1 引言
随着高功率脉冲技术的发展，世界各国都相继建成了一些脉冲功率装置。对建成一台脉冲功率装置，前期的设计是相当复杂的。计算机辅助设计的出现和发展，使脉冲功率装置的设计效率大大提高，让设计者在装置建造之初就能对装置的特性有比较全面的了解，这对装置建成后的调试、运行都有极大的帮助。对所设计脉冲功率装置的电路图，依靠手工求解是比较复杂的，其求解的精度也不高，而通过电路仿真软件来计算求解，就能提高工作效率和计算的准确性。Pspice电路仿真软件由于收敛性好，在国内外的用户十分广泛。它采用数学模型和仿真算法，利用计算机的计算、存储和图形处理的高速和高效率，以电路理论为依据，对电路进行各种分析、计算和校验。本文应用Pspice软件 对脉冲功率装置进行电路仿真，结果表明仿真效果好，可信度高，对新装置的设计有重要的参考价值。
2 脉冲功率装置的电路模型
对于脉冲功率装置电路仿真的结果是否跟实际的情况相符，关键问题取决于装置电路模型的准确性。电路模型构造的合理和各元器件所取参数的准确，对仿真的结果至关重要。
2.1 单线脉冲功率装置
典型的脉冲功率装置主要由Marx发生器、脉冲形成线、主开关、传输线、预脉冲开关、负载等几部分组成（有些装置在脉冲形成线前还有中间储能器），如图1所示。脉冲形成线分为单线和双线两种，采用单线作为脉冲形成线的就是单线脉冲功率装置。
图１ 脉冲功率装置的组成
Marx发生器作为脉冲功率装置的第一级储能单元，一般由多个电容器组成，按照并联充电、串联放电连接在一起。主要考虑的参数是总串联电容、串联电感、等效串联电阻和并联等效电阻。
脉冲形成线和传输线需要确定的参数是电长度、阻抗、电容和几何长度。Pspice软件中传输线的模型只需要输入电长度和阻抗。
开关是脉冲功率装置中的重要部分，主开关的总电感直接影响到负载波形的上升前沿，而开关的耦合电容虽然较小，但在兆伏电压作用下，通过主开关电容耦合到预脉冲开关上的电压可达上百千伏，从预脉冲开关电容再耦合到负载上的电压也有几千伏。因此，开关的电感和耦合电容是主要参数。
负载部分，在设计时按不同的负载类型加以简化，可按一个电感和一个电阻的串联来考虑。
根据前面的分析，采用Pspice软件绘出的单线脉冲功率装置的电路模型如图2所示。图中1是Marx发生器，2是单线脉冲形成线，3是主开关，4是传输线，5是预脉冲开关，6是传输线，7是负载。
图2 单线脉冲功率装置的电路模型
2.2 双线脉冲功率装置
双线即Blumline线，从工作原理 上讲是两条单线并联充电然后主开关导通串联放电。它的基本结构是由三个不同半径的同轴圆筒组成，如图3所示。主开关是位于内筒和中筒之间，内筒上接有接地电感。在Marx发生器向双线脉冲形成线充电时，接地电感起着短路的作用。在形成线向负载放电时，接地电感又起着开路的作用。
图3 双线结构示意图
图４双线电路模型
由于Pspice软件的元器件库中没有双线的现成模型，因此需要根据双线的工作原理用两条单线构造双线的等效模型，如图4所示。
有了双线模型，双线脉冲功率装置的电路模型也就可以绘出了。
3 双线脉冲功率装置电路模型的验证
3.1 电路模型参数
双线模型的正确性需要进行验证。闪光-I是我国80年代初建成的一台脉冲功率装置，采用的就是油介质双线。现在根据闪光-I的参数，其电路模型如图5所示。
图5 闪光-I电路模型
图5所示的闪光-I电路模型中，1是Marx发生器，其回路参数是：串联电容6.2nF，等效串联电感65μH，等效串联电阻15Ω，等效并联电阻3.6kΩ，对地分布电容1.02nF，每个电容器按充电70kV计算，Marx输出电压7MV。2是双线，电长度为42.5ns，外线阻抗12.6Ω，内线阻抗21.5Ω，总阻抗34Ω。中筒和内筒之间的主开关电感450nH，耦合电容0.12nF，在充电电压峰值的90%时，主开关导通。接地电感4μH。3是一段短传输线。4是预脉冲开关，电感为5nH，耦合电容0.12nF，在主脉冲达到300kV时导通。5是负载二极管，电感为1.7μH，电阻是75Ω，并联电容是0.12nF。
3.2 Pspice仿真计算结果
根据闪光-I电路模型和参数，应用Pspice计算的结果如图6、图7和图8所示。
图6 Marx对双线充电电压波形 图7 负载二极管上电压波形
图8 负载二极管上电流波形
4 结论
仿真计算的结果与闪光-I运行的实验结果 基本相符，证明双线脉冲形成线的电路模型是正确的。根据该模型，还可以推广出主开关在中筒和外筒之间的其他双线模型。
应用Pspice软件对采用两种脉冲形成线的脉冲功率装置建立电路模型，其电路模型能较好的反映实际运行的装置的一些特性，但也不是十全十美，还需对电路模型进行不断的修正，使其能与实际装置很好的吻合。该电路模型对今后设计新的脉冲功率装置提供了极大的帮助，使以设计更加高效准确。
