基于传输线单元大型脉冲功率装置全电路建模方法研究

Nowadays, transmission line code (TLCODE) has been widely used for the developments of various pulsed power facilities, and it has played an important role in achieving designs with lower risk, precision pulse shape predictions and deeper understanding. However, on account of the core technologies blockage, the principle and modeling methods of the TLCODE is being a conundrum for researchers in our country. In light of this, characters of the key components in pulsed power facilities (including main switch, impedance transformer line, multi-parallel structure and magnetically insulated transmission line) will be theoretically studied. By incorporating characters obtained above into the transmission line code, the modeling methods of the TLCODE will be detailedly studied, and its effectiveness will be proved by other models or experimental results. Finally, by including main switch, impedance transformer line, insulator stack and magnetically insulated transmission line, a full TLCODE circuit model will be developed. Moreover, by using this model, the "Qiangguang-I" facility will be calculated, and the calculation results will be discussed in comparison with experimental results to show the effectiveness of this model.

基于传输线单元的TLCODE模型已广泛应用于国际各类脉冲功率装置研制，在降低装置设计风险、精确预测输出波形、深入理解装置工作过程等方面发挥了重要的作用。但由于核心技术封锁，国内至今尚未完全掌握其建模原理和方法。针对于此，本课题重点就大型脉冲功率装置关键部件（主开关、变阻抗传输线、多路并联结构和磁绝缘传输线）的工作机理展开深入理论研究，在此基础上将传输线编码原理同各部件工作原理相互耦合，开展脉冲功率装置TLCODE建模方法的系统研究，同时采用不同仿真手段相互印证和部分实验验证相结合的方法对模型的有效性进行检验。最后，以"强光一号"加速器为算例，建立包括初级脉冲源、主开关、变阻抗传输线、绝缘堆栈和磁绝缘传输线在内的大型脉冲功率装置TLCODE全电路模型，并同实验结果进行对比分析，进一步检验模型的有效性。

基于传输线单元的TLCODE模型已广泛应用于国际各类脉冲功率装置研制，在降低装置设计风险、精确预测输出脉冲波形、深入理解装置工作过程等方面发挥了重要的作用，因此，有必要进行其相关理论、建模方法的深入研究。.本项目首先通过理论推导，获得了影响变阻抗传输线功率传输效率的特征参数Γ（前行电压波半峰值脉宽与ITL单倍传输时间长度的比值）和Ψ（ITL输出端单元特性阻抗与输入端单元特性阻抗的比值）。基于传输线编码原理，建立了任意阻抗变换形式ITL电路模型。计算分析了三种典型阻抗变换ITL功率传输效率、脉冲压缩率与上述特征参数的定量关系；计算结果表明，相同条件下，标准指数型阻抗变换形式具有最大的功率传输效率。.基于传输线编码原理，提出了一种大型脉冲功率装置主开关电路建模方法。以国际最高功率ZR装置主开关结构为例，给出了开关模型拓扑结构和开关动态电阻、电感计算方法。理论推导获得了模型不同节点电压描述闭合方程组，并对其进行了数值离散化。基于该离散化方程组和Matlab程序，建立了ZR装置主开关仿真分析程序，给出了关键区域电压、电流波形，并同商用Pspice L-C网络模型计算结果进行了对比。对比结果表明，二者计算偏差几乎可以忽略（小于0.1%）。.理论推导获得了三种典型结构MITL不同工作阶段动态电流损失和流动阻抗计算模型；建立了MITL磁绝缘形成过程中不同阶段的闭合状态方程。将该闭合方程组同TLCODE传输线编码相互耦合，建立了MITL电路模型。利用所建电路模型，模拟分析了现有Z装置四层MITL工作特性，给出了绝缘堆电压、电流波形，外MITL、双层柱孔盘体电流损失波形和负载箍缩电流、箍缩半径变化波形，并与相应实验结果进行了对比，对比结果表明，不同位置计算结果与实验结果偏差小于5%，初步检验了本项目所建MITL状态方程和电路模型的有效性。.基于“强光一号”加速器，设计并搭建了长约1.0m、阴阳极间隙2.0cm的同轴型MITL实验平台。研制了用于MITL电流损失特性实验的单环式B-dot电流测量探头、差模式B-dot电流测量探头、积分式电容分压器和二级电阻分压器型大功率负载。系统开展了不同负载阻值条件下MITL电流损失特性实验。实验检验了本项目所建TLCODE电路模型，对比结果表明，不同位置计算结果与实验结果偏差小于3%，说明本项目所建MITL电路模型可有效分析MITL工作特性。