用于驅(qū)動APNP-Js的全固態(tài)快邊沿納秒脈沖發(fā)生器的研制.pdf

1、大氣壓非平衡等離子體射流（APNP-Js）是近年來興起的一種低溫等離子體技術(shù)。目前已被廣泛的應用于材料表面處理、納米科技生物醫(yī)學應用等領域。納秒脈沖發(fā)生器作為驅(qū)動產(chǎn)生 APNP-Js的激勵源有其獨特的優(yōu)勢，為了獲得效果較好的APNP-Js，需要設計一臺具有快速上升沿和下降沿的納秒脈沖發(fā)生器?，F(xiàn)有納秒脈沖發(fā)生器由于受到開關等元器件的限制，其工作壽命、重復頻率等有限。與傳統(tǒng)采用火花氣體開關的方式相比，固態(tài)開關具有可靠性高、使用壽命長、電路簡

2、單和損耗小等優(yōu)點。本文結(jié)合脈沖功率中納秒脈沖產(chǎn)生的相關原理和固態(tài)開關技術(shù)，研制了可以獲取快邊沿輸出脈沖的高性能全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器，并開展了納秒脈沖驅(qū)動APNP-Js的實驗研究。
　　本文首先介紹了全固態(tài)快邊沿納秒脈沖發(fā)生器的基本工作原理，對發(fā)生器中脈沖形成電路—固態(tài) Marx電路模型進行了詳細的數(shù)學分析，在電路仿真軟件Pspice中建立MOSFET模型并對其開關特性進行分析。隨后建立帶有尾切開關的固態(tài)Marx電路模型，并與傳統(tǒng)M

3、arx電路輸出特性進行對比，結(jié)果表明引入尾切開關后輸出脈沖波形的下降沿大大縮短。在此基礎上，仿真分析了影響納秒脈沖發(fā)生器裝置主電路輸出特性的因素，結(jié)果表明固態(tài)開關器件的固有特性對輸出脈沖前沿有較大影響；雜散參數(shù)的增加也會減緩輸出脈沖前沿，并有可能引起波形畸變。闡述了納秒脈沖發(fā)生器的設計過程，根據(jù)納秒脈沖發(fā)生器作為 APNP-Js驅(qū)動源的要求，對發(fā)生器所需的主要設備和器件進行選型和參數(shù)計算；對MOSFET的驅(qū)動電路進行設計和優(yōu)化，采用光纖

4、隔離和DC-DC模塊對納秒脈沖發(fā)生器的高壓和低壓部分進行隔離，實現(xiàn)納秒脈沖發(fā)生器的模塊化設計；結(jié)合實際控制需求，以FPGA為控制核心，利用FPGA數(shù)字控制方式及電平轉(zhuǎn)換電路為核心設計同步觸發(fā)模塊，實現(xiàn)觸發(fā)脈沖信號參數(shù)的任意調(diào)節(jié)。配合以過流保護電路，實現(xiàn)了保護控制模塊對發(fā)生器裝置出現(xiàn)短路和直流電源故障情況時自動停止輸出的功能；研究了固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器電磁干擾的抑制方法，從電路的優(yōu)化設計和金屬屏蔽兩個方面提高脈沖發(fā)生器的抗干擾能力。對全固態(tài)

5、快邊沿納秒脈沖發(fā)生器的性能進行了實驗室總體調(diào)試和輸出波形的測量，結(jié)果表明：該發(fā)生器可產(chǎn)生幅值0~8kV、脈寬200~1000ns、重復頻率1~1000Hz和脈沖個數(shù)1~10000個，上升沿和下降沿均小于30ns的方波脈沖，并具有智能測控的功能；設計并制作了基于介質(zhì)阻擋放電的針-環(huán)結(jié)構(gòu)的等離子體射流裝置，并對脈沖等離子體的放電機理進行分析。設計并研制了等離子體射流電極裝置，搭建了納秒脈沖APNP-J的實驗平臺，開展納秒脈沖驅(qū)動大氣壓非平衡