超短距放电预电离高压纳秒脉冲电源的研制

摘要

高气压短距辉光放电沉积类金刚石膜是一种具有发展前景的等离子体制备技术。但该技术目前遇到的瓶颈是工作稳定性差,技术上主要表现在弧光放电抑制和辉光熄灭后的启辉困难。本文在讨论气体放电特性的基础上,分析了工作在帕邢曲线右支短距放电时,压强越高负阻性越强是此技术瓶颈的主要原因。针对此问题,提出了预电离的解决方案。
　　结合对气体施行预电离的要求设计了一个高压纳秒脉冲源。分析了电真空器件和固体器件组成的高压纳秒脉冲源的优缺点,研究了雪崩三极管的性质及工作条件,采用高压场效应管技术和雪崩三极管结合应用设计此高压脉冲源。对系统整体方案及各个单元电路设计做了详细阐述,包括脉冲的产生,脉冲的陡化,脉冲驱动,功率主电路的高低压供电等。采用多个高压场效应管串联,并对各高压场效应管单独供电,实现了串联MOS管的合理均压并实现了脉冲幅值的大幅度提升;采用交错反激拓扑,实现多路高压直流输出;采用雪崩三极管的雪崩效应对脉冲陡化,使得输出脉冲上升速度及下降速度均大幅度提升;前后沿分别驱动,使得输出脉冲的宽度可手动调节;利用后沿脉冲驱动开关管,实现短路负载的方式,提升负载脉冲后沿的下降速度;最终实现输出幅度0～4kV可调,后沿小于18ns,脉冲宽度100ns～1μs可调的高压纳秒脉冲源。
　　经过认真调试测量,获得大量实验波形及数据,验证了方案的可行性。用阻性负载进行实验发现脉宽抖动较小,功率输出性能比较稳定,但脉宽顶部略有振荡。高压纳秒脉冲源适应于短距辉光放电预电离的要求。

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第一章 绪 论

1.1超短距放电的原理及特点

1.2脉冲功率技术的简介

1.3脉冲功率技术的国内外现状

1.4本论文的研究目的和意义、目标、内容及创新点

第二章 高压纳秒脉冲源的整体方案

2.1 方案选择

2.2 脉冲电源设计指标

2.3 电源总体方案设计

2.4本章小结

第三章 电源各单元电路设计方案

3.1脉冲产生及整形单元设计

3.2脉冲陡化单元设计

3.3脉冲驱动单元设计

3.4功率主电路单元设计

3.5高压直流电源设计

3.6总结

第四章 高压脉冲电源硬件电路实验及结果

4.1用示波器测量上升时间的讨论

4.2脉冲产生及整形单元实验测试

4.3脉冲陡化单元实验测试

4.4脉冲驱动单元实验测试

4.5功率开关管主电路实验测试

4.6 布局及布线总结

4.7 本章小结

第五章 总结及展望

参考文献

致谢