CN111339722A - 一种气体放电管的PSpice仿真模型及工作模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体放电管的PSpice仿真模型及工作模拟方法，所述仿真模型包括电阻R20与二极管仿真模型并联形成的非线性电阻仿真电路和稳压二极管D11与稳压二极管D12通过阴极连接形成的电压控制模块仿真电路；本发明将非线性电阻等效为电阻R20与二极管仿真模型的并联形式，将电压控制模块等效为具有钳位电压的稳压二极管，提高了气体放电管的仿真响应速度并降低仿真的拖尾电流、残压，使仿真数据更加的接近实验数据。

Description

一种气体放电管的PSpice仿真模型及工作模拟方法
技术领域
本发明涉及建模仿真技术领域，特别是涉及一种气体放电管的PSpice仿真模型及工作模拟方法。
背景技术
电力电子技术的飞速发展，使得计算机通信系统和微电子电路的应用更加广泛化。近些年电子信息系统(如电视、电话、通信、计算机网络等)发展迅猛，这类系统和设备往往比较昂贵和重要，需采用电涌保护器SPD(Surge Protective Device)做过电压保护。SPD中，气体放电管GDT是一种间隙型的雷电仿护器件，它在信号线和地之间与要保护的系统分流，这样在施加过电压时就会将能量从敏感设备转移开。从而输入瞬态脉冲的潜在破坏性能量被GDT吸收，就可以保护易受攻击的电路元件并防止昂贵系统被损坏。放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显优势，常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和钳位过电压的作用。
Julio Guillermo Zola在《Gas Discharge Tube Modeling With PSpice》一文中，在仿真的基础上结合8/20μs冲击试验给出了GDT的实用等效模型，提出了一种基于理论的三端双向可控硅原理的PSpice模型(以下简称参考模型1)。模型中采用BJT和稳压二极管进行泄流，仿真出来的效果出现拖尾电流大，响应不及时，残压高的一些缺点。箫赞亮在《基于PSpice的气体放电管仿真模型的建立》一文中，基于气体放电管的电气特性，利用Spice算法建立了气体放电管的仿真模型(以下简称参考模型2)。模型中采用电压控制开关和逻辑电压控制器，没有考虑器件内的损耗，响应时间有一定改善但是残压依旧不能得到很好的改善。
如何提高气体放电管的仿真响应速度并降低仿真的拖尾电流、残压成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体放电管的PSpice仿真模型及工作模拟方法，以提高气体放电管的仿真响应速度并降低仿真的拖尾电流、残压，以使仿真数据更加的接近实验数据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种气体放电管的PSpice仿真模型，所述仿真模型包括电阻R20与二极管仿真模型并联形成的非线性电阻仿真电路和稳压二极管D11与稳压二极管D12通过阴极连接形成的电压控制模块仿真电路；
所述电压控制模块仿真电路的一端与信号线连接，所述电压控制模块仿真电路的另一端与所述非线性电阻仿真电路的一端连接，所述非线性电阻仿真电路的另一端与地线连接。
可选的，二极管仿真模型包括电阻R22、稳压二极管D8、三极管Q5和电阻R21；
所述电阻R22的一端分别与电阻R20的一端和电压控制模块仿真电路的另一端连接，所述电阻R22的另一端与所述稳压二极管D8的阳极连接，所述稳压二极管D8的阴极与所述三极管Q5的基极连接，所述三极管Q5的发射极与所述电阻R21的一端连接，所述电阻R21的另一端分别与所述电阻R22的另一端和地线连接；所述二极管Q5的集电极与信号线连接。
可选的，所述电压控制模块仿真电路还包括电感L12，所述稳压二极管D12的阳极与信号线连接，所述稳压二极管D12的阴极与所述稳压二极管D11的阴极连接，所述稳压二极管D11的阳极与所述电感L12的一端连接，所述电感L12的另一端与非线性电阻仿真电路的一端连接。
