【摘要】：近來,納秒脈沖電場在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力引起了國內(nèi)外研究人員的極大興趣。為研制緊湊型、便攜式、輕量化高壓納秒脈沖發(fā)生器用于生物醫(yī)學(xué)實驗,本文結(jié)合PCB傳輸線和固態(tài)開關(guān)技術(shù),研制了基于多種PCB傳輸線和固態(tài)開關(guān)的高壓納秒脈沖發(fā)生器。首先,本文介紹了基于PCB傳輸線和固態(tài)開關(guān)的高壓納秒脈沖發(fā)生器系統(tǒng)工作原理,通過對Blumlein傳輸線系統(tǒng)中電壓波傳播過程分析得出3種阻抗配合下系統(tǒng)輸出方波脈沖的電壓波傳播過程以及相關(guān)調(diào)控策略;并采用Pspice仿真軟件對多級傳輸線串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出特性進(jìn)行了細(xì)致分析,得到3種結(jié)構(gòu)的多級傳輸線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),能夠適應(yīng)生物細(xì)胞實驗中對發(fā)生器輸出脈寬變化以及不同阻抗負(fù)載的要求;此外,通過仿真軟件分析了負(fù)載雜散電感、固態(tài)開關(guān)上升時間等因素對于系統(tǒng)輸出特性的影響。然后,依據(jù)本文所設(shè)計納秒脈沖發(fā)生器對于PCB傳輸線的要求,分別設(shè)計了3種形式的PCB傳輸線:平衡型Blumlein微帶傳輸線、非平衡型Blumlein多層微帶傳輸線、平衡型Blumlein多層帶狀線,并對這3種PCB傳輸線尺寸參數(shù)的計算過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹;并以此為基礎(chǔ)得出這些PCB傳輸線的分布電容值以便計算某一直流電源情況下系統(tǒng)重復(fù)工作頻率。另外,介紹了固態(tài)開關(guān)參數(shù)選擇及其驅(qū)動電路設(shè)計;為進(jìn)一步提高固態(tài)開關(guān)耐受電壓水平,引入門極“RCD”有源均壓電路作為MOSFET串級電路的動/靜態(tài)均壓策略,以保證多級MOSFET串聯(lián)情況下各個MOSFET單元之間的動/靜態(tài)均壓。最后,基于門極“RCD”有源均壓策略制作了6級MOSFET串聯(lián)模塊作為基于平衡型Blumlein微帶傳輸線、非平衡型Blumlein多層微帶傳輸線、平衡型Blumlein多層帶狀線納秒脈沖發(fā)生器的開關(guān),并通過實驗驗證其輸出特性。此外,依據(jù)系統(tǒng)緊湊型要求,選擇面積更小、沿面閃絡(luò)電壓更高以及屏蔽效果更好的帶狀線作為層疊單元,分別將帶狀線并聯(lián)、串聯(lián)以及混合連接以獲取合適的輸出阻抗及方波脈寬,最后分別對采用3種連接方式的層疊帶狀線納秒脈沖發(fā)生器進(jìn)行了相關(guān)測試。其中,重點對4級帶狀線串聯(lián)型高壓納秒脈沖發(fā)生器進(jìn)行了實驗測試,實驗結(jié)果表明,該發(fā)生器輸出脈沖幅值0~3 k V連續(xù)可調(diào)、脈寬(幾十ns~數(shù)百ns)可擴展、重復(fù)工作頻率(0~幾k Hz)可調(diào)且輸出方波脈沖上升約20 ns左右的方波納秒脈沖,有益于生物醫(yī)學(xué)實驗中對于系統(tǒng)輸出方波脈沖寬度變化且系統(tǒng)緊湊、便攜、重量輕的要求,為研究納秒脈沖電場的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:Recently, the application potential of nanosecond pulsed electric field in biomedicine and other fields has aroused great interest of researchers at home and abroad. In order to develop compact, portable, lightweight high-voltage nanosecond pulse generator for biomedical experiments, a high-voltage nanosecond pulse generator based on a variety of PCB transmission lines and solid-state switches is developed in this paper, based on PCB transmission line and solid-state switch technology. Firstly, this paper introduces the principle of high voltage nanosecond pulse generator based on PCB transmission line and solid state switch. By analyzing the propagation process of voltage wave in Blumlein transmission line system, the voltage wave propagation process of output square wave pulse of the system with three kinds of impedance matching and related control strategies are obtained, and the multistage transmission line string is simulated by Pspice software. The output characteristics of the parallel structure are analyzed in detail, and three kinds of multistage transmission line topologies are obtained, which can adapt to the variation of the output pulse width of the generator and the different impedance loads in the biological cell experiment. The influence of the load stray inductance and the rise time of the solid state switch on the output characteristics of the system is analyzed by the simulation software. Then, according to the PCB transmission line requirements of the nanosecond pulse generator designed in this paper, three kinds of PCB transmission lines are designed: balanced Blumlein microstrip transmission line, non-equilibrium Blumlein multilayer microstrip transmission line, balanced Blumlein multilayer strip line. The calculation process of the dimension parameters of the three kinds of PCB transmission lines is introduced in detail, and the distributed capacitance values of these PCB transmission lines are obtained on the basis of this, in order to calculate the system repetition frequency in the case of a certain constant current power supply. In addition, the parameter selection of solid-state switch and the design of driving circuit are introduced. In order to further improve the voltage tolerance level of solid-state switch, the gate "RCD" active voltage sharing circuit is introduced as the dynamic / static voltage sharing strategy of MOSFET cascade circuit. In order to ensure the dynamic / static voltage sharing between the MOSFET units in multistage MOSFET series. Finally, based on the gate "RCD" active voltage sharing strategy, a 6-stage MOSFET series module is fabricated as a switch based on balanced Blumlein microstrip transmission line, non-equilibrium Blumlein multi-layer microstrip transmission line and balanced Blumlein multilayer band line nanosecond pulse generator. The output characteristics are verified by experiments. In addition, according to the system compact type requirements, the strip lines with smaller area, higher flashover voltage along the surface and better shielding effect are selected as stacked units, respectively, and the strip lines are connected in parallel. In order to obtain the appropriate output impedance and square pulse width in series and hybrid connection, the correlating tests of three kinds of cascaded band line nanosecond pulse generator are carried out. The experimental results show that the output pulse amplitude of the generator is 0 ~ 3 kV continuously adjustable, and the pulse width (tens of ns ~ hundreds ns) can be extended, especially for the 4-stage strip line series high-voltage nanosecond pulse generator, and the experimental results show that the output pulse amplitude of the generator can be adjusted continuously and the pulse width (tens of ns ~ hundreds of ns) can be extended. The square wave nanosecond pulse whose repetition frequency (0 ~ several k Hz) is adjustable and the output square wave pulse rises about 20 ns is beneficial to the requirements of the system in biomedical experiments for the variation of the width of the output square wave and the compact, portable and light weight of the system. It lays a foundation for studying biomedical effect of nanosecond pulsed electric field.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN41;TN782

