Marx高压脉冲电源的设计和应用

发布时间：2017-04-02 13:04

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【摘要】：随着科技的日新月异,大功率微波毫米波器件在国防和民用当中都得到了长足的发展,而回旋管作为高功率毫米波源之一,主要应用于毫米波雷达,干扰机以及民用通讯等重大项目之中。对于稳定的回旋管的高压供电设备研究尤为重要。Marx发生器是最早应用在高压试验中的设备之一。近年来,由于脉冲功率技术的蓬勃发展,Marx发生器的应用十分广泛,Marx发生器以其并联充电串联放电的工作原理以及结构简单等优点广泛应用于大功率系统中。本文主要的研究目标是满足回旋管工作的高压大功率、宽脉宽、近方波、高重频的要求。设计参数为输出电压70kV,输出电流15A,工作频率0~2kHz可调,脉宽200us可调,功率容量可以达到百kW级。传统的Marx发生器由于体积大,成本高以及稳定性差等特点不能满足回旋管工作需求。本文采用全固态器件构成Marx发生器,固态器件以其工作频率高,稳定性高,价格低,体积小等优势可以提供稳定高压脉冲输出,满足回旋管工作电源的要求。本文分析Marx发生器原理及回旋管工作电源的技术要求,针对回旋管工作的高压大功率、近方波脉冲及重复频率的特点,采用全固态器件,设计了回旋管工作电源。对Marx发生器结构及工作过程分析以及参考大量国内外研究成果基础上,全固态Marx调制器设计分为四个部分:主电路,补偿电路,IGBT隔离驱动,FPGA控制电路。通过计算机仿真,模拟各部分工作过程,制作出全固态Marx电路,并对其各部分进行测试,最后进行总体测试,测试结果与仿真计算结果相符。本文所设计电源结构简单,体积小,固态器件易于更换,不需要大变压器和绝缘油,既降低成本,又维护方便。全固态Marx调制器采用单元阵列的拓扑结构,以1kV的充电单元,堆叠成10kV的阵列结构,再串联7个阵列结构获得70kV的输出电压。利用IGBT串联作为控制开关,分析IGBT串联均压技术,采用磁耦合方式和光耦隔离驱动方式,可以有效的隔离驱动多组IGBT。为了满足多路同步的要求,由FPGA通过光纤发出控制信号,驱动IGBT的导通和关断。补偿单元与主回路结构相似,利用ADC采样通过FPGA控制延时补偿,产生近方波脉冲输出,达到自动补偿的目的。
【关键词】：回旋管 Marx发生器 全固态 IGBT FPGA
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN782;TN86
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 课题研究背景及意义11-16
• 1.1.1 回旋管概述11-13
• 1.1.2 Marx发生器概述13-14
• 1.1.3 课题意义14-16
• 1.2 Marx电源国内外研究现状16-20
• 1.3 本学位论文的主要研究内容及特点20-21
• 1.4 本章小结21-22
• 第二章 Marx调制器的理论基础22-38
• 2.1 传统Marx调制器原理22-27
• 2.1.1 传统Marx调制器组成22-25
• 2.1.2 传统Marx调制器工作原理25-27
• 2.2 全固态Marx调制器原理27-37
• 2.2.1 全固态Marx调制器组成27-29
• 2.2.2 全固态Marx调制器类型29-32
• 2.2.3 全固态Marx调制器工作过程32-34
• 2.2.4 工作过程损耗及充电不平衡分析34-37
• 2.3 本章小结37-38
• 第三章 IGBT工作原理及方法38-58
• 3.1 IGBT开关结构及工作原理38-40
• 3.1.1 IGBT的结构38-39
• 3.1.2 IGBT的工作机理39-40
• 3.2 IGBT的工作特性及参数40-45
• 3.2.1 静态特性40-42
• 3.2.2 动态特性42-44
• 3.2.3 IGBT的参数指标44-45
• 3.3 IGBT的隔离驱动方法45-49
• 3.3.1 集成驱动芯片47
• 3.3.2 光电耦合47-48
• 3.3.3 磁耦合48-49
• 3.4 IGBT的串联均压分析49-56
• 3.4.1 IGBT串联与单管比较49-50
• 3.4.2 静态不均压50-51
• 3.4.3 动态不均压51-56
• 3.5 IGBT的保护电路56-57
• 3.6 本章小结57-58
• 第四章 全固态Marx调制器设计58-76
• 4.1 全固态Marx调制器参数指标58
• 4.2 总体设计方案58-60
• 4.3 主电路单元设计60-63
• 4.3.1 电容选取60-61
• 4.3.2 二极管选取61-62
• 4.3.3 IGBT选取62-63
• 4.4 Pspice仿真分析63-64
• 4.5 IGBT隔离驱动单元64-70
• 4.5.1 隔离驱动65-67
• 4.5.2 栅极驱动电路设计67
• 4.5.3 IGBT保护电路设计67-70
• 4.6 延时补偿单元70-75
• 4.6.1 自适应延时补偿单元工作原理73-75
• 4.6.2 延时补偿单元结构75
• 4.7 本章小结75-76
• 第五章 Marx调制器的FPGA控制电路设计76-90
• 5.1 FPGA简介76
• 5.2 FPGA开发板Spartan-6 简介76-77
• 5.3 FPGA控制设计77-81
• 5.3.1 控制电路设计78-79
• 5.3.2 控制程序设计79-80
• 5.3.3 仿真测试80-81
• 5.3.4 在线测试81
• 5.4 ADC自适应采样电路设计81-89
• 5.4.1 ADC芯片选择82-84
• 5.4.2 ADC采样设计84
• 5.4.3 ADC外围电路设计84-89
• 5.5 本章小结89-90
• 第六章 全固态Marx调制器实验研究90-104
• 6.1 器件选取及各部分电路测试90-94
• 6.1.1 器件选取90-92
• 6.1.2 IGBT驱动测试92-93
• 6.1.3 FPGA控制测试93-94
• 6.2 全固态Marx调制器实验研究94-99
• 6.2.1 单片机验证实验94-96
• 6.2.2 FPGA控制实验96-98
• 6.2.3 改进FPGA实验98-99
• 6.3 整体实验研究99-102
• 6.3.1 主电路测试99-101
• 6.3.2 加入4阶补偿电路101-102
• 6.4 本章小结102-104
• 第七章 总结及展望104-107
• 7.1 全文总结104-105
• 7.2 后续工作展望105-107
• 致谢107-108
• 参考文献108-113
• 攻读硕士学位期间的研究成果113-114

【参考文献】

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1 张晋琪;张现福;杨周炳;徐刚;陆巍;;全电感隔离型重复频率Marx发生器[J];强激光与粒子束;2009年04期

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本文编号：282526