基于模块化多电平换流器的模块化前后沿可调高压纳秒脉冲发生器的研制
发布时间：2021-08-30 09:59
为了研究高压纳秒脉冲的前后沿时间对于离体肿瘤细胞杀伤效果的影响,需要一种能够产生前后沿可调高压纳秒脉冲的发生器。提出了一种基于半桥型模块化多电平换流器（HB-MMC）结构的新型发生器拓扑结构,通过HB-MMC子模块的级联构成2组桥臂,以产生任意极性的高压纳秒脉冲方波;采用MOSFET作为固态开关,并通过控制MOSFET的开关时序,改变导通和关断延迟时间来改变输出脉冲的前后沿。该文首先对提出的发生器拓扑结构以及工作原理进行了详细的介绍;然后采用PSpice仿真软件进行仿真验证,证实了该拓扑结构的正确性与可行性;最后研制了一台5级的脉冲发生器并进行性能测试。测试结果表明,该发生器能够输出幅值0～±4kV可调、脉宽100～500ns可调、频率0～5kHz可调的方波脉冲,且脉冲的上升沿能在15～65ns范围内平滑调节,脉冲的下降沿能在30～100ns范围内平滑调节。
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
PSpice仿真模型Fig.10Simulationmodeoftheproposedtopology
第35卷第6期米彦等基于模块化多电平换流器的模块化前后沿可调高压纳秒脉冲发生器的研制1281当开关Sa闭合，Sb断开时，UAB等于电容电压UC；当开关Sa断开，Sb闭合时，UAB=0。图1半桥型MMC结构Fig.1Harf-bridgeMMC基于半桥型的MMC结构，本文提出了如图2所示的发生器拓扑结构。该拓扑结构由两组桥臂、一个直流电源、n+m个充电电阻以及一个负载电阻组成。上桥臂由n个MMC模块级联构成，下桥臂由m个MMC模块级联而成，桥臂中的电容通过直流电源以并联的方式分别充电至Vdc和Vdc。放电时使两组桥臂分开接入放电回路，可在负载上形成单/双极性脉冲。对于每一组桥臂，通过控制桥臂中储能电容接入或者撤出放电回路的时间，可输出多电平波形，通过调节电平持续时间和电平数量可调节前后沿。上述的调节与控制可以通过控制MOSFET的开关时序来实现。图2基于MMC结构的发生器拓扑结构Fig.2TopologyofproposedMMC-basedgenerator1.2前后沿调节原理利用MMC结构的特性，可以在负载上输出多电平脉冲波形。而多电平脉冲波形是通过调节固态开关之间的导通/关断延时实现的，当导通/关断延迟时间小于前一个电平的前/后沿时间，可消除阶梯，实现前后沿的平滑调节。以一个两电平波形的前沿时间为例，上升沿调节原理如图3所示。当两组电容同时串入放电回路时，会在负载上产生一个单电平的方波，此时上升沿最小为tr-min。当在两组电容串入放电回路时设置一个延迟时间td，若td＞tr-min，则会在负载上输出一个两电平的阶梯波；若td＜tr-min，则会在负载上输出前沿时间为tr的单电平方?
，可输出多电平波形，通过调节电平持续时间和电平数量可调节前后沿。上述的调节与控制可以通过控制MOSFET的开关时序来实现。图2基于MMC结构的发生器拓扑结构Fig.2TopologyofproposedMMC-basedgenerator1.2前后沿调节原理利用MMC结构的特性，可以在负载上输出多电平脉冲波形。而多电平脉冲波形是通过调节固态开关之间的导通/关断延时实现的，当导通/关断延迟时间小于前一个电平的前/后沿时间，可消除阶梯，实现前后沿的平滑调节。以一个两电平波形的前沿时间为例，上升沿调节原理如图3所示。当两组电容同时串入放电回路时，会在负载上产生一个单电平的方波，此时上升沿最小为tr-min。当在两组电容串入放电回路时设置一个延迟时间td，若td＞tr-min，则会在负载上输出一个两电平的阶梯波；若td＜tr-min，则会在负载上输出前沿时间为tr的单电平方波，且有tr=tr-min+td。对于一个包含x个MMC模块的放电回路，其上升沿时间可以表示为1rr-minddr-min10xiittttt≤≤（2）式中，tdi为第i个电平的延迟时间，当tdi在0～tr-min范围内调节时，输出波形上升沿不会出现阶梯。图3上升沿调节原理Fig.3Pricipleofrisetimeadjustment下降沿的调节和上升沿的调节原理类似，上升沿是通过设置开关的导通延时来调节，而下降沿是通过设置开关的关断延时来调节。对于一个包含x个MMC模块的放电回路，其下降沿时间tf可以表示为1ff-minddf-min10xiittttt≤≤（3）式中，dit为第i个电平的延迟时间；tf-min为最短下降?
