用于驅(qū)動(dòng)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(yīng)用于材料表面處理、納米科技生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域。納秒脈沖發(fā)生器作為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 APNP-Js的激勵(lì)源有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為了獲得效果較好的APNP-Js，需要設(shè)計(jì)一臺(tái)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(guān)等元器件的限制，其工作壽命、重復(fù)頻率等有限。與傳統(tǒng)采用火花氣體開關(guān)的方式相比，固態(tài)開關(guān)具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、電路簡(jiǎn)

2、單和損耗小等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合脈沖功率中納秒脈沖產(chǎn)生的相關(guān)原理和固態(tài)開關(guān)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(dòng)APNP-Js的實(shí)驗(yàn)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(duì)發(fā)生器中脈沖形成電路—固態(tài) Marx電路模型進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析，在電路仿真軟件Pspice中建立MOSFET模型并對(duì)其開關(guān)特性進(jìn)行分析。隨后建立帶有尾切開關(guān)的固態(tài)Marx電路模型，并與傳統(tǒng)M

3、arx電路輸出特性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明引入尾切開關(guān)后輸出脈沖波形的下降沿大大縮短。在此基礎(chǔ)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(guān)器件的固有特性對(duì)輸出脈沖前沿有較大影響；雜散參數(shù)的增加也會(huì)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(shè)計(jì)過程，根據(jù)納秒脈沖發(fā)生器作為 APNP-Js驅(qū)動(dòng)源的要求，對(duì)發(fā)生器所需的主要設(shè)備和器件進(jìn)行選型和參數(shù)計(jì)算；對(duì)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用光纖

4、隔離和DC-DC模塊對(duì)納秒脈沖發(fā)生器的高壓和低壓部分進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)納秒脈沖發(fā)生器的模塊化設(shè)計(jì)；結(jié)合實(shí)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(shè)計(jì)同步觸發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖信號(hào)參數(shù)的任意調(diào)節(jié)。配合以過流保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)控制模塊對(duì)發(fā)生器裝置出現(xiàn)短路和直流電源故障情況時(shí)自動(dòng)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(shè)計(jì)和金屬屏蔽兩個(gè)方面提高脈沖發(fā)生器的抗干擾能力。對(duì)全固態(tài)

5、快邊沿納秒脈沖發(fā)生器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室總體調(diào)試和輸出波形的測(cè)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(fù)頻率1~1000Hz和脈沖個(gè)數(shù)1~10000個(gè)，上升沿和下降沿均小于30ns的方波脈沖，并具有智能測(cè)控的功能；設(shè)計(jì)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(duì)脈沖等離子體的放電機(jī)理進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展納秒脈沖驅(qū)動(dòng)大氣壓非平衡