ANSYS软件用于大功率脉冲电源仿真设计

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关键技术问题
大功率开关器件MOSFET或IGBT
传统技术需要使用上万伏的高压电; 新型的固态开关调制器技术只需使用数千伏的高频开关电源， 需要使用峰值电压上千伏、峰值电流很大的MOSFET或者IGBT. MOSFET开关速 度更快，IGBT功率更大，使用电压更高。
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背景介绍
应用领域
雷达发射
粒子加速器 工业辐照
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背景介绍
雷达发射
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背景介绍
粒子加速器
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ANSYS固态调制器方案
利用ANSYS软件平台功能考虑的下一步优化方向：
对脉冲变压器原副边的终端阻抗建模，提高模型精度
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ANSYS固态调制器方案
利用ANSYS软件平台功能考虑的下一步优化方向：
利用Q3D进一步提取PCB寄生参数，包括背板、驱动开关板、接地线和端口连接
总结
利用ANSYS软件平台 Simplorer+PExprt+Q3D Extractor搭 建固态调制器仿真和设计平台，使用户能精确设计和仿真 包括固态快关模型、脉冲变压器模型、电路和元件寄生参 数模型等的系统，帮助用户节约设计时间和成本，全方位 分析和优化系统性能，将帮助设计生产出性能稳定优异的 固态调节器系统。
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用ANSYS软件解决关键技术问题
大功率开关器件MOSFET或IGBT
ANSYS Simplorer包含的特征化建模工具，可以创建半导体器件行为级、平均 和动态模型。固态调制器需要的大功率MOSFET或IGBT,性能要求高，根据供应 商的数据手册，在特征化建模工具中输入足够多的数据信息，使虚拟模型最大 限度地接近实际物理模型。
所以， 对系统级测试须满足以下要求：
科学的测试方案和策略 丰富和精度足够高的测试仪器 丰富的测试经验 …………
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内容提要
背景介绍
关键技术问题
用ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS固态调制器方案
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Simplorer+PExprt+Q3D 搭建的系统模型
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ANSYS固态调制器方案
仿真结果和测试结果对比
基本吻合的指标： -输出波形上升下降时间； -输出波形幅值
可以看出一些普通仿真软件 看不到的影响： -寄生参数引起的振荡 -铁芯饱和效应
。
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关键技术问题
脉冲变压器
副边电压高
原副边匝比高
低漏感 低耦合电容 高带宽 环形（漏感小） 磁芯要求适合脉冲工作： （磁感应强度高、磁导率高 温度及频率特性好）
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关键技术问题
PCB板和元器件布局
固态调制器调节速度快，开关控制的电压电流大，寄生电感电容参数对系统影 响大。 当di/dt大于10kA/uS时，环路电感大于5-10nH,电路的性能将明显受到不良影 响。 PCB板和元件的布局在设计中至关重要。
最大电压：18KV
用Simplorer搭建的等效电路模型：
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ANSYS固态调制器方案
设计脉冲变压器
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ANSYS固态调制器方案
设计脉冲变压器
PExprt的双2D 有限元分析法对设计的变压器参数分析结果：
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ANSYS固态调制器方案
利用ANSYS软件平台功能考虑的下一步优化方向：
采用“感应叠加原理”设计脉冲变压器，减少变压器副边绕组匝数，以减小漏 感，增加脉冲传输网络的带宽。
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用ANSYS软件解决关键技术问题
输出波形质量要求高
ANSYS PExprt设计脉冲变压器，
ANSYS Q3D抽取PCB和元器件的寄生参数，如环路电感等，
ANSYS Simplorer结合PExprt、 Q3D生成的模型搭建固态调制器仿真模型，
根据设计需求灵活设置驱动脉冲的宽度和频率，全面考察输出波形。
参数 最大峰值电压(V) 降额峰值功率（kW/单个器件） 开关速度-ON、OFF（nS） 控制脉冲宽度 控制脉冲功率（uJ/脉冲） MOSFET 1200 >80 <20 20ns-DC <5 IGBT 3300 3000 >7000 <200 600ns-DC <30
100 峰值额定脉冲电流(A) 一些的大功率 MOSFET和 IGBT参数表：
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背景介绍
工业辐照
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背景介绍
目前在国内的高能粒子加速及雷达发射领域，大多采用工频率高 压电源及“闸流管/PFN/脉冲变压器”组成的线型调制器方案，技术相 对落后。 固态调制器技术是随着电力电子技术的发展及功率开关器件高速 度大功率背景下发展的新技术，与线型调制器相比，有以下优点：
ANSYS固态调制器方案
利用ANSYS软件平台功能考虑的下一步优化方向：
用薄铜带或金属绝缘膜隔离围绕在初次级间，减小分布电容，减小初级和 次级的相互干扰。
（PEmag(包含于PExprt)中，屏蔽层用绕组定义，可以定义其材质等）
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某一高性能固态调制器指标要求，传统技术难以达到
