一种冷阴极触发管电路仿真SPICE模型设计方法

本发明属于冷阴极触发管，尤其涉及一种冷阴极触发管电路仿真spice设计方法。

背景技术：

1、作为触发式火花隙开关的一种，冷阴极触发管部分特性是其他种类器件无法代替的，其应用领域广泛，主要是作为高压脉冲开关，用于各种高压脉冲发生器、航空引擎点火以及高压设备和元器件的防护等，但目前尚未有一个功能完善且简单可靠的spice模型。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种冷阴极触发管电路仿真spice设计方法。

2、本发明是这样实现的，一种冷阴极触发管电路仿真spice设计方法，该方法包括：

3、s1：主间隙通道设计；

4、s2：触发间隙通道设计；

5、s3：控制模块设计；

6、s4：冷阴极触发管特性参数验证及问题分析；

7、s5：基于气体放电理论改进冷阴极触发管spice模型与特性参数验证；

8、s6：改进的冷阴极触发管应用仿真及结果分析。

9、进一步，所述s1具体包括：

10、在特定的触发条件下，当外加工作电压作用到主间隙通道两端，根据外加电压的大小、方向不同，冷阴极触发管整体会表现出工作状态或是非工作状态；冷阴极触发管在非工作状态下，主间隙通道会表现出较大的绝缘阻值，一般在10mω以上，而导通后的触发管主间隙通道阻值降为零点几欧姆，近似于短路状态。

11、进一步，所述s2具体包括：

12、正常情况下，当主间隙通道两端所加电压低于触发管的自击穿电压时，触发管并不会击穿导通，此时若在触发极施加一个具有一定幅值和宽度的触发脉冲，触发极与相邻电极之间的触发间隙击穿导通，产生放电，放电的过程也即为触发管的击穿导通；由于存在外界不确定因素的干扰，为避免触发管误导通，需要设定最小触发电流itkmin。

13、进一步，所述s3具体包括：

14、（1）自击穿电压控制模块

15、冷阴极触发管的自击穿电压大小主要受管内气体的种类和压强、相邻电极间隙距离、电极材料、尺寸、形状以及电极表面状况等多种因素共同影响；一种基于电离常数、相邻电极间隙距离和触发管内气体压强三种参数下计算冷阴极触发管自击穿电压的公式：

16、

17、式中：a为气体常数；e为触发管内相邻电极的间隙距离；p为触发管内气体压强；

18、利用三种不同直流电压源的输出电压来代替上述三种参数，实现参数的输入与自击穿电压的计算；

19、(2)工作电压控制模块

20、外加具有一定幅值和宽度的触发脉冲，由冷阴极触发管一般工作特性曲线推算所需的工作电压的大小，然而实际冷阴极触发管一般工作特性曲线很难用数学函数的形式表达；

21、(3)工作电流限定模块

22、根据冷阴极触发管一般工作特性曲线，当施加较大的工作电压时，主间隙通道电路有会出现较大的工作电流，而一般的冷阴极触发管有工作电流范围限制；当主间隙电流小于最大工作电流iopmax时，节点open处的电压使压控开关s_open闭合，整个主间隙通道闭合，冷阴极触发管才能正常工作。

23、进一步，所述s4具体包括：

24、（1）自击穿电压测试

25、接上被测管，在规定电压上升时间内缓慢升高加在主间隙两端的直流电压，至主间隙击穿，并记录该击穿电压值，即为触发管的自击穿电压值；

26、（2）自击穿电压测试

27、接上被测管，在主间隙两端加上规定的工作电压，逐渐升高触发电压，使触发管工作，记下此时触发管直流电压的电压值，即为触发管的最低触发电压；

28、（3）工作电压范围测试

29、接上被测管，在规定的触发条件下，逐渐升高加在主间隙两端的直流电压，使触发管工作，并记录该直流电压值，即为触发管的最低工作电压；

30、（4）工作电流范围测试

31、接上被测管，施加规定的触发电压和工作电压，使得触发管正常工作，测量出最大工作电流值。

32、进一步，所述s5具体包括：

33、（1）间隙开关控制；

34、（2）通道电阻；

35、（3）通道电感；

36、（4）模型验证及参数设定。

37、进一步，所述步骤(1)包括：

38、气体放电开关的击穿等同于压控开关s_ch的闭合，s_ch的闭合由电压源b_ch_on控制，其输出由v(delay_over)与v(maintain)组成的逻辑决定，如果v(delay_over)和v(maintain)中任意一个大于0.5v，则b_ch_on输出为1v，开关s_ch导通；电阻r1和电容c1的存在为节点电压v(ch_on)的上升提供了一个有限的时间，从而保证开关s_ch的过渡时间有限；