【参考文献】：
期刊论文
[1]交流和纳秒脉冲激励氦气中等离子体射流阵列放电特性比较[J]. 张波,汪立峰,刘峰,万梦,方志. 电工技术学报. 2019(06)
[2]基于网格传输网络模型的高频纳秒脉冲串作用下单细胞穿孔特性仿真[J]. 米彦,徐进,刘宏亮,姚陈果,李成祥. 电工技术学报. 2018(18)
[3]基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制[J]. 王昌金,姚陈果,董守龙,马剑豪,谭坚文. 电工技术学报. 2018(13)
[4]基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性[J]. 米彦,万佳仑,卞昌浩,姚陈果,李成祥. 电工技术学报. 2017(24)
[5]基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计[J]. 李江涛,赵政,钟旭,曹辉,郑敏军. 电工技术学报. 2017(08)
[6]光电耦合MOS栅固态继电器回路研究与误触发改进措施[J]. 杨广羽,马玉新,傅亚光,刘敏,王彦宾. 电力系统保护与控制. 2016(15)
[7]基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器[J]. 米彦,张晏源,储贻道,姚陈果,李成祥. 电工技术学报. 2015(11)
本文编号：3372568
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
PSpice仿真模型Fig.10Simulationmodeoftheproposedtopology
第35卷第6期米彦等基于模块化多电平换流器的模块化前后沿可调高压纳秒脉冲发生器的研制1281当开关Sa闭合，Sb断开时，UAB等于电容电压UC；当开关Sa断开，Sb闭合时，UAB=0。图1半桥型MMC结构Fig.1Harf-bridgeMMC基于半桥型的MMC结构，本文提出了如图2所示的发生器拓扑结构。该拓扑结构由两组桥臂、一个直流电源、n+m个充电电阻以及一个负载电阻组成。上桥臂由n个MMC模块级联构成，下桥臂由m个MMC模块级联而成，桥臂中的电容通过直流电源以并联的方式分别充电至Vdc和Vdc。放电时使两组桥臂分开接入放电回路，可在负载上形成单/双极性脉冲。对于每一组桥臂，通过控制桥臂中储能电容接入或者撤出放电回路的时间，可输出多电平波形，通过调节电平持续时间和电平数量可调节前后沿。上述的调节与控制可以通过控制MOSFET的开关时序来实现。图2基于MMC结构的发生器拓扑结构Fig.2TopologyofproposedMMC-basedgenerator1.2前后沿调节原理利用MMC结构的特性，可以在负载上输出多电平脉冲波形。而多电平脉冲波形是通过调节固态开关之间的导通/关断延时实现的，当导通/关断延迟时间小于前一个电平的前/后沿时间，可消除阶梯，实现前后沿的平滑调节。以一个两电平波形的前沿时间为例，上升沿调节原理如图3所示。当两组电容同时串入放电回路时，会在负载上产生一个单电平的方波，此时上升沿最小为tr-min。当在两组电容串入放电回路时设置一个延迟时间td，若td＞tr-min，则会在负载上输出一个两电平的阶梯波；若td＜tr-min，则会在负载上输出前沿时间为tr的单电平方?
，可输出多电平波形，通过调节电平持续时间和电平数量可调节前后沿。上述的调节与控制可以通过控制MOSFET的开关时序来实现。图2基于MMC结构的发生器拓扑结构Fig.2TopologyofproposedMMC-basedgenerator1.2前后沿调节原理利用MMC结构的特性，可以在负载上输出多电平脉冲波形。而多电平脉冲波形是通过调节固态开关之间的导通/关断延时实现的，当导通/关断延迟时间小于前一个电平的前/后沿时间，可消除阶梯，实现前后沿的平滑调节。以一个两电平波形的前沿时间为例，上升沿调节原理如图3所示。当两组电容同时串入放电回路时，会在负载上产生一个单电平的方波，此时上升沿最小为tr-min。当在两组电容串入放电回路时设置一个延迟时间td，若td＞tr-min，则会在负载上输出一个两电平的阶梯波；若td＜tr-min，则会在负载上输出前沿时间为tr的单电平方波，且有tr=tr-min+td。对于一个包含x个MMC模块的放电回路，其上升沿时间可以表示为1rr-minddr-min10xiittttt≤≤（2）式中，tdi为第i个电平的延迟时间，当tdi在0～tr-min范围内调节时，输出波形上升沿不会出现阶梯。图3上升沿调节原理Fig.3Pricipleofrisetimeadjustment下降沿的调节和上升沿的调节原理类似，上升沿是通过设置开关的导通延时来调节，而下降沿是通过设置开关的关断延时来调节。对于一个包含x个MMC模块的放电回路，其下降沿时间tf可以表示为1ff-minddf-min10xiittttt≤≤（3）式中，dit为第i个电平的延迟时间；tf-min为最短下降?
【参考文献】：
期刊论文
[1]交流和纳秒脉冲激励氦气中等离子体射流阵列放电特性比较[J]. 张波,汪立峰,刘峰,万梦,方志. 电工技术学报. 2019(06)
[2]基于网格传输网络模型的高频纳秒脉冲串作用下单细胞穿孔特性仿真[J]. 米彦,徐进,刘宏亮,姚陈果,李成祥. 电工技术学报. 2018(18)
[3]基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制[J]. 王昌金,姚陈果,董守龙,马剑豪,谭坚文. 电工技术学报. 2018(13)
[4]基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性[J]. 米彦,万佳仑,卞昌浩,姚陈果,李成祥. 电工技术学报. 2017(24)
[5]基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计[J]. 李江涛,赵政,钟旭,曹辉,郑敏军. 电工技术学报. 2017(08)
[6]光电耦合MOS栅固态继电器回路研究与误触发改进措施[J]. 杨广羽,马玉新,傅亚光,刘敏,王彦宾. 电力系统保护与控制. 2016(15)
[7]基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器[J]. 米彦,张晏源,储贻道,姚陈果,李成祥. 电工技术学报. 2015(11)
本文编号：3372568
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