波形可调 上升下降速度快 功率密度高 输入电压低 开关寿命长
参数 输出电压
电压上升/下降时间 平顶脉冲宽度 突速率
要求 20KV
<=10ns 20ns-200ns连续可调 4脉冲@1.6MHz (脉冲间隔 ~600ns)
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用ANSYS软件解决关键技术问题
系统级测试、验证和优化
通过ANSYS软件平台，在制作实际物理模型前对系统进行全方位的分 析、测试、验证和优化，提高制作物理模型的成功率。
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ANSYS固态调制器方案
对元件和PCB建模
半导体器件Spice 模型 脉冲变压器Pemag(包含在PExprt中）模型
磁控管等效模型
寄生参数Q3D提取的模型
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ANSYS固态调制器方案
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用ANSYS软件解决关键技术问题
脉冲变压器
PExprt的双2D 有限元分析法对设计的变压器参数分析结果：
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用ANSYS软件解决关键技术问题
系统级测试、验证和优化
在ANSYS软件平台上，对接近真实物理模型的虚拟模型进行测试和验证， 具有很大的灵活性，仿真软件强大的求解能力和后处理能力，可以代替某些仪 器。 观察PCB和元件寄生参数对系统性能的影响，反过来优化PCB和元器件布 局； 优化IGBT或MOSFET驱动和吸收回路； 通过变压器初级回路中串联RL并联补偿电路等方法，改善脉冲顶降； 方便地对脉冲变压器进行设计更改，使其性能最大限度满足系统需求； 进行输出短路、突加突减负载等实际中风险较大的极限实现，观察系统在极 限或故障状态下的电磁特性，优化系统性能； 综合正常工作状态和极限工作状态，保证脉冲变压器和固态开关有科学的设 计裕量。 ………………………………
利用Q3D进一步提取高压电路的寄生参数，包括RC网络和阴极引线环路 提高磁控管等效模型精度：采用“反向偏置二极管负载模型”或“压敏电阻模型” 吸收电路二极管采用Spice模型
百度文库
储能电容采用等效电路
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基于磁控管的发射器
发射器是气象雷达的关键部件 主要的部件是固态调制器和磁控管 脉冲变压器使调制器和磁控管匹配
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ANSYS固态调制器方案
磁控管简介
磁控管：高功率的脉冲射频振荡器（rf-oscillator) Rf输出功率：100kW 最大占空比：0.001 脉冲宽度：0.3us-3.3us 运行频率范围：8480-9620Mhz (X-band)
May 31, 2013
关键技术问题
系统级测试、验证和优化
系统级测试 可以确保固态调制器性能，节约设计成本和时间： 大功率MOSFET、IGBT对过电压和过电流噪声敏感 ，驱动电路和吸收电路设 计不科学易造成损坏； 牵涉问题范围广，如大电流和高电压的快速开关造成的EMI/EMC问题、驱动 电路设计问题、PCB布局问题、脉冲变压器特性问题，如果器件损坏或性能 不满足要求，定位问题难度高； 固态开关器件和变压器的设计必须留有足够裕量。
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
基于前述的关键技术问题，开发固态调制器最理想的方法是有利 用性能优异的软件仿真平台，在制作物理模型前，通过仿真分析最大 限度地真实地反映物理模型的各种物理特性，通过全方位分析虚拟模 型，优化模型性能，节约开发时间和成本。
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用ANSYS软件解决关键技术问题
脉冲变压器
用ANSYS PExprt设计脉冲变压器。
PExprt用于电力电子领域中用于电感、变压器等电磁元件的设计以及分 析，结合传统磁路法和现代有限元分析技术、通过计算确定电磁元件的铁芯材 料、形状、铁芯尺寸、气隙以及绕组策略等，以达到最佳的可靠性、性能、或 者用户指定的其它指标。
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May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
PCB板和元器件布局
ANSYS Q3D Extractor输入MCAD和ECAD几何模型，如PCB布局和元件布局， 并从关键器件上提取电气寄生参数，如环路电感、电容。可以在ANSYS Simplorer或者 Ansoft Designer中利用这些寄生参数来研究其对电路性能的影 响。从而优化电路设计，改善PCB布局和元件布局等。
ANSYS软件用于大功率脉冲电源仿真设计
ANSYS 中国
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内容提要
背景介绍
关键技术问题
ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS优软件实际方案
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May 31, 2013
背景介绍
大功率脉冲电源（又名固态调制器）基本原理
内容提要
背景介绍
关键技术问题
用ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS固态调制器方案
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ANSYS固态调制器方案
ANSYS固态调制器方案用于气象雷达发射器中
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ANSYS固态调制器方案
May 31, 2013
内容提要
背景介绍
关键技术问题
用ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS固态调制器方案
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May 31, 2013
关键技术问题
输出波形质量要求高
输出波形接近矩形，尽量小的上升下降时间 脉冲幅值恒定，尽量小的脉冲电压顶降 脉冲宽度、频率可调