短脉冲mosfet调制器及其触发控制技术的研究

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1、摘要中国科学技术大学博士学位论文短脉冲MOSFET调制器及其触发控制技术的研究用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

2、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：l，这样次级

3、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20Q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

4、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III摘要中国科学技术大学博士学位论文时必须形成低阻抗回路。论文中设计的驱动电路分成电平转换和MOSFET对管构成的推挽输出电路两部分，满足了驱动要求。为了将来能够用计算机远程控制MOSFET调制器的输出脉冲宽度和频率，本文也试图将单片机和网络等技术引入到调制器的控制中来，CPLD产生的触发脉冲的宽度和频率由单片机来控制，而单片机则通过串口或网络接口与上位机通信，接收上位机传送过来的数据和指令，文中给出了具体的硬件设计和软件设计方法。论文中要设计大量高速电路板，附录中还给出了高速电路设计的一般规则。

5、关键词：脉冲调制器，MOSFET，感应叠加，CPLD，单片机，网络IVStudyonShortPulseMOSFETModulatorandItsTriggerandControlTechniquesAbstractTherecentdevelopmentofpulsemodulatoristousesolid-stateswitchessuchasIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)andpowerMOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)etc．assubstitut

6、eforhydrogenthyratrons．Solid-statemodulatorshavemanyadvantagessuchassmallersize，morestableandhigherfrequencyetc．Atpresent，solid-statemodulatorsarewidelystudiedinmanyfamouslaboratoryofthedevelopedcountries，whiletherearefewreportsaboutsolid-statemodulatorsinChina．PowerMOSFET,withitsswitch

7、timelowerthan20ns，canbeusedasswitchesinmodulatorswhichcangenerateshortpulsewiththewidthofaround100ns．ThispaperstudiedMOSFETmodulatorsfromtwoaspects．First，thecharactersofMOSFETmodulatorswithdifferentcircuittopologieswerestudiedfromtheoryandexperiments．Intheotherhandthetriggercir