纳秒级脉冲电源的研究与设计
纳秒脉冲发生电路设计
纳秒脉冲发生电路设计
学院审查中
工程设计
结合科研
张流强
2012
1
测控技术与仪器
电子科学与技术
单光子探测需要有单光子光源进行实验，获得单光子光源可以采用脉冲驱动的发光二极管，脉冲幅度、宽度和周期可调的纳秒级脉冲产生电路是实现单光子光源的关键。
本项目将对纳秒脉冲发生电路进行设计。
目前实验室对该课题已有前期研究，有研究生协助指导毕业设计。
实验室有电路板焊接和测试的相关设备，有开展光电探测实验的条件。
实验设备包括计算机、光学平台、显微镜、示波器、信号发射器和直流电源等。
实验经费有自然科学基金经费支持。
课题的主要研究内容有：
一、电路设计
（1）对基于发光二极管的单光子光源和纳秒脉冲发生电路进行调研，明确单脉冲发生电路的原理和要求；（2）对纳秒脉冲的形成方法进行分析，重点研究传输线脉冲成形方法和数字脉冲成形方法。
（3）提出纳秒脉冲发生放大电路设计，完成模拟仿真，实际制作电路进行实验测试。
二、电路测试
（1）根据设计电路绘制PCB版图，完成电路板的加工。
（2）焊接电路板；
（3）搭建实验平台，对制作完成的电路板进行测试。
本项目主要训练学生的电路设计、制作和调试能力。
题目难度适中，工作量适中。
（1）对项目有强烈兴趣；
（2）有电路设计基础（包括数电和模电）；
（3）有较强的创新意识或动手能力。
系主任审查通过。
纳秒级脉宽脉冲电源设计
A Dissertation Submitted to Huazhong University of Science andTechnology for the Degree of Master of Engineering Research of High Voltage Nanosecond Pulse SupplyCandidate: Wang WeiMajor: High Voltage and Insulation Technology Supervisor: Prof. Zhang dandanHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaJun, 2008独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在_____年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要低温等离子体在工业、农业、军事等领域具有广泛的应用前景。
利用介质阻挡放电来产生低温等离子体具有效率高，放电稳定，适合工程化应用。
介质阻挡放电产生等离子体的效果直接与电源的电压、频率和波形相关。
本课题研制了一台高频、高压脉冲电源系统，参数如下：输出脉冲电压峰值0～20kV可调；重复频率0～1kHz，可调；脉冲上升前沿20ns，脉冲宽度100ns。
基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制
基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制脉冲功率技术广泛应用于军事、环境保护、生物技术等领域,比如脱硫脱硝、脉冲杀菌、激光管驱动、阴极射线管扫描电路等。
传统脉冲电源的主放电开关主要以真空弧光放电管、氢闸流管、火花隙为主,存在成本高、寿命短、外围电路复杂等缺点。
随着电力电子技术的发展,功率MOSFET和IGBT的性能越来越高,众多研究学者利用MOSFET或IGBT串并联组成高压固态开关替代传统放电开关,进而设计出纳秒级上升沿的高重复频率脉冲发生器。
本文以SiC MOSFET为核心功率器件,设计了一台纳秒级脉冲电源,电源主要技术指标为:输出脉冲峰值可调范围为0~30kV,脉冲重复频率为10Hz~1kHz可调,最大输出电流为80A,脉冲上升时间小于100ns。
本论文的主要工作如下:设计了纳秒脉冲电源的拓扑结构,主电路采用三级Marx发生器结构,研究了SiC MOSFET串联开关的静态和动态电压不均衡机制,给出了影响SiC MOSFET串联均压的关键因素。
针对静态均压电路的特性,明确了均压电阻的设计方法,对于动态均压电路,采用负载侧RCD电路作为均压措施,并确定了相应参数的选取依据。
对比分析了正激式驱动、半桥驱动、反激驱动三种驱动方式的优缺点,确定采用半桥驱动的方式作为SiC MOSFET的串联驱动电路,该电路的隔离强度高、驱动电路设计方便,其驱动变压器的原边和副边绕组匝数均为1匝,可减少其分布参数的影响。
通过实验测试了驱动电路的同步性,其驱动的延迟时间差异小于10ns,同步性良好。
采用Microchip公司的dsPIC33FJl28MC706作为主控制芯片,整个控制系统可以实现频率可调、脉冲幅值可调、过压和过流保护等,最终完成了实验样机的制作和调试,利用针-板反应器负载对电源的性能进行测试,实验结果表明电源满足了设计指标且基本性能良好。
