全固态陡前沿高压脉冲发生器的研究与设计
发布时间：2020-04-05 20:14
【摘要】：将高压脉冲功率技术应用于高精密度同位素丰度研究的TOF-SIMS(渡越时间二次离子质谱)中是一项很具有发展前景的高新技术,为此本论文通过对经典Marx拓扑电路的改进,选择分布式二极管隔离型Marx生成器拓扑结构,采用新型半导体场效应管Power MOSFET代替传统的火花球隙开关,通过对高电压能量的压缩,完成单极性高压脉冲波形的纳秒级陡前沿输出。本论文的主要研究目标是实现高压脉冲波形陡前沿、窄脉宽、近矩形波、高频率输出,因此基于TOF-SIMS项目背景的实际需求,如何设计出合理的高压脉冲发生器拓扑结构,实现高压脉冲波形陡上升沿输出,并保证良好的输出波形品质是本论文研究的重点,为此本论文的主要研究工作集中于以下几点:(1)对高压脉冲发生器的拓扑结构进行选择,选择分布式二极管隔离型全固态Marx发生器拓扑结构,分别从充电阶段和放电阶段的工作过程进行深入细致的建模理论分析。(2)以全固态Marx发生器的分析为理论基础,对影响脉冲波形陡前沿关键因素进行研究,通过对Power MOSFET放电开关开通特性的研究,提出加快单管放电开关导通的方法,利用Pispice建模仿真研究影响高压脉冲陡上升沿的关键因素。(3)基于前述理论分析基础,按照模块思想分别对全固态Marx发生器的硬件单元模块进行电路设计。(4)完成整机制作搭建测试系统平台,采用对比的研究方式对单元模块进行实际测试,验证设计方案的可行性和优越性,最后通过实际现场应用测试。
【图文】：
1.1 课题研究背景最近几年随着半导体开关技术的快速发展[1]，将高压脉冲功率技术应用精密同位素丰度[2]研究的TOF-SIMS（Time of fly-secondary ion mass spectrom是一项具有广阔发展前景的技术，这对于探月工程和陨石样品元素分析，以产资源稀有金属同位素区段分析，解决地质学资源领域勘探的难题，融合地学和空间物理学的发展具有巨大的研究意义。本研发课题所依据的国家重大设备开发专项首次将 TOF-SIMS 应用于高精密度同位素研究这一领域，如1.1 所示为 TOF-SIMS 结构示意图，基本原理是一次离子光学系统利用高压源产生脉冲化的离子束去轰击待测样品表面，从而激发出二次离子，通过二子存储处理后，经过能量的加速、传输和聚焦等作用后进入 TOF-SIMS 质量器，根据相同能量的离子因为质荷比差异导致飞行时间差异来间接的测量离量，，从而对样品相关特性进行定量研究。
第 3 章 基于影响高压脉冲陡前沿关键技术的研究D10D1N4007C53uD18D1N4007R410kM32IRFAG40V19TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D19 D1N4007D6D1N4007C63uD4D1N4007D11 D1N4007M33IRFAG40C33uV-V20TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20 M31IRFAG40V4800Vdc0D5 D1N4007D7D1N4007 V22TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D14D1N4007M29IRFAG40 V21TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D12D1N4007R210k0D8 D1N4007D17D1N4007C23uM30IRFAG40V+V18TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D15D1N4007C13uD9D1N4007D16 D1N4007图 3.6 全固态 Marx 发生器主电路仿真图为了验证Power MOSFET的不同开关导通速度对加快全固态Marx发生器上升沿的影响，选用 3 种不同开关速度的 MOSFET 模型进行对比实验电路仿真，图 3.7 所示为 3 种不同开关参数下的 MOSFET 模型在相同电路下导通时间，可见 3 种开通速度是有很大差异的，开通速度：MOSFET3>MOSFET2>MOSFET1。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN782
本文编号：2615481
【图文】：
1.1 课题研究背景最近几年随着半导体开关技术的快速发展[1]，将高压脉冲功率技术应用精密同位素丰度[2]研究的TOF-SIMS（Time of fly-secondary ion mass spectrom是一项具有广阔发展前景的技术，这对于探月工程和陨石样品元素分析，以产资源稀有金属同位素区段分析，解决地质学资源领域勘探的难题，融合地学和空间物理学的发展具有巨大的研究意义。本研发课题所依据的国家重大设备开发专项首次将 TOF-SIMS 应用于高精密度同位素研究这一领域，如1.1 所示为 TOF-SIMS 结构示意图，基本原理是一次离子光学系统利用高压源产生脉冲化的离子束去轰击待测样品表面，从而激发出二次离子，通过二子存储处理后，经过能量的加速、传输和聚焦等作用后进入 TOF-SIMS 质量器，根据相同能量的离子因为质荷比差异导致飞行时间差异来间接的测量离量，，从而对样品相关特性进行定量研究。
第 3 章 基于影响高压脉冲陡前沿关键技术的研究D10D1N4007C53uD18D1N4007R410kM32IRFAG40V19TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D19 D1N4007D6D1N4007C63uD4D1N4007D11 D1N4007M33IRFAG40C33uV-V20TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20 M31IRFAG40V4800Vdc0D5 D1N4007D7D1N4007 V22TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D14D1N4007M29IRFAG40 V21TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D12D1N4007R210k0D8 D1N4007D17D1N4007C23uM30IRFAG40V+V18TD = 100nsTF = 3nsPW = 10uPER = 1mV1 = 0TR = 3nsV2 = 20D15D1N4007C13uD9D1N4007D16 D1N4007图 3.6 全固态 Marx 发生器主电路仿真图为了验证Power MOSFET的不同开关导通速度对加快全固态Marx发生器上升沿的影响，选用 3 种不同开关速度的 MOSFET 模型进行对比实验电路仿真，图 3.7 所示为 3 种不同开关参数下的 MOSFET 模型在相同电路下导通时间，可见 3 种开通速度是有很大差异的，开通速度：MOSFET3>MOSFET2>MOSFET1。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN782
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本文编号：2615481
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