高重频双极性脉冲功率系统关键技术研究

摘要

高重频脉冲功率技术是脉冲功率技术领域比较热门的研究方向之一，该技术的一个应用是驱动感应回旋式加速器。针对该系统而言，输出高重频脉冲的前沿陡峭程度会影响粒子束团加速效果；此外，随着研究的深入，原有的脉冲信号源难以满足系统功能扩展的需求，其中存在的跨时钟域通信问题会影响系统可靠性。本论文围绕高重频双极性脉冲功率系统的设计需求问题，着重针对脉冲信号源、高重频脉冲产生机构等方面开展研制工作。 脉冲信号源设计方面，针对传统的“MCU+FPGA”结构带来的结构复杂、扩展性较差等问题，基于可编程片上系统（SOPC）设计采用“CPU软核+片内总线”结构的脉冲信号源，达到简化系统结构的目的。由于CPU软核与外设工作于同一个时钟域之中，以此增强系统的可靠性。由于片内总线采用的是时序标准Wishbone总线接口，保证了数据接口的通用性，以此增强系统的功能扩展性。 高重频脉冲产生机构设计方面，在单模光纤隔离电路设计的基础上，利用FPGA对HFBR光纤收发器的传输延迟进行补偿，解决驱动信号脉冲宽度失真的问题。给出利用电容器绝缘电阻确定高压直流电源功率等级的方法。搭建MOSFET驱动功率放大级的SPICE模型，并通过模型仿真电路，说明了寄生电感对驱动回路造成的稳定性影响。 系统测试实验表明，脉冲信号源通过单模光纤向高重频脉冲产生机构发送驱动信号，在负载端能够获得满足性能要求的高重频脉冲信号。

目录

第一个书签之前

1　引言

1.1 　课题研究背景及意义

1.2 　高重复频率脉冲功率技术特点

1.2.1　高重复频率脉冲发生器典型电路

1.2.2　高重复频率脉冲功率技术典型应用

1.3 　高重复频率脉冲功率技术国内外研究现状

1.4 　课题主要研究内容

1.5 　本文组织结构

1.6 　本章小结

2 　系统工作原理分析

2.1 　高重复频率脉冲功率系统基本组成

2.2 　电容储能原理

2.2.1　电容储能密度

2.2.2　电容绝缘电阻对系统的影响

2.3 　半导体开关

2.3.1　半导体开关工作特点

2.3.2　功率MOSFET选型及使用要点

2.3.3　MOSFET集成驱动选型

2.4 　触发装置

2.4.1　数字控制器选型

2.4.2　隔离方式选取

2.5 　本章小结

3 　基于MicroBlaze的脉冲信号源系统构建

3.1 　SOPC技术在本系统中的应用

3.2 　基于MicroBlaze的嵌入式系统构建

3.3 　显示控制器

3.4 　脉冲输出单元

3.5 　本章小结

4 　基于Nios II的脉冲信号源系统构建

4.1 　基于Nios II的嵌入式系统构建

4.2 　片内总线设计

4.2.1　总线互联结构选择

4.2.2　总线接口信号定义

4.2.3　仲裁器设计

4.2.4　数据路由结构设计

4.3 　Nios II连接方式

4.4 　从设备连接方式

4.5 　系统启动时的检测流程

4.6 　本章小结

5 　高重频脉冲产生机构

5.1 　光纤隔离电路

5.1.1　传输延迟的补偿方式

5.1.2　发送端电路

5.1.3　接收端电路

5.2 　高重频脉冲产生机构设计要点

5.2.1　高重频脉冲产生机构建模与仿真

5.2.2　SPICE模型的选取与建立

5.2.3　高重频脉冲产生机构仿真电路搭建

5.2.4　驱动电路设计要点

5.3 　高重频脉冲产生机构测试

5.3.1　驱动信号测试

5.3.2　高重频脉冲输出测试

5.4 　本章小结

结　论

致　谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果