用于驱动apnp-js的全固态快边沿纳秒脉冲发生器的研制

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1、用于驱动APNP-Js的全固态快边沿纳秒脉冲发生器的研制重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：杨楠指导教师：姚陈果教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一六年四月TheDevelopmentSolid-stateNanosecondPulseGeneratorwithFastEdgeforDrivingAPNP-JsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByYangNan

2、SupervisedbyProf.YaoChenguoSpecialty:ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2016中文摘要摘要大气压非平衡等离子体射流（APNP-Js）是近年来兴起的一种低温等离子体技术。目前已被广泛的应用于材料表面处理、纳米科技生物医学应用等领域。纳秒脉冲发生器作为驱动产生APNP-Js的激励源有其独特的优势，为了获得效果较好的APNP-Js，需要设计一台具有快速上升沿和下降沿的纳秒脉冲发生器。

3、现有纳秒脉冲发生器由于受到开关等元器件的限制，其工作寿命、重复频率等有限。与传统采用火花气体开关的方式相比，固态开关具有可靠性高、使用寿命长、电路简单和损耗小等优点。本文结合脉冲功率中纳秒脉冲产生的相关原理和固态开关技术，研制了可以获取快边沿输出脉冲的高性能全固态纳秒脉冲发生器，并开展了纳秒脉冲驱动APNP-Js的实验研究。本文首先介绍了全固态快边沿纳秒脉冲发生器的基本工作原理，对发生器中脉冲形成电路—固态Marx电路模型进行了详细的数学分析，在电路仿真软件Pspice中建立MOSFET模型并对其开关特性进行分析。随后建立带有尾切开关的固态Marx电路模型，并与传

4、统Marx电路输出特性进行对比，结果表明引入尾切开关后输出脉冲波形的下降沿大大缩短。在此基础上，仿真分析了影响纳秒脉冲发生器装置主电路输出特性的因素，结果表明固态开关器件的固有特性对输出脉冲前沿有较大影响；杂散参数的增加也会减缓输出脉冲前沿，并有可能引起波形畸变。详细阐述了纳秒脉冲发生器的设计过程，根据纳秒脉冲发生器作为APNP-Js驱动源的要求，对发生器所需的主要设备和器件进行选型和参数计算；对MOSFET的驱动电路进行设计和优化，采用光纤隔离和DC-DC模块对纳秒脉冲发生器的高压和低压部分进行隔离，实现纳秒脉冲发生器的模块化设计；结合实际控制需求，以FPGA为

5、控制核心，利用FPGA数字控制方式及电平转换电路为核心设计同步触发模块，实现触发脉冲信号参数的任意调节。配合以过流保护电路，实现了保护控制模块对发生器装置出现短路和直流电源故障情况时自动停止输出的功能；研究了固态纳秒脉冲发生器电磁干扰的抑制方法，从电路的优化设计和金属屏蔽两个方面提高脉冲发生器的抗干扰能力。本文对全固态快边沿纳秒脉冲发生器的性能进行了实验室总体调试和输出波形的测量，结果表明：该发生器可产生幅值0~8kV、脉宽200~1000ns、重复频率1~1000Hz和脉冲个数1~10000个，上升沿和下降沿均小于30ns的方波脉冲，并具有智能测控的功能；设计并

6、制作了基于介质阻挡放电的针-环结构的等离子体射流装置，并对脉冲等离子体的放电机理进行分析。设计并研制了等离子体射流电极I重庆大学硕士学位论文装置，搭建了纳秒脉冲APNP-J的实验平台，开展纳秒脉冲驱动大气压非平衡等离子体射流实验的研究。结合实验结果，从脉冲电源参数、气体参数等角度探究这些因素对等离子体射流长度的影响机制，为进一步探索APNP-Js的特性及其生物医学应用奠定基础。关键词：大气压非平衡等离子体射流（APNP-Js），纳秒脉冲，快边沿，固态开关，Marx电路，现场可编程门阵列（FPGA）II英文摘要ABSTRACTInrecentyears，atmosp

7、hericpressurenon-equilibriumplasmajet(APNP-Js)asalow-temperatureplasmatechnologygainsalotofattention.Ithasbeenwidelyusedinsurfacetreatment,biomedicalapplicationsofnanotechnologyandotherfields.NanosecondpulsegeneratorasadrivertoproduceAPNP-Jsexcitationsourcehasuniqueadvantages.Inordert

8、oobta