高重复频率MOSFET脉冲调制技术研究

论文摘要

能产生短脉冲、快上升沿、快下降沿、高电压、大电流且能工作在兆赫兹频率的固体调制器是脉冲功率技术的一个重要发展方向。本文介绍了由功率MOSFET器件组成的固体调制器的基本工作原理，设计思路。并且由固体调制器的基本框架图，设计了固体调制器的原型。完整的固体调制器由控制系统，辅助供电部分，开关主体和负载组成。控制系统采用单片机和CPLD为硬件核心，设计了宽度，频率，个数可调的脉冲信号发生器，作为固体调制器的触发信号源。其输出的最小脉宽为12.5ns，多个脉冲的一致性良好。触发信号源的输出采用光纤隔离电路，来增强其抗干扰能力。根据功率MOSFET的工作原理，分别用分离元件和集成驱动芯片搭建了驱动电路。并且通过电路仿真结合实验结果，确定了驱动电路的主要参数，分析了电路中干扰的来源并给出改进的方案。驱动电路的供电采用可级联的DC／DC模块搭建。在单个功率MOSFET开关的基础上，讨论了功率回路的选择和保护电路，并分别进行了6个MOSFET并联和4个MOSFET串联的实验，同样使用电路仿真找到对输出波形产生影响的主要参数，并且给出改进方案。在详细比较直接串联和感应叠加两种产生高压的方法后，最后采用感应叠加的方式来设计调制器，叠加器的设计思路也被详细给出。最终设计的调制器由3个开关模块叠加而成，在充电电压为800V时，可以得到最短脉宽为33.8ns，前沿为13.9ns，幅度为2.20kV的脉冲。多脉冲情况下也得到良好的脉冲一致性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高重复频率脉冲功率装置的重要性
• 1.2 脉冲功率装置中的开关技术
• 1.2.1 开关在脉冲功率系统中的作用
• 1.2.2 为什么选用固体半导体开关器件作为开关?
• 1.2.3 为什么选择功率MOSFET作为开关器件?
• 1.3 基于MOSFET的固体开关调制器的研究现状
• 1.3.1 国外在MOSFET开关的脉冲功率源方面的研究实例
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 论文的研究内容
• 1.5 论文的创新点
• 第二章 单个功率MOSFET开关的实验
• 2.1 功率MOSFET器件的选择
• 2.2 MOSFET的工作原理和对驱动电路的要求
• 2.3 功率MOSFET器件的驱动电路设计
• 2.4 用驱动电路对功率MOSFET器件进行开关实验
• 2.4.1 功率MOSFET器件测试的实验装置
• 2.4.2 功率MOSFET漏源极不加电压时驱动电路输出电压的测量
• 2.4.3 不同漏源极电压下驱动信号电压和负载上电压的测量
• 2.4.4 不同脉宽的触发信号下驱动信号电压与负载上电压的测量
• 2.4.5 多个脉冲的一致性测量
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于MOSFET开关的固体调制器的控制及辅助部分设计
• 3.1 固体调制器的整体设计
• 3.2 固体调制器的控制部分设计
• 3.2.1 触发脉冲信号发生器设计
• 3.2.1.1 系统的组成和工作原理
• 3.2.1.2 硬件设计
• 3.2.1.3 软件设计
• 3.2.1.4 实验结果
• 3.2.2 光纤隔离电路的设计与测试
• 3.2.2.1 光纤隔离电路设计
• 3.2.2.2 光纤隔离电路测试
• 3.3 固体调制器的辅助电路部分设计
• 3.3.1 驱动电路的低压供电电源
• 3.3.2 功率回路的供电电路设计
• 第四章 MOSFET固体调制器主体部分的设计
• 4.1 功率回路的设计
• 4.2 功率MOSFET器件的保护电路设计
• 4.3 MOSFET的并联技术研究
• 4.3.1 功率MOSFET器件并联主要问题
• 4.3.2 六个MOSFET并联的实验结果
• 4.3.3 单个板子6个MOSFET并联的实验
• 4.3.4 MOSFET并联的实验小结
• 4.4 固体调制器的高电压产生技术研究
• 4.4.1 得到高电压的方式
• 4.4.2 MOSFET串联实验
• 4.4.3 感应叠加模块的设计
• 4.4.3.1 感应叠加原理的电路仿真
• 4.4.3.2 磁芯的选择
• 4.4.3.3 磁芯的复位
• 第五章 感应叠加固体调制器实验研究
• 5.1 单个模块的感应实验
• 5.2 三个模块的叠加实验
• 5.3 实验结果小结
• 第六章 结论及后续工作展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 PC机与单片机的通信协议定义和命令
• 附录2 个人简介