39、击穿延迟：

40、节点电压v(delay_over)由行为电压源b_dly_ovr决定，其输出是一个逻辑判决式，如果节点电压v(t_over)大于v(delay)则为真，输出跃升为1v，开关s_ch闭合；这两个节点分别表示间隙电压超过静态击穿电压的时间和击穿延迟时间；

41、间隙电压超过静态击穿电压的时间以节点t_over处电压表示，由行为电压源b_t_ovr产生，其输出为仿真时间减去节点t_b的电压值，单位为s；当v(over)大于0.5v时，b_！ovr从1v下降到0v，开关s1关断——冻结c2的电压，从而冻结节点t_b的电压；节点over的电压值大小由电压源b_ovr产生，其输出为if判断语句，如果间隙电压大于静态击穿电压时，输出为1v，否则保持0v；在这里if语句判断条件为真时结果使用tanh函数来平滑开关s1从关到开状态的过渡，以避免阻止模拟解决的方案收敛的不连续；间隙电压的大小以节点v_gap处电压表示，由行为电压源b_v_gap产生，其输出为节点t1和t2间电压差的绝对值；静态击穿电压以节点v_break处电压表示，由行为电压源b_v_brk产生，其输出采用了以下公式，该公式适用于高压下非常小的间隙，单位为kv；

42、

43、击穿延迟时间是气体放电开关超过静态击穿电压的时间到开关闭合，通道导通的时间，以节点delay处的电压表示，由行为电压源b_dly产生，其输出由martin的经验公式确定，单位为s；

44、

45、式中：e为间隙电场，单位为kv/cm，以节点e_gap计算，由行为电压源b_e_gap产生，其输出为节点电压v_gap与通道间距d之比；ρ为间隙气体体积密度，单位为g/cm3，以节点rho_v计算，由行为电压源b_rho产生，其输出与间隙气体压强和大气压强有关；

46、通道维持电流：

47、开关s_ch初始闭合后，间隙电压将会迅速下降，电流开始充满整个回路，为了保持开关s_ch闭合的连续性，假设存在一个电流最小值，当通道电流大于该最小值时，无需考虑击穿延迟的问题，开关将会持续闭合，b_ch_on保持输出为1v；该电流最小值以节点i_min表示，由直流电压源b_i_min产生，当通道电流i_ch大于该最小值时，v(maintain)输出为1v；通道电流i_ch以节点i_ch处电压表示，由行为电流源b_i_ch产生，其输出为通道电流的绝对值；

48、进一步，所述步骤(2)包括：

49、电压源b_res的输出为通过自身的电流与节点r_ch处电压的乘积，表示气体放电开关被击穿后的通道间隙电阻，单位为ω；一种基于间隙距离，通道半径和通道电流三种参数下计算通道电阻的公式：

50、

51、其中c是给出的比例常数876，d是间隙距离，i是通道电流，r是计算的通道半径，单位为m；

52、

53、其中i是通道电流，单位是ka，t为通道形成时间，单位为μs，ρ为间隙气体密度，单位为g/cm3；公式被电流源b_ch_rad用来驱动节点ch_rad处的电压，用以表示通道半径；d4限制c5充电到b_ch_rad的峰值输出，而后通过r3衰减，此组合的存在是因为braginskii提出的通道半径计算公式的推导只考虑了脉冲驱动的通道增长而并未忽略了任何收缩或耗散；同时，当通道未导通时，可以使用由ch_on节点电压控制的开关来保持c6放电；braginskii通道半径表达式，需要电弧形成后的时间作为输入变量；因此，在模型中加入了一个电路来计算开关s_ch从关断到导通的最后一次转换的时间；这个时间由节点t_arc的电压表示，并以与上面描述的过电压时间相同的方式生成，使用节点ch_on电压的逻辑逆作为采样和保持电路的控制信号，该信号决定节点t_c的电弧开始时间。