微细电化学加工纳秒脉冲电源的研制
ｃｉｖｄ ｔｈ ｍ ｍ ，ｈ ａａ ｅｅｓ ｆ ｈ ｏ ｅ ｓｐ ｌ ｃｎｂ ｄｕｔｄｏ ｎ ｙｔｅｈｓ ｃｒ— ｈｅｅ ．Ａ ｅｓ ｅｔ ｅ ｔｅｐ ｒｍ ｔ ｅｐｗ ｒ ｕ ｐｙ ａ ｅａｊｓ ｎｌ ｅｂ ｏｔ ｏ ｔ ａ ｉ ｒｏｔ ｅ ｉ ｈ ｎ
ｐ ｔｒ ｏ ｈｅ ｅｅ ｔｏ ｈ ｍ ｉａ ｉｒ －ｍａ ｈ ｎ ｎ ｙ ｔｍ ． Ｔｈ ｙ ｔｍ ｅ ｔ ｎ ｉａ ｅ ｔ ａ ａ ａ ｅｅ ｓ ｓ ｃ ｓ ｕ ｅ ｆｔ ｌ ｃｒ ｃ ｅ ｃ ｌｍ ｃ ｏ ｃ ｉ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｅ ｓ ｓｅ ｔ ｓｓｉ ｄ ｃ ｔ ｈ ｔｐ ｒｍ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ
相 较 于其他 微 细加 工 方 法 ， 细 电化 学 加 工 具 有 微
非 接触 、 削 力 、 热 熔 除等 特 点 ， 无切 无 已经 在 某 些 特 殊
的微 细 加 工 场 合 获 得 较 好 效 果 。利 用 这 种 工 艺 ，
德 国 Ｆｉ Ｈ ｂ ｒ 究 所 、 国 的 Ｉ Ｍ 以及 国 内的 ｒ — ａｅ 研 ｚ 美 Ｂ
滤 波 ， 成 直 流 电 压 。。 电 路 存 在 外 部 干 扰 时 ， 形 ： 若
南京 航 空航 天 大 学 胡 、 海 交 通 大 学 等机 构 先 后 Ｊ上
制作 了微米 量级 的微 孔 、 、 与 其他 微细 结构 。 槽 坑
电源及 其 品 质 是 微 细 电 化 学 加 工 的 关 键 影 响 因
数， 产生高频脉冲控制信号。结构如图 ４ 主要由单片 ，
机及外 围电路 、 Ｐ Ｄ及 控 制逻 辑 、 线 驱 动及 极 问脉 ＣＬ 总
冲采样 与转 换 电路构 成 。
图 ２ 脉 冲 电源 的主 电路
图 中的 删
高压纳秒脉冲形成电路的分析与设计
文章编号:100122486(2000)Sup.20049206高压纳秒脉冲形成电路的分析与设计Ξ贺元吉,张亚洲,李传胪(国防科技大学理学院,湖南长沙 410073) 摘 要:分析了储能线和储能电容脉冲发生器中各种因素对脉冲前沿的影响,比较了二者的优劣,并设计了一种储能线脉冲形成电路。
初步的试验表明,该装置能产生脉宽为3～4ns 的脉冲。
关键词:储能线;储能电容;脉冲发生器;气体开关中图分类号:T N78 文献标识码:A Analysis and Design of H igh V oltage N anosecond Pulse Forming CircuitHE Y uan 2ji ,ZH ANG Y a 2zhou ,LI Chuan 2lu(C ollege of Science ,National Univ.of Defense T echnology ,Changsha 410073,China )Abstract :The effects of pulse forming circuit on the rising time of the output pulse are investigated and a coaxial nanosecond pulse forming circuit com posed of pulse forming line (PF L ),gas s witches ,capacitive v oltage divider and matched load is presented in this pa 2per.A pulse with duration of 3～4ns is generated in our experiments.K ey w ords :pulse forming line ;capacitive storage ;pulse generator ;gas s witch脉冲技术是近年发展起来并得到广泛应用的技术,它已用于电力系统高压绝缘试验、激光技术、微波技术和电磁兼容性试验等。
新型无间隙纳秒级脉冲电源的优化设计
高电压技术第36卷第9期2010年9月30日High Voltage Engineerin g,Vol.36,No.9,S eptem ber30,2010新型无间隙纳秒级脉冲电源的优化设计胡胜1,李胜利1,李晋城2,张晗1(1.华中科技大学环境科学与工程学院,武汉430074;2.河南省电力公司济源供电公司,济源454650)摘要:基于磁压缩和SO S效应原理,设计了一种新型无间隙ns级脉冲电源。
通过Pspice电路仿真分析和试验研究,着重探讨了关键参数对输出电压的影响。
研究结果表明:电源在前级饱和变压器T V1匝数为1:20,磁压缩电感M S匝数为13,后级升压饱和变压器T V2匝数为2:10时能获得较高的输出电压峰值,负载为508时,脉冲电压峰值-51kV,脉宽120ns,峰值前沿60ns。
