【摘要】：針對不同應(yīng)用領(lǐng)域中負(fù)載阻抗的多樣性,研制一種基于Marx和直線型變壓器驅(qū)動源(LTD)拓?fù)涞膹?fù)合模式脈沖源。該脈沖源包含4個LTD模塊,且每個LTD模塊由1個3級Marx電路組成。其主要優(yōu)點是可以降低對隔離電源模塊、觸發(fā)同步性的要求,負(fù)載適應(yīng)能力強,并且可使脈沖裝置小型化。首先對該脈沖源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和理論計算,并采用PSpice軟件驗證其可行性,最后研制復(fù)合模式脈沖源的樣機并測試其性能。該脈沖源采用MOSFET作為主開關(guān),二極管作為隔離元件,用含鎖相環(huán)功能的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)產(chǎn)生控制信號。該脈沖源的輸出脈沖參數(shù):幅值為0~8 kV,脈寬為60~160 ns,脈寬步進(jìn)可達(dá)1 ns,重復(fù)頻率為1 kHz,上升沿約10 ns。通過FPGA產(chǎn)生相移控制信號對該脈沖源的每級進(jìn)行單獨控制,可實現(xiàn)對輸出脈沖上升沿和下降沿的靈活調(diào)節(jié)。脈沖源采用模塊化設(shè)計,可以通過增加模塊數(shù)量方便地提高最大輸出電壓。
【圖文】：

3090電工技術(shù)學(xué)報2018年7月Keywords：Pulsegenerator,Marx,lineartransformerdriver,solid-stateswitch,field-programmablegatearray,phaselockedloop0引言近年來，隨著脈沖功率技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，脈沖源在生物電脈沖治療[1,2]、食品加工[3]、水處理[4]、等離子體產(chǎn)生[5]等領(lǐng)域的需求日漸增大。不同脈沖功率應(yīng)用對脈沖源的要求有所不同，但總體趨勢是要求脈沖源具有更高的輸出電壓、更快的脈沖前沿和更高的重復(fù)頻率，同時具有靈活的調(diào)節(jié)方式和較寬的適用范圍。傳統(tǒng)的脈沖源采用氣體火花開關(guān)[6]、真空開關(guān)等器件作為脈沖形成電路的主開關(guān)，但由于此類開關(guān)的間隙恢復(fù)時間較長，使得其輸出頻率較低，且由于其不能可控關(guān)斷從而很難產(chǎn)生方波脈沖和調(diào)節(jié)輸出脈沖波形。近年來，，半導(dǎo)體固態(tài)開關(guān)器件[7,8]在脈沖功率領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用固態(tài)開關(guān)的脈沖源可以獲得更高的重復(fù)頻率[9]，并可通過改變控制方式得到多種波形[10]。脈沖源的基本原理是將較長時間儲存的能量在較短的時間或較小的空間內(nèi)釋放[11]。脈沖的主要產(chǎn)生方式有微帶傳輸線[12]、磁開關(guān)壓縮[13]、Marx電路[14]、直線型變壓器驅(qū)動源（LinearTransformerDriver,LTD）電路[11]等。這些模式的脈沖源都有各自的優(yōu)缺點和適用范圍。例如微帶傳輸線脈沖源可以適用于大電流的方波脈沖輸出，但其需要較長的傳輸線來產(chǎn)生較長脈寬的脈沖，并且其對于脈寬的調(diào)節(jié)只能通過改變傳輸線的長度來實現(xiàn)，不適用于需要靈活脈寬的應(yīng)用。磁開關(guān)脈沖源雖可獲得較窄的脈沖[15]，但磁壓縮開關(guān)之間的相互配合卻比較困難，導(dǎo)致磁開關(guān)脈沖源不能靈活調(diào)節(jié)輸出脈沖參數(shù)，限制了其應(yīng)用范圍。Marx電路采用并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的形式[14,16]，從而可實現(xiàn)高壓脈沖的輸出。Marx電路

第33卷第13期王昌金等基于Marx和LTD拓?fù)涞娜虘B(tài)復(fù)合模式脈沖源的研制3091圖2復(fù)合模式脈沖源的電路Fig.2Thecircuitofthemixedpulsegenerator1.2工作原理如圖3所示，在充電過程中，每個MOSFET處圖3復(fù)合模式脈沖源基本工作原理Fig.3Basicworkprincipleofthemixedpulsegenerator于關(guān)斷狀態(tài)，外接高壓直流電源通過二極管對所有電容進(jìn)行充電。各電容電壓均等于直流電源電壓，即DC11121343====CCCCV=VVVV（1）式中，VDC為高壓直流電源的輸出電壓；C11V為電容C11的電壓，其余參數(shù)依此類推。如圖3b所示，放電過程，所有MOSFET在同一時刻導(dǎo)通，所有二極管都處于反向截止?fàn)顟B(tài)，使得所有電容串聯(lián)并對外放電。每個Marx模塊輸出的脈沖電壓均作用于LTD電路中磁心的初級繞組上，再通過LTD電路中磁心的次級繞組疊加并輸出至負(fù)載。最終的輸出電壓為outDCVmnV=（2）式中，m為每個LTD模塊中Marx電路的級數(shù)；n為復(fù)合模式脈沖源含有的LTD的模塊數(shù)目。在放電過程中，如果某級Marx電路的MOSFET沒有正常導(dǎo)通，電流會流過與該MOSFET同級的二極管，從而對該未正常導(dǎo)通的MOSFET提供鉗位保護(hù)，如圖3c所示。同時，Marx電路的這種特性也可以用來實現(xiàn)對輸出波形的靈活調(diào)節(jié)。復(fù)合模式脈沖源需要一個準(zhǔn)確、靈活并且易于調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)�，F(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）不同于其他微處理器，其具有出色的并行執(zhí)行能力，所以適用于進(jìn)行時序控制。一些FPGA內(nèi)部集成了鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop,PLL）[20]，其可以對時鐘信號進(jìn)行復(fù)雜操作，如倍頻信號、分頻信號及改變時鐘的相位，以產(chǎn)生更加復(fù)雜的時鐘信號，從而適用于輸出靈活、多變的控制信號。該復(fù)合模式脈沖源的控制信號采用FPGA產(chǎn)生。該FPGA的時鐘信號由一個50MHz的晶振產(chǎn)

【參考文獻(xiàn)】

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【共引文獻(xiàn)】

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【二級參考文獻(xiàn)】

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