短脉冲MOSFET调制器及其触发控制技术的研究

论文摘要

用IGBT(绝缘栅双极性晶体管)和功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)等固态功率开关器件代替氘闸流管开关是脉冲调制器技术的最新发展方向。固态调制器具有体积小、性能稳定和重复工作频率高等优点，目前国外各大实验室都在开展固态调制器技术的研究，国内的研究则处于起步阶段。功率MOSFET开关速度在二十纳秒以下，很适合百纳秒脉冲宽度调制器使用，本篇论文主要从两方面展开MOSFET调制器技术研究：一是从理论和实验上研究探讨不同形式的主电路拓扑结构下调制器的性能特点；二是研究MOSFET开关管的触发、驱动和控制等相关技术。 MOSFET是一种刚性开关管，其导通截止受外部触发信号控制，因而MOSFET调制器能用电容做储能元件，在MOSFET被触发导通时，储能电容向负载放电，在负载上产生脉冲功率。但放电回路的分布电感(包括冲击磁铁等感性负载的电感)对脉冲前沿影响很大。采用多个单元调制器并联输出，各个单元调制器回路的分布电感也并联，其等效分布电感将大大减小。为了提高调制器的输出电压，研究了感应叠加型的MOSFET调制器，这种类型的调制器由多个单元调制器组成，每个单元调制器驱动一个单元磁环变压器的初级，磁环变压器的次级则串联在一起，磁环变压器的匝数比均为1：1，这样次级的输出电压将等于所有单元调制器在初级上输出电压的叠加。单元磁环变压器的初级将磁芯完全包裹住，次级则使用同轴结构，漏感和分布电容都极小。实际测试了由两个单元MOSFET调制器构成的感应叠加调制器输出特性，其中每个单元调制器都是由6个单MOSFET调制器并联构成，在充电电压450V，负载为20f)时，得到了40A的脉冲电流，其上升沿25ns、平顶宽度60ns左右。 触发电路产生一定频率和宽度的脉冲信号，还要经过驱动电路后才能控制MOSFET的导通截止。可编程逻辑器件在现代数字电路设计中得到了广泛的应用，论文基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)设计了触发电路。MOSFET由于存在栅极电容，驱动电路在导通MOSFET时必须能提供足够大的电流，而在截止

论文目录

• Abstract
• 摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 调制器简介
• 1.1.1 调制器的一般原理
• 1.1.2 调制器的分类
• 1.2 固态调制器的发展、现状及实际应用
• 1.2.1 固态开关管简介
• 1.2.2 固态调制器主电路开关的两种形式:直接串联和感应叠加
• 1.2.3 固态调制器的实际应用
• 1.3 课题的背景
• 1.3.1 合肥同步辐射光源时间结构的限制
• 1.3.2 合肥光源延长同步辐射光脉冲间隔的方法及其关键技术
• 1.4 论文的主要工作、意义和篇章结构
• 第二章 MOSFET调制器原理及特性分析
• 2.1 脉冲调制器波形参数
• 2.2 基本MOSFET调制器分析
• 2.2.1 不考虑放电回路分布参数时的特性
• 2.2.2 考虑放电回路分布参数时的特性
• 2.3 基本MOSFET调制器的并联使用
• 2.4 感应叠加MOSFET调制器的基本原理
• 2.5 脉冲变压器分布参数及其计算
• 2.5.1 脉冲变压器集中参数模型及其分析
• 2.5.2 感应叠加调制器脉冲变压器模型及其参数计算
• 2.5.3 感应叠加调制器电路模型
• 2.6 两种不同布局整体方案的比较
• 2.7 本章小结
• 第三章 功率MOSFET驱动电路的设计
• 3.1 功率MOSFET的模型及开关过程分析
• 3.1.1 功率MOSFET的模型
• 3.1.2 驱动回路模型
• 3.2 驱动电路的具体设计
• 3.2.1 驱动电路的原理性设计
• 3.2.2 驱动电路PCB设计的考虑
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于CPLD的触发电路的设计
• 4.1 触发电路设计的一般方法
• 4.2 可编程逻辑器件概述
• 4.3 MAX7000S系列器件简介
• 4.3.1 MAX7000S系列器件的内部结构
• 4.3.2 MAX7000S系列器件的特点
• 4.4 MAX7000S系列器件的使用方法
• 4.4.1 MAX7000S系列器件的输入和输出配置
• 4.4.2 MAX7000S系列器件的在系统编程方法
• 4.5 触发电路的具体设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 小型感应叠加MOSFET调制器的设计与测试
• 5.1 单元调制器的设计
• 5.2 两级感应叠加调制器的测试结果
• 5.3 问题讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 调制器远程控制方案的设计
• 6.1 调制器控制总体结构
• 6.2 调制器控制硬件设计
• 6.2.1 单片机系统基本电路
• 6.2.2 单片机与CPLD的接口电路
• 6.2.3 单片机与网卡芯片RTL8019AS的接口电路
• 6.3 调制器控制软件设计
• 6.3.1 Linux操作系统简介
• 6.3.2 基于串行通信的远程控制软件设计
• 6.3.3 基于网络通信的远程控制软件设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 附录A 高速数字电路设计中的信号完整性分析
• 附录B 攻读博士学位期间发表的相关论文
• 致谢