该电源将在放电等离子体处理环境污染中具有良好的应用前景。
关键词:磁压缩;SOS效应;ns级;脉冲电源;电路仿真;参数研究中图分类号:T M836文献标志码:A文章编号:1003-6520(2010)09-2309-07O ptimization Design of a Novel Nanosecond Pulse Power Without Gap SwitchH U Sheng1,LI Sheng-li1,LI Jin-cheng2,ZH ANG H an1(1.College o f Enviro nm ental Science and Engineering,H uazho ng U niversity ofScience and Technolog y,Wuhan430074,China;2.H enan Jiyuan Pow er Supply Co mpany,Jiy uan454650,China)Abstract:A no vel nanosecond pulse pow er based on the theor y of mag net ic pulse compressio n and SO S effect w as developed.T he effect of some key parameter s o n t he pulse po wer output character istics wer e discussed thro ug h Pspice simulation and laborato ry study.T he results show that a51kV neg ative pulse is for med w hich has a pulse width of120ns and steep rise time o f40ns at a lo ad of508,w hen the tur ns of M S is13,and t he w inding r atio o f T V1and T V2ar e1:20and2:10,respect ively.T he pow er will have a go od application fo reg ro und in env ir onmental treatment by dischar ge plasma.Key words:mag net ic pulse co mpression;SOS effect;nano second;pulse pow er;circuit simulation;parameter study0引言从20世纪80年代开始,非平衡脉冲放电等离子体技术在处理有机废气[1,2]、难降解有毒有机废水[3,4]、消毒灭菌[5,6]等环境治理方面得到了很大的发展。
百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究
２１ ０ ２年 ３月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳ ＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ． １ ２４， Ｎ Ｏ ３ ．
Ｍ ａ ．， ２ １ ｒ ０ ２
文 章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ３０ １ －４ ０ １４ ２ （ ０ ２ ０ — ７ ｌＯ
步技 术研 究 中 ， 作为触 发 脉冲源 使用 的 ＧＷ 级 Ｔｅｌ ｓａ型纳秒 脉冲源 由于其抖 动较 大（ 达 １ ｓ ， 成 同步装置 可 ）造
稳定 性较 差 ， 其 自击 穿开 关更 换为触 发开关 是最 为有 效 的解决措 施 ， 将 结合使 用 需求 ， 求触 发 器 能够输 出 ５ 要 Ｏ ｋ Ｖ左 右 电压 ， 对应 抖动 小于 ０ ２／ ， ． ｘ 可重 复频率 工作 ， ｓａ 脉冲源 能够 较好 地 满 足这个 要 求 。 同时考 虑 到 ｓ Ｔｅｌ 型
１ 脉 冲 源 设 计
１１ Ｔｓ ． ｅｌ 压 器 结 构 设 计 ａ变
该脉 冲源 的脉 冲形成 线为单 筒 同轴形 成线 ， 征 阻抗为 ４ 最高 设计 输 出电压 为 １ ０ｋ 最 高充 电 电压 特 ０Ｑ， ０ Ｖ，
为 ２ ０ｋ 形成 线绝 缘介质 为变 压器油 ， １ Ｖ， 在 Ｓ 级充 电 ， 复频 率 １ ０Ｈｚ 重 ０ 条件 下 ， 强 １ ０ｋ ｃ 左右 对 于变 场 ０ Ｖ／ｍ 压器 油绝缘 来说 是安全 的 ， 选取形 成线 外筒 半径 ｒ 一５ｃ 内筒半径 ｒ 一１ ８ｃ 根据 公式 Ｕ… 一Ｅ… ｒｌ（ ｍ， ． ｍ， ｎ ｒ／ ｒ） 该 尺寸条 件下 内筒表 面场 强 Ｅ 一１ ６ｋ ｃ ， １ Ｖ／ｍ。 形成线 长度 决定 了脉 冲源输 出脉 冲宽度 ， 该脉 冲源 的设 计脉 宽为 ４ｎ ， ｓ 根据 公 式 ｒ ｚ 一２ ／， ｃ 考虑 到 输 出
