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高重频脉冲功率技术及其在新型等离子天线系统中的应用

作　者: 张耀
导　师: 袁斌
学　校: 上海交通大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 高重频脉冲固态开关传输线变压器电磁兼容散热设计介质阻挡放电
分类号: TN78
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

脉冲功率技术在经过几十年的发展后,如今正处于从实验室走向应用、从国防科研走向工业的重要阶段,从技术角度讲正处于第五代技术突破——发展重复频率脉冲功率技术的阶段中。目前,重复频率的脉冲功率技术在军事技术、环境保护、生物医疗、工业加工等领域都有着重要应用,国内外对该领域的研究也日益重视,近年来涌现出许多可喜的研究成果。在该背景下,结合本研究组在研的一套新型全光等离子天线系统的设计需求,围绕高重频脉冲功率技术展开了一系列研究。本文基于两款不同的MOSFET开关,分别采用单向化脉冲子网络合成技术方案和单路低压高速MOSFET开关方案,设计了两款重复频率达400kHz的极高连续重频脉冲源,前者最高脉冲幅值为4500V,但较为复杂,后者结构相对简单,但由于受MOSFET开关的限制最高脉冲幅值仅为1200V。文中对两种方案的设计与实现的细节,以及技术创新突破点展开了详细的阐述与探讨,分别对两套方案进行了实验研究。采用变压器对前级已生成的脉冲进行升压是脉冲源设计的一条路径,在此领域中传输线变压器以其良好的频响特性和较好的脉冲波形保持性能而成为研究的热门。为此,本文对传输线变压器展开了详细的理论探讨,结合传输线等效电路提出了一种适用于高重频功率脉冲的改进电路模型,并基于此设计并实现了一款6阶传输线变压器,实验中将400kHz,600V的前级脉冲升压到近1800V,且输出波形无明显畸变,性能接近理想。为更高阶的传输线变压器设计打下了基础。同时还通过对传统脉冲变压器的分析与改进,设计出制作出一款新的脉冲变压器,变压器初次级线圈匝数比为1：15,实际实验中将400kHz,500V的前级脉冲升压到8000V,输出脉冲上升沿为100ns,升压比达到16。该指标(幅值8000V,连续重频400kHz)的脉冲源在国内尚属首例,在国际上也较为优秀(国际上同等级指标产品对我国技术禁运)。可以预见其在国防、基础研究和工业生产中都将有重要、广阔的应用前景。本文最后将该脉冲源作为基于介质阻挡放电(DBD)的真空紫外光(VUV)准分子灯的激励进行实验,该准分子灯在新型全光等离子天线系统中作为光激励源使用。实验中以准分子灯的反应釜作为DBD放电负载,成功实现了放电现象,初步证实了在研新型全光等离子天线系统DBD放电理论部分的正确性。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-18
  1.1 脉冲功率技术概述  8-9
  1.2 高重频脉冲功率技术研究现状  9-15
  1.3 新型全光等离子天线系统简介  15-16
  1.4 本文主要工作及意义  16-18
第二章基础理论  18-27
  2.1 MOSFET 开关极间分布电容特性  18-21
    2.1.1 MOSFET 的内部结构  18
    2.1.2 MOSFET 的极间电容分析  18-21
  2.2 磁性材料特性  21-24
    2.2.1 用于脉冲变压器的磁性材料特性  21-23
    2.2.2 铁磁材料的热极限——居里温度  23-24
  2.3 DBD 概述与模型  24-27
    2.3.1 DBD 放电概述  24-25
    2.3.2 DBD 放电的等效电路模型  25-26
    2.3.3 脉冲电源参数对 DBD 放电的影响  26-27
第三章连续高重频脉冲源设计与实现  27-44
  3.1 基于单向化脉冲子网络合成的脉冲源研制  27-37
    3.1.1 脉冲子网络合成方案提出及问题分析  27-30
    3.1.2 单向化脉冲子网络技术设计与应用  30-31
    3.1.3 电磁兼容问题分析与抑制  31-33
    3.1.4 脉冲源实验研究  33-37
  3.2 基于单路低压高速开关的脉冲源研制  37-42
    3.2.1 方案设计及关键器件  37-39
    3.2.2 低压驱动电路设计  39-41
    3.2.3 实验结果与分析  41-42
  3.3 本章小结  42-44
第四章传输线变压器研究及其在脉冲源系统中的应用  44-54
  4.1 传输线变压器基本原理[1]  44-46
  4.2 传输线变压器增益分析  46-47
  4.3 连续高重频下传输线变压器的改进电路模型  47-49
  4.4 6 阶传输线变压器设计与实现  49-52
    4.4.1 实验材料选择  49-51
    4.4.2 6 阶传输线变压器制作  51-52
  4.5 应用传输线变压器的高重频脉冲源实验研究  52-53
  4.6 本章小结  53-54
第五章升压脉冲变压器改进及其在脉冲源系统中的应用  54-62
  5.1 传统升压脉冲变压器及其存在的问题  54
  5.2 升压脉冲变压器改进设计与实现  54-56
  5.3 脉冲变压器散热方案  56-58
    5.3.1 串联脉冲变压器设计  56-57
    5.3.2 脉冲变压器冷却  57-58
  5.4 应用改进升压脉冲变压器的高重频脉冲源实验研究  58-59
  5.5 应用连续高重频脉冲源的介质阻挡放电实验研究  59-61
  5.6 本章小结  61-62
第七章全文总结与展望  62-64
  7.1 全文总结  62
  7.2 未来工作展望  62-64
参考文献  64-68
致谢  68-69
攻读学位期间发表的论文及专利  69-71

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