可选的，所述仿真模型还包括电容C8，所述电容C8与所述电压控制模块仿真电路并联连接。
可选的，所述仿真模型还包括电阻R7，所述电阻R7串接在所述信号线中。
一种气体放电管的PSpice仿真模型的气体放电管工作模拟方法，所述模拟方法包括如下步骤：
当浪涌发生时，仿真模型两端的电压升高，当仿真模型两端的电压超过稳压二极管D11和稳压二极管D12的限制电压时，稳压二极管D11和稳压二极管D12导通；
稳压二极管D11和稳压二极管D12导通后，在稳压二极管D11和稳压二极管D12和电阻R20的支路上有电流流过，三极管Q5基极到发射极之间有电流流过，使三极管Q5导通；
三极管Q5导通后，电流从三极管Q5的集电极和发射极流过，将浪涌产生的能量释放掉；
释放掉电涌产生的能量之后，仿真模型两端电压降低，低于稳压二极管D11和稳压二极管D12的限制电压，稳压二极管D11和稳压二极管D12关闭，在稳压二极管D11和稳压二极管D12和电阻R20的支路上无电流流过，三极管Q5基极到发射极之间无电流流过，使三极管Q5关断，不再流过电流。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种气体放电管的PSpice仿真模型及工作模拟方法，所述仿真模型包括电阻R20与二极管仿真模型并联形成的非线性电阻仿真电路和稳压二极管D11与稳压二极管D12通过阴极连接形成的电压控制模块仿真电路；本发明将非线性电阻等效为电阻R20与二极管仿真模型的并联形式，将电压控制模块等效为具有钳位电压的稳压二极管，提高了气体放电管的仿真响应速度并降低仿真的拖尾电流、残压，使仿真数据更加的接近实验数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的Larsson的气体放电管仿真模型图；
图2为本发明提供的气体放电管的PSpice仿真模型图；
图3为本发明提供的1.2/50-8/20us浪涌及模型电压随时间的仿真曲线图；
图4为本发明提供的1.2/50-8/20us浪涌峰值为2KV的GDT实验与本发明的仿真模型电压随时间变化曲线对比图；
图5为本发明提供的1.2/50-8/20us浪涌峰值为3KV的GDT实验与本发明的仿真模型电压随时间仿真曲线对比图；
图6为本发明提供的1.2/50-8/20us浪涌峰值为6KV的GDT实验与本发明的仿真模型电压随时间的仿真曲线对比图；
图7为本发明提供的1.2/50-8/20us浪涌峰值为2KV的GDT实验与各仿真模型对比图；
图8为本发明提供的1.2/50-8/20us浪涌峰值为3KV的GDT实验与各仿真模型对比图；
图9为本发明提供的1.2/50-8/20us浪涌峰值为6KV的GDT实验与各仿真模型对比图；
图10为本发明提供的各仿真模型的冲击放电电压与冲击电压变化率关系对比图；
图11为本发明提供的各仿真模型的上升时间与冲击电压变化率关系对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种气体放电管的PSpice仿真模型及工作模拟方法，以提高气体放电管的仿真响应速度并降低仿真的拖尾电流、残压，以使仿真数据更加的接近实验数据。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明所要解决的技术问题是提供一种上升时间短，放电电压与实验较为接近的陶瓷气体放电管仿真模型。本发明按照Larsson在《Numerical simulation ofgasdischarge protectors-a review》中提出的搭框架模型如图1来进行模型的搭建。
Larsson的模型中采用一个直流电流源、一个线性电导和一个平方律器件并联的形式来等效非线性电阻RN。平方律器件采用的是MOS管，MOS管的平方律主要体现在非饱和区电流电压方程。本发明的平方律器件采用平方律调幅的二极管来代替，非线性电阻RN等效为电阻与二极管仿真模型的并联形式，二极管仿真模型是在PSpice软件上对它重新建模的，具有平方律调幅特性。
对电压控制模块UG重新建模，UG模块为电压控制开关，当UG<GDT动作电压时，开路；当UG>GDT动作电压时，闭合。闭合放电管的冲击电压主要取决于非线性电阻RN两端的电压，UG模块主要起瞬态电压抑制的作用，保护电路后续的安全工作。
本发明通过半导体物理方法建立模型，考虑到了齐纳二极管具有钳位电压的作用，针对低击穿电压的齐纳二极管，采用半导体物理方法建立的模型参数用于PSPICE仿真分析时在需要对相应的二极管重新建模。基于以上原理所建立的GDT模型如图2所示。
如图2所示本发明提供一种气体放电管的PSpice仿真模型，所述仿真模型包括电阻R20与二极管仿真模型并联形成的非线性电阻仿真电路和稳压二极管D11与稳压二极管D12通过阴极连接形成的电压控制模块仿真电路；所述电压控制模块仿真电路的一端与信号线连接，所述电压控制模块仿真电路的另一端与所述非线性电阻仿真电路的一端连接，所述非线性电阻仿真电路的另一端与地线连接。所述电压控制模块仿真电路还包括电感L12，所述稳压二极管D12的阳极与信号线连接，所述稳压二极管D12的阴极与所述稳压二极管D11的阴极连接，所述稳压二极管D11的阳极与所述电感L12的一端连接，所述电感L12的另一端与非线性电阻仿真电路的一端连接。所述仿真模型还包括电容C8，所述电容C8与所述电压控制模块仿真电路并联连接。所述仿真模型还包括电阻R7，所述电阻R7串接在所述信号线中。
其中，二极管仿真模型包括电阻R22、稳压二极管D8、三极管Q5和电阻R21；所述电阻R22的一端分别与电阻R20的一端和电压控制模块仿真电路的另一端连接，所述电阻R22的另一端与所述稳压二极管D8的阳极连接，所述稳压二极管D8的阴极与所述三极管Q5的基极连接，所述三极管Q5的发射极与所述电阻R21的一端连接，所述电阻R21的另一端分别与所述电阻R22的另一端和地线连接；所述二极管Q5的集电极与信号线连接。
本发明还提供一种气体放电管的PSpice仿真模型的气体放电管工作模拟方法，所述模拟方法包括如下步骤：
当浪涌发生时，仿真模型两端的电压升高，当仿真模型两端的电压超过稳压二极管D11和稳压二极管D12的限制电压时，稳压二极管D11和稳压二极管D12导通。
稳压二极管D11和稳压二极管D12导通后，在稳压二极管D11和稳压二极管D12和电阻R20的支路上有电流流过，三极管Q5基极到发射极之间有电流流过，使三极管Q5导通。
三极管Q5导通后，电流从三极管Q5的集电极和发射极流过，将浪涌产生的能量释放掉，遏制住电压，将电压降到一个比较小的范围，保护后续的主要电路。
释放掉电涌产生的能量之后，仿真模型两端电压降低，低于稳压二极管D11和稳压二极管D12的限制电压，稳压二极管D11和稳压二极管D12关闭，在稳压二极管D11和稳压二极管D12和电阻R20的支路上无电流流过，三极管Q5基极到发射极之间无电流流过，使三极管Q5关断，不再流过电流，在正常工作下该器件不会影响后面的工作状态。
本发明的仿真模型如图2所示，本发明采用如图3所示的1.2/50-8/20us的标准电压浪涌(IEC61000-4-5:2005)，电压大小为2KV来对电路进行测试，得到仿真波形，气体放电管为656.48V，如图4为气体放电管模型和实验数据进行对比，可以发现结果之间差距并不大。又分别对电压为3KV，6KV的浪涌进行实验与模型的对比，如图5和图6所示，都相差不大。
然后分别在电压分别为2KV，3KV，6KV对本发明的仿真模型与Julio GuillermoZola在《Gas Discharge Tube Modeling With PSpice》提出仿真模型(参考模型1)和箫赞亮在《基于PSpice的气体放电管仿真模型的建立》提出的仿真模型(参考模型2)进行对比，如图7-图9，可以看出本发明的模型的GDT冲击放电电压更接近于实验，响应时间较其它两个模型短，并且随着浪涌峰值的增大响应时间越来越短。
同时对比了实验与仿真模型冲击电压以及上升时间，如表1-表2，冲击放电电压与冲击电压变化率，如图10所示，上升时间与冲击电压变化率关系，如图11所示，可以看出，在冲击电压变化率越来越大的情况下，本发明的改进模型的冲击放电电压和上升时间均小于另外两个模型，更具有普适性。通过对SPD中GDT的理论分析测试及仿真研究，采用非线性建模设计的方法，使得模型的适用性和可靠性较强。在复合型SPD中可以将第一级采用GDT，这样可以把雷电压与电流限制在后级可承受的范围内，与后面几级配合使用来达到浪涌抑制的目的。