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生研究
整块电路的结构紧凑,布线讲究,整体电路比一元硬币稍大,封装后可作为一个独立的小型模块使用;另外电路是输入方波上升沿触发的,因此很适合应用到跳时脉冲位置调制的超宽带通信系统中。但为满足现代通信的需求,特别考虑集成时,系统在很多方面都需要大大改善和提高。
将超宽带雷达应用于通信是近年来业界的研究热点。在传统的通信技术中,通常把信号从基带调制到正弦或余弦载波上,而超宽带UWB(Ultra Wide Band)通信则是通过对持续时间持续时间为纳秒或亚纳秒级窄脉冲进行调制,这样UWB信号将具有GHz量级的带宽[1～2]。超宽带技术相对于连续波通信系统通信系统具有独到之处,应用领域广泛,如雷达、通信、探测等。UWB的特点:发射信号功率谱密度较低,强抗截获能力;系统复杂度低;数厘米的定位精度等优点。但是这些性能的获得都需要依赖于现有技术和工艺的可行性,特别是集成电路的工艺。UWB应用中必不可少的关键之一是如何产生可以控制的UWB窄脉冲,灵活方便是UWB通信所渴望的;产生足够窄的脉冲和适于信道传输的脉冲形状也是UWB通信中的热门研究点和关键所在。为此,本文探讨了一种纳秒级脉冲发生电路的原理和设计,完成了实物制作,给出测得的实际结果。
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生研究
摘 要: 在分析现有超宽带超宽带无线电的载体—窄脉冲产生方法优缺点的基础上,提出产生超宽带纳秒纳秒级脉冲的逻辑框图,并由此设计相应的电路原理图、PCB版图,经实物调试测出输出波形,最后指出该电路的应用领域。
关键词: 超宽带 超宽带无线电 纳秒级脉冲
针对前人所作的工作和现有的器件,改进并设计了超宽带纳秒级脉冲成形电路,然后完成了具体电路的研制和测试。
2 设计概要和结果
2.1 基本工作原理
电路的逻辑结构,运用开关三极管的短暂良性雪崩效应,让存储在三极管集电极集电极端的电容快速放电而产生纳秒级脉冲。电源模块提供足以使三极管产生雪崩的高达90V的电压,这时即便断掉输入信号,也可以产生自激式纳秒级脉冲;调节电源模块的输出电压使之刚好在开关三极管的临界雪崩电压处,这时加上PPM信号促使三极管产生雪崩效应,得到窄脉冲,从而使输出窄脉冲承载了信息。脉冲整形电路对输入的PPM信号进行延迟和微分,以使之触发雪崩效应。此外调节脉冲生成电路可以得到不同形状的窄脉冲,满足对信息不同调制方式的需求。
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纳秒级脉冲电源的研究与设计
随着脉冲功率技术在军事、医疗、环保等领域的快速发展,对于大功率脉冲电源的上升沿宽度要求日益提高,高功率快脉冲也逐渐成为脉冲功率技术的研究热点和发展趋势。
而如何以较低的成本在提高脉冲电源电压等级的同时陡化脉冲宽度也是研究的难点之一。
以高压快脉冲为技术核心,以小型化、高重频和高效率为发展方向,本论文提出了一种低成本对称式的脉冲发生拓扑,同时以磁压缩技术陡化脉冲宽度,并深入研究了磁开关的控制技术,以实现高稳定性的纳秒级脉冲电源的研制,论文主要内容分为以下三个部分:1、提出了一种具有对称串联结构的高压脉冲电源拓扑,大幅降低成本;基于这种新型的高压脉冲电源拓扑,分析并初步验证了各种工作环境下的可行性。
搭建了该高压脉冲电源的仿真模型,仿真验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下电路的工作原理。
在实验室完成了该高压脉冲电源的研制,实验验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下对于电路的分析,并在实际应用中证明了该拓扑相对于现有研究的优越性。
2、介绍了脉冲磁压缩技术的工作原理,分析了各个磁芯参数对磁开关性能的影响,基于此,确定了磁芯材料的选择,并搭建了磁芯检测平台测量磁芯的磁滞曲线,对比了不同磁芯材料的区别。
基于脉冲电源体积小型化原则,分析了影响磁开关体积的因素,并利用数学模型确定了磁开关参数的最优解。
系统地分析了磁复位原理以及磁复位电路与脉冲电源的匹配问题。
最后搭建了30kV/3kW的纳秒级脉冲电源样机,验证了磁复位原理的可行性,以及在高压大功率应用场合可能遇到的问题及其解决方案。
3、针对电流型磁复
位方式存在的不足,指出了对于磁开关控制的必要性,并系统地分析了磁开关控制原理,提出了相应的控制方案。
最后基于PLECS软件搭建了35kV的纳秒级脉冲电源的仿真模型,通过仿真验证了控制方案的可行性和稳定性,并从实际应用角度分析了磁开关的最佳工作区间。