高重复频率固态矩形脉冲调制技术研究

论文摘要

高重复频率是脉冲功率技术的发展的研究热点,近年来,高重复频率脉冲功率源在离子束kicker、高功率激光、电磁脉冲、电磁发射乃至民用等领域得到了一定的应用。开关是脉冲功率技术中最关键的器件之一,开关的性能在一定程度上决定了系统的整体性能。脉冲功率装置中通常是开关限制了装置的性能,例如,限制了峰值功率和重复频率等。常用的传统开关有闸流管、引燃管和火花间隙开关等,这些开关受限于它们的使用寿命、高成本、低重复频率和高损耗等。而基于功率半导体固态开关技术不仅解决了上述问题,还在诸如：稳定性、维护等方面表现出色。常用的固体开关有：MOSFET、IGBT、SOS、SIThy、PCSS,它们的性能参数各有差异,可应用于不同场合。论文采用的MOSFET,具有重复频率高、导通和关断时间短等优点。单个MOSFET的耐压和电流能力有限,需要产生高压和大电流时,需要对MOSFET进行串并联操作,论文采用电压感应叠加(IVA)结构。系统结构总体上分为触发控制系统、多通道光纤隔离、叠加系统等,其中,触发控制系统和叠加系统采用光电隔离传输触发信号。以单片机和FPGA为逻辑核心,设计了控制信号发生器。FPGA采用100MHz的晶振,最小逻辑周期仅为10ns。控制信号发生器最多给出6路同步信号,FPGA给出的信号经20路同步光纤隔离发射,再经一路转二路光纤分路器后,最多可得到240路同步触发信号。得到的光纤隔离信号经调理放大后,直接给MOSFET驱动电路做触发信号。开展了MOSFET驱动电路和功率MOSFET开关在各种条件下的实验,以及8只MOSFET并联的实验和1×16感应叠加单元实验,掌握了感应叠加系统最基本的电路原理。最终完成了4×16单元固态调制器的设计和实验工作,50.7Ω纯电阻负载上得到了3.26kV输出电压波形,前沿为42.67ns,后沿为29.04ns。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 可调制高重复频率矩形脉冲的研究意义
• 1.2 开关在功率脉冲装置中的重要性
• 1.2.1 脉冲功率装置中的开关技术
• 1.2.2 半导体功率开关在脉冲功率技术中的优点和缺点
• 1.2.3 采用功率MOSFET作为主放电开关的原因
• 1.3 国内外的研究现状和分析
• 1.3.1 国外的研究现状
• 1.3.2 国内的研究现状
• 1.4 论文研究内容
• 1.5 论文的难点
• 第二章 功率MOSFET工作原理、型号选择和驱动电路设计
• 2.1 功率MOSFET的原理和选型
• 2.2 功率MOSFET驱动电路的设计和实验结果
• 2.2.1 驱动电路典型电路测试
• 2.2.2 不同延时电阻阻值测试
• 2.2.3 高压放电时分布参数对驱动信号的影响
• 2.2.4 小结
• 2.3 单个功率MOSFET元件性能测试
• 2.3.1 单个功率MOSFET测试电路和典型电路测试
• 2.3.2 改变驱动电路电源电压测试
• 2.3.3 不同阻值负载测试
• 2.3.4 漏、源极放电过冲测试
• 2.3.5 小结
• 第三章 系统总体设计和信号发生器等辅助电路的设计
• 3.1 总体设计
• 3.2 控制信号发生器电路设计
• 3.2.1 硬件电路设计
• 3.2.2 程序设计
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 同步光电隔离触发电路设计
• 3.3.1 光纤发射放大电路设计
• 3.3.2 光纤接收调理电路设计
• 3.3.3 小结
• 3.4 电源规划
• 3.4.1 低压电源设计
• 3.4.2 高压充电电源设计
• 3.5 干扰源的测试
• 第四章 电压感应叠加主体单元的设计
• 4.1 放电回路设计和模型计算
• 4.2 功率MOSFET并联实验研究
• 4.2.1 并联均流的主要技术特点
• 4.2.2 单个印制电路板上8只功率MOSFET并联实验
• 4.3 电压感应叠加原理和设计
• 4.3.1 电压感应叠加原理
• 4.3.2 功率MOSFET保护电路设计
• 4.3.3 叠加器的设计
• 4.3.4 磁芯复位电路设计
• 第五章 4×16单元电压感应叠加调制器实验研究
• 5.1 1×16单元感应叠加实验
• 5.2 4×16单元感应叠加实验
• 5.3 实验小结
• 第六章 论文总结和后续工作安排展望
• 6.1 系统结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 附录一
• 附录二 个人简介
• 参考文献