Генератор импульсов по схеме Маркса на основе транзисторов MOSFET

Рассмотрение возможности и целесообразности использования транзисторов MOSFET для построения генератора импульсного напряжения технологического назначения. Анализ режимов работы и возможных диапазонов перегрузки коммутаторов.

Введение ……………………………………………………………………………………………………. 9
1 Генератор по схеме Аркадьева Маркса ……………………………………………………. 11
1.1 Обзор твердотельных коммутаторов …………………………………………………….. 15
2.Литературный обзор ………………………………………………………………………………. 20
3.Расчет параметров генератора …………………………………………………………………. 51
4.Экспериментальная часть ……………………………………………………………………….. 57
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 75
5.1Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ……………………………………………… 76
5.2 SWOT – анализ ……………………………………………………………………………………. 77
5.3 Планирование научно-исследовательской работы ………………………………….. 79
5.4 Бюджет научного исследования ……………………………………………………………. 83
5.4.1 Сырье, материалы, специальное оборудование, покупные изделия ………. 83
5.4.2 Основная заработная плата ……………………………………………………………….. 85
5.4.3 Дополнительная заработная плата научно-производственного персонала 87
5.4.4 Отчисления на социальные нужны ……………………………………………………. 87
5.4.5 Амортизация ……………………………………………………………………………………. 87
5.4.5 Накладные расходы ………………………………………………………………………….. 88
5.5 Анализ и оценка научно-технического уровня исследования ………………….. 88
5.6 Определение ресурсоэффективности исследования ………………………………. 90
6 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 95
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………… 95
6.2 Производственная безопасность …………………………………………………………… 96
6.3 Анализ вредных факторов производственной среды ………………………………. 97
6.4 Анализ опасных факторов производственной среды ………………………………. 98
6.5 Обоснование мероприятий по снижению воздействия ………………………….. 100
6.6 Экологическая безопасность ………………………………………………………………. 101
6.7 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 101
Заключение …………………………………………………………………………………………….. 103
Список использованных источников ………………………………………………………… 105
Приложение A – Experimental part; Introduction …………………………………………. 107

В данной работе был проведен анализ, расчет, проектирование, сборка
реального макета генератора Маркса на твердотельных MOSFET-
транзисторах. В части литературного обзора были рассмотрены различные
схемы и схемные решения, направленные на увеличении выходного
напряжения, а также рассмотрены различные способы применения этих
генераторов в промышленной отрасли. Произведён расчет ключевых
параметров генератора, было собрано 3 схемы генератора Маркса с
различным количеством ступеней, произведена сборка и сопряжение силовой
части ГИН и системы управления (СУ). Были рассмотрены различные
схемные решения для увеличения быстродействия между силовой частью и
драйвером генератора. Итоговые результаты получились на схеме с 6
ступенями ГИН, где выходное напряжение составило 480 В, фронт импульса
на нагрузке составил 100 нс, для уменьшения длительности фронта была
использована схема с эмиттерным повторителем, что укоротило
длительность фронта с 1,5 мкс до 400 нс. В связи с активностью
отечественных и зарубежных ученых, направленные на способы увеличения
напряжения и быстродействия срабатывания транзисторов, можно сделать
вывод, что генератор Маркса на твердотельных ключах актуален, более
экологичный, достаточно компактен, в отличие от газовых разрядников на
определенный тип напряжения.

При выполнении экономической части составлен полный список работ
и их трудоемкость, построен календарный план-график выполнения
работ, выполнено определение участников каждой работы, установлены
продолжительности работ, построен график по временным показателям,
подсчитан бюджет для проведения научно-технического исследования,
проведена оценка эффективности научного проекта со стороны
ресурсосбережения.
Рассмотрены влияния вредных и опасных факторов при
эксплуатации генератора Аркадьева-Маркса, рассмотрена возможность
утилизации тяжелых металлов, содержащихся в конденсаторах генератора,
выбраны средства пожаротушения для оснащения помещения, в
котором происходит использование генератора, также описаны
обязанности работодателя в отношении персонала и правила охраны
труда при эксплуатации электроустановок.

1. Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.:
Солон-Пресс, 2005. – 416 с.: ил.
2. Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: профессиональные решения. –
М.: Солон-ПРЕСС, 2011. – 416 с.: ил. (Серия «Компоненты и
технологии»)
3. A Repetitive High Voltage Pulse AdderBased on Solid State Switches –
Kefu Liu, Yan Luo and JianQiu – Institute of Electrical Light Sources,
Fudan University, Shanghai, 20043, China –IEEE Transactions on
Dielectrics and Electrical Insulation 16(4):1076 — 1080 · September 2009.
4. MARX GENERATOR USING POWER MOSFETS – W. Jiang, W. Diao,
and X. Wang – Tsinghua University, Beijing, China – 2009 IEEE Pulsed
Power Conference.
5. FGPA-ControlledAll-Solid-StateNanosecondPulseGeneratorfor
Biological Applications – Chenguo Yao, Member, IEEE, Ximing Zhang,
FeiGuo,ShoulongDong,YanMi,andCaixinSun–IEEE
TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 40, NO. 10, OCTOBER
2012/
6. Power Electronics Converter with Marx Generator Configuration based PEF
for Liquid Food Sterilization – S.A.Ghani, W.I. Ibrahim, M.R.Ghazali –
Faculty of Electrical & Electronics Engineering Universiti Malaysia Pahang
– International Conference on Electrical, Control and Computer Engineering
2011 (InECCE)/
7. Solid-State Marx Generator for the Compact Linear Collider Breakdown
Studies – M. J. Barnes, S. Calatroni and W. Wuensch – ABT, VSC and RF
Groups, TE and BE Departments CERN – Conference: