ANSYS软件用于大功率脉冲电源仿真设计

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1、ANSYS软件用于大功率脉冲电源仿真设计ANSYS中国1©2011ANSYS,Inc.May31,2013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2©2011ANSYS,Inc.May31,2013背景介绍大功率脉冲电源（又名固态调制器）基本原理3©2011ANSYS,Inc.May31,2013背景介绍应用领域雷达发射粒子加速器工业辐照4©2011ANSYS,Inc.May31,2013背景介绍雷达发射5©2011ANSYS,Inc.May31,2013背景介绍粒子加速器6©2011ANSYS,Inc.May31,2013背景介绍工业

2、辐照7©2011ANSYS,Inc.May31,2013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：某一高性能固态调制器指标要求，传统技术难以达到波形可调参数要求上升下降速度快输出电压20KV功率密度高电压上升/下降时间<=10ns平顶脉冲宽度20ns-200ns连续可调输入电压低突速率4脉冲@1.6MHz(脉冲间隔开关寿命长~600ns)8©2011ANSYS,Inc

3、.May31,2013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9©2011ANSYS,Inc.May31,2013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10©2011ANSYS,Inc.May31,2013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

4、压更高。参数MOSFETIGBT最大峰值电压(V)12003300峰值额定脉冲电流(A)1003000一些的大功率MOSFET和IGBT参数表：降额峰值功率（kW/单个器件）>80>7000开关速度-ON、OFF（nS）<20<200控制脉冲宽度20ns-DC600ns-DC控制脉冲功率（uJ/脉冲）<5<3011©2011ANSYS,Inc.May31,2013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

5、中至关重要。。12©2011ANSYS,Inc.May31,2013必须优化PCB板和元件布局，最大限度减少环路电感。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）13©2011ANSYS,Inc.May31,2013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

6、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。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…………14©2011ANSYS,Inc.May31,2013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15©2011ANSYS,Inc.May31,2013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

7、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。16©2011ANSYS,Inc.May31,2013用ANSYS软件解决关键技术问题输出波形质量要求高ANSYSPExprt设计脉冲变压器，ANSYSQ3D抽取PCB和元器件的寄生参数，如环路电感等，ANSYSSimplorer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。17©2