用低频电磁搅拌 电源的 研究[ J ] ． 西安交通大学学报 ， 1 9 8 3 ， 1 7 6 1 3 2 2 ． [ 2 】 常云龙 ， 宋文清． 逆变方波焊接 电磁搅拌 电源研究及 应用[ J ] ． 焊接技术 ， 2 0 0 5 ， 3 4 1 3 6 4 0 ． 【 3 ] 魏 毅 立 ， 李 华 德 ． 电磁 搅 拌 电源 [ J ] ． 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 2 0 0 2 ， 2 4 4 1 2 ． [ 4 】 易贤群． 电磁搅拌器电控系统的研究【 D ] ． 北京 北京科 技 大学 ． 2 0 0 1 ． 上 接第6 页 对样机工作波形进行测量， 如图5 所 示。由图可见 ，高压充电时间同样约为 9 0 m s ． 充 电电压亦为 1 k V ， 仿真波形与实测波形两者吻合 较好， 说明高压点火电源仿真模型准确。 t ／ 2 0 ms ／ 格 图 5 高压点火电源 的测试波形 5 结 论 基于 P s p i e e 仿真平台， 解决了高压变压器、 逻 辑控制模块、非线性半导体器件等关键部分的建 模问题，最终建立了高压点火电源的计算机仿真 模型 ， 对 其充 电特 性进行 了仿真研 究 。 仿真结果与 实际测试波形相吻合，表明采用 P s p i e e 建立的高 压点火 电源 模型是准确 的。利用此模 型可以很好 地模拟 高压 点火 电源 的工作特性 。能够方便地 调 整相 关电路 参数 ，实时监测 电路关键 点的电气特 性 ，对 于提 高高压 点火 电源 的设计水平有着非 常 积极 的意义 。 参 考 文献 【 1 ] U S P 4 7 8 8 9 1 3， n y p l a t e D e t o n a t o r U s i n g A H i s h d e n s i t y Hi g h E x p l o s i v e [ P ] ． 1 9 8 8 ． [ 2 】 司怀吉， 崔 占忠， 冀建平． 引信微型高频高压点火 电源 的研究【 J 】 ． 制导与引信， 2 0 0 5， 2 6 3 3 4 3 7 ． [ 3 】 C h fi s t o p h e P B a s s o ． S w i t c h - M o d e P o w e r S u p p l i e s S P I C E S i m u l a t i o n s a n d P r a c t i c a l D e s i g n s [ M] ． 北京 电子工业 出 版社 ． 2 0 0 9 ． 9 一 漆／ A。 。 N 一 蜂／ A。 ＼ h