表1实验与仿真模型冲击电压对比表
电压 实验 本发明模型 参考模型1 参考模型2
0.5KV 451V 463.5V 472.114V 486.157V
1.1KV 551.25V 548.32V 572.648V 584.756V
2KV 607.375V 609.5V 650.3V 662.6V
3KV 682.375V 687.979V 711.52V 714.7V
5KV 851.125V 845.321V 857.248V 862.396V
6KV 869.875V 869.086V 889.6V 898.3V
表2实验与仿真模型上升时间对比表
电压 实验 本发明模型 参考模型1 参考模型2
0.5KV 1.523us 1.511us 1.724us 1.957us
1.1KV 1.416us 1.403us 1.604us 1.825us
2KV 1.216us 1.311us 1.489us 1.639us
3KV 1.123us 1.17us 1.292us 1.386us
5KV 1.092us 1.094us 1.176us 1.143us
6KV 0.914us 0.954us 1.062us 1.099us
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种气体放电管的PSpice仿真模型，其特征在于，所述仿真模型包括电阻R20与二极管仿真模型并联形成的非线性电阻仿真电路和稳压二极管D11与稳压二极管D12通过阴极连接形成的电压控制模块仿真电路；
所述电压控制模块仿真电路的一端与信号线连接，所述电压控制模块仿真电路的另一端与所述非线性电阻仿真电路的一端连接，所述非线性电阻仿真电路的另一端与地线连接。
2.根据权利要求1所述的气体放电管的PSpice仿真模型，其特征在于，二极管仿真模型包括电阻R22、稳压二极管D8、三极管Q5和电阻R21；
所述电阻R22的一端分别与电阻R20的一端和电压控制模块仿真电路的另一端连接，所述电阻R22的另一端与所述稳压二极管D8的阳极连接，所述稳压二极管D8的阴极与所述三极管Q5的基极连接，所述三极管Q5的发射极与所述电阻R21的一端连接，所述电阻R21的另一端分别与所述电阻R22的另一端和地线连接；所述二极管Q5的集电极与信号线连接。
3.根据权利要求1所述的气体放电管的PSpice仿真模型，其特征在于，所述电压控制模块仿真电路还包括电感L12，所述稳压二极管D12的阳极与信号线连接，所述稳压二极管D12的阴极与所述稳压二极管D11的阴极连接，所述稳压二极管D11的阳极与所述电感L12的一端连接，所述电感L12的另一端与非线性电阻仿真电路的一端连接。
4.根据权利要求1所述的气体放电管的PSpice仿真模型，其特征在于，所述仿真模型还包括电容C8，所述电容C8与所述电压控制模块仿真电路并联连接。
5.根据权利要求1所述的气体放电管的PSpice仿真模型，其特征在于，所述仿真模型还包括电阻R7，所述电阻R7串接在所述信号线中。
6.一种气体放电管的PSpice仿真模型的气体放电管工作模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括如下步骤：
当浪涌发生时，仿真模型两端的电压升高，当仿真模型两端的电压超过稳压二极管D11和稳压二极管D12的限制电压时，稳压二极管D11和稳压二极管D12导通；
稳压二极管D11和稳压二极管D12导通后，在稳压二极管D11和稳压二极管D12和电阻R20的支路上有电流流过，三极管Q5基极到发射极之间有电流流过，使三极管Q5导通；
三极管Q5导通后，电流从三极管Q5的集电极和发射极流过，将浪涌产生的能量释放掉；
释放掉电涌产生的能量之后，仿真模型两端电压降低，低于稳压二极管D11和稳压二极管D12的限制电压，稳压二极管D11和稳压二极管D12关闭，在稳压二极管D11和稳压二极管D12和电阻R20的支路上无电流流过，三极管Q5基极到发射极之间无电流流过，使三极管Q5关断，不再流过电流。
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