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 Todd Stocker;;脈沖發(fā)生器的評價[J];今日電子;2006年08期

2 王俊;魯寧;李陳;劉炯;;泥漿式正脈沖發(fā)生器的研制與應(yīng)用[J];鉆采工藝;2009年06期

3 葛力彬;周真;秦勇;楊軍;;實驗動物用埋藏式心臟起搏器精密可調(diào)脈沖發(fā)生器設(shè)計[J];測控技術(shù);2012年01期

4 吳紅光;王曉;李璽欽;趙延安;曹科峰;梁川;;300kV高壓脈沖發(fā)生器[J];強激光與粒子束;2012年03期

5 王貢獻(xiàn);王名漢;華宏星;汪玉;;液壓脈沖發(fā)生器機理與非線性特征分析[J];中國機械工程;2013年12期

6 張大偉;張子陽;;高壓脈沖發(fā)生器碎石研究[J];中國科技信息;2013年23期

7 ;可控脈沖發(fā)生器[J];自動化;1972年00期

8 ;國外脈沖發(fā)生器發(fā)展水平與動向[J];電子測量技術(shù);1977年05期

9 過雅南;李啟明;吳熙東;;延遲脈沖發(fā)生器[J];電子測量技術(shù);1990年03期

10 黃光明，，范開堂，劉立民，劉武;選定成分成像高壓脈沖發(fā)生器的研制[J];電子器件;1994年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 楊峰;薛泉;陳志豪;;一種新型的脈沖發(fā)生器的設(shè)計[A];2003'全國微波毫米波會議論文集[C];2003年