54、进一步，所述步骤（3）具体包括：

55、在主电路中，用行为电流源b_ind对闭合后的通道电感进行建模；电感两端的电压通过b_ind转换成电流后，通过电容c4对电流进行积分，积分的结果在节点int_v_l处产生电压，单位为v∙s×109；然后将b_ind产生的电流设为int_v_l处的电压除以l_ch处的电压，用以表示以nh为单位的通道电感；节点l_ch处的电压由电压源b_l_ch产生，其输出使用孤立细线的电感表达式，单位为nh；

56、

57、式中：d为间隙距离，单位为cm；r为通道半径，单位为m；

58、电压源b_l_ch的输出使用了限制函数limit，这是因为当电感过小时，电压源b_ind的输出将达到无穷大，对于较小的通道半径，设置上限使得电感不至于过大。

59、进一步，所述步骤（4）具体包括：

60、施加一个具有一定幅值和一定宽度的触发电压用于激活开关s3和s4。电容器c7和c8具有相同大小而方向相反的初始电压，当开关被激活后，电容器c7和c8开始放电，有损传输线rg218用以模拟连接脉冲发射器和测试单元的同类型同轴电缆。

61、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

62、第一、本发明提出的冷阴极触发管spice模型满足现代冷阴极触发管所具有的功能，并对其做了仿真验证，且该模型可修改不同参数以满足不同场景的需求。

63、本发明在仿真软件ltspice下，针对冷阴极触发管做了模型设计、特性参数测试、改进以及仿真验证等工作。本发明提出并研究了一种新型的冷阴极触发管spice模型，在设定的参数下，其自击穿电压为15.51kv、最低触发电压为3.00kv、工作电压范围为7.03-10.00kv、工作电流小于7.14ka，所有特性参数均符合rq-10型冷阴极触发管详细规范。针对自击穿现象和导通延迟时间不可控问题，设计了两种改进型冷阴极触发管模型(i型和ii型)，其中用到的气体放电开关是基于气体放电原理构建的，当脉冲同时到达测量单元时，一个约等于电容器初始充电电压3.5倍的电压在开关上出现，脉冲到达开关的时间约为3ns，峰值持续时间约为8ns，上升、下降时间均约为8ns。为验证这两型改进冷阴极触发管的正确性，分别对这两种改进型同上文进行参数特性仿真验证，结果与改进前模型各种特性参数相似。为验证这两型改进冷阴极触发管的普适性，在三种主流电路仿真软件ltspice、multisim和pspice中对两种改进型冷阴极触发管模型做了应用仿真：在外加工作电压为16kv、18kv和20kv下，改进的冷阴极触发管(i型)均能有效抑制自击穿现象的发生；对于改进的冷阴极触发管(ii型)，分别仿真了间隙距离、气体压强和间隙电压对导通延迟时间的影响，仿真结果表明，导通延迟时间与间隙距离和气体压强成正比，与间隙电压成反比，在本发明设定的参数条件下，导通延迟时间范围为从81.30ns到481.71ns。

64、第二，本发明提出的冷阴极触发管spice模型满足现代冷阴极触发管所具有的功能，并对其做了仿真验证，且该模型可修改不同参数以满足不同场景的需求。针对在仿真验证过程中发现的一些问题，基于气体放电原理提出了改进的冷阴极触发管模型(i型)和改进的冷阴极触发管模型(ii型)，这两种改进型分别有效地解决了传统冷阴极触发管存在的自击穿现象和导通延迟时间不可控问题，同时在ltspice、multisim和pspice三种主流电路仿真软件均进行了应用仿真验证，仿真结果进一步验证了本发明所建立模型的普适性，具有较强的实现性，为后续的研究工作奠定了基础。

65、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

66、（1）本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

67、（2）本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

68、（3）本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

69、（4）本发明的技术方案是否克服了技术偏见：。