用于冷阴极场发射器件的高压脉冲电源的研制

摘要

目前,高压脉冲技术在冷阴极场致发射、等离子技术、化工、废水处理等方面的应用越来越广泛,对高压脉冲电源的性能指标的要求也越来越高。脉冲技术正在向着更高电压、更高频率、更窄的脉冲宽度、更高功率、更低成本、更小的体积和重量的方向发展。 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)问世以来,在脉冲功率技术中得到广泛应用,它具有耐压高,饱和电流大,响应速度快等优点。目前市场上的IGBT额定耐压只有1200V-3200V左右,虽然ABB等公司6500V的IGBT产品已经面世,但是其价格昂贵,且开关损耗大,开关速度与低压IGBT产品相比有明显的下降。因此,串联IGBT技术深受国内外研究人员的重视,但是现有技术尚有很多不足,例如结构复杂、成本太高、可靠性差等。 本论文主要研究了一种新型的基于串联IGBT互补开关结构的高压脉冲电源。该脉冲电源采用多个IGBT串联,提高脉冲主回路开关的耐压等级；利用互补开关结构,增强了脉冲电源的驱动能力,脉冲电源最高输出电压为10000V,脉冲宽度可调,可以满足包括容性负载在内的多种负载的驱动要求。在设计过程中,采用较低的成本、简单的结构解决了串联IGBT的电压均衡问题,详细分析了电路的原理和负载的驱动能力,实验结果表明,它可以满足冷阴极场致发射器件的测试要求。此外,这种方案具有可扩展性,可以通过串联更多的IGBT扩展至更高的电压等级,满足多种应用场合的需求。

目录

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第一章 绪论

1.1 冷阴极场致发射简介

1.2 脉冲功率技术的背景和发展

1.2.1 脉冲功率技术的背景

1.2.2 脉冲功率技术的发展方向

1.2.3 高重复率脉冲开关技术

1.3 常用半导体开关的特性介绍

1.3.1 常用半导体开关特性比较

1.3.2 IGBT的结构和工作原理

1.4 IGBT驱动技术

1.4.1 IGBT驱动要求

1.4.2 集成IGBT驱动模块

1.5 以IGBT为开关的脉冲电源同顾

1.6 本论文的主要研究内容

第二章冷阴极场发射器件介绍

2.1 器件结构和等效电路参数

2.2 高频特性分析

2.3 影响场发射三极管频率响应特性的诸多因素分析

2.3.1 跨导的影响

2.3.2 寄生电容的影响

2.3.3 渡越时间的影响

2.4 场致发射器件的驱动要求

2.5 本章小结

第三章串联IGBT技术介绍

3.1 串联IGBT技术的背景

3.1.1 串联IGBT技术的意义

3.1.2 串联IGBT技术的难点

3.2 串联IGBT静态电压均衡的实现方法

3.3 串联IGBT动态均衡的实现方法

3.3.1 无源吸收网络

3.3.2 有源栅极驱动控制

3.3.3 电压钳位法

3.4 本章小结

第四章高压脉冲电源的方案和原理

4.1 脉冲电源整体方案介绍

4.2 低压脉冲产生电路

4.3 带高压隔离的IGBT驱动

4.4 带电压均衡电路的串联IGBT互补开关

4.4.1 Pspice电路模拟

4.4.2 电路参数分析

4.4.3 负载驱动能力分析

4.5 PCB板的设计

4.6 脉冲电压显示模块设计

4.6.1 峰值电压测量简介

4.6.2 本论文脉冲电压测量方案

4.7 频率调节和数字显示方案

4.8 电源机箱的设计

4.8.1 机箱外壳设计

4.8.2 机箱内部设计

4.9 本章小结

第五章实验结果

5.1 串联IGBT电压平衡特性分析

5.2 脉冲的上升和下降时间分析

5.2.1 脉冲最优指标分析

5.2.2 实际输出脉冲指标分析

5.3 与单开关脉冲方案的比较

5.4 本章小结

第六章结论及后续工作展望

致谢

参考文献

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