2 邱景輝;李紅梅;林澍;;電磁脈沖發(fā)生器信號分析[A];2005'全國微波毫米波會議論文集（第二冊）[C];2006年

3 侯銳;張建德;楊建華;楊杰;馮常順;張瑜;李小林;汪偉;蘇正平;;一種層疊脈沖發(fā)生器的初步研究[A];中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告——中國核學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集（第一卷·第7冊）[C];2009年

4 邢靜媛;劉麗莉;;大幅度納秒脈沖發(fā)生器[A];第7屆全國核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集（一）[C];1994年

5 肖明珠;;可調(diào)高壓脈沖發(fā)生器[A];中國工程物理研究院科技年報（2002）[C];2002年

6 王建;章錫明;姚陳果;李成祥;米彥;;一種多參數(shù)可調(diào)納秒脈沖發(fā)生器的研制[A];重慶市電機工程學(xué)會2010年學(xué)術(shù)會議論文集[C];2010年

7 劉云濤;謝敏;高平;張紀(jì)昌;馬成剛;馮宗明;馬軍;;延時可控高壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計[A];第二屆全國特種電源與元器件年會論文集[C];2002年

8 趙強;王貴榮;王玉芝;董志偉;;級聯(lián)變匝間距爆磁壓縮脈沖發(fā)生器等效電路模型的數(shù)值模擬[A];中國工程物理研究院科技年報（2002）[C];2002年

9 楊實;楊漢武;錢寶良;鐘輝煌;;基于磁開關(guān)的全固態(tài)、高功率、長脈沖發(fā)生器的初步研究[A];第三屆全國粒子加速器技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2007年

10 姚陳果;趙東陽;米彥;李成祥;秦劍波;章錫明;孫才新;;一種高壓ps脈沖發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[A];重慶市電機工程學(xué)會2010年學(xué)術(shù)會議論文集[C];2010年

相關(guān)重要報紙文章 前4條

1 陜西 趙德軍 編譯;測試用的脈沖發(fā)生器[N];電子報;2014年

2 荊州 劉先松;智能脈沖發(fā)生器[N];電子報;2001年

3 成都 史為 編譯;50Hz～200kHz的脈沖發(fā)生器[N];電子報;2012年

4 盛國太;起搏器常識[N];家庭醫(yī)生報;2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 楊實;基于磁開關(guān)和帶狀線的長脈沖、超低阻抗脈沖發(fā)生器及其相關(guān)技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

2 張自成;緊湊重頻Tesla變壓器型吉瓦脈沖發(fā)生器[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

3 許建軍;基于Tesla變壓器的高功率電磁脈沖發(fā)生器研究[D];西南交通大學(xué);2007年

4 賀元吉;爆電能源高功率超寬帶脈沖發(fā)生器研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2001年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉金濤;便攜式脈沖發(fā)生器可靠性技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2010年

2 張晏源;基于PCB傳輸線和固態(tài)開關(guān)的高壓納秒脈沖發(fā)生器研制[D];重慶大學(xué);2015年

3 錢曦;脈沖發(fā)生器的嵌入式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[D];電子科技大學(xué);2008年

4 張孝飛;脈沖發(fā)生器波形產(chǎn)生模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[D];長春工業(yè)大學(xué);2012年

5 王麗君;仿核信號的隨機脈沖發(fā)生器技術(shù)研究[D];南華大學(xué);2007年

6 楊可;高壓陡前沿脈沖發(fā)生器的研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2007年

7 宮守偉;大電流電磁脈沖發(fā)生器研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

8 張子陽;高壓脈沖發(fā)生器固相脆性材料放電破壞研究[D];沈陽理工大學(xué);2014年

9 王劍飛;多參數(shù)可調(diào)納秒脈沖發(fā)生器的研制及其誘導(dǎo)的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)研究[D];重慶大學(xué);2010年

10 李松;高性能脈沖發(fā)生器脈沖輸出通道設(shè)計[D];電子科技大學(xué);2007年

本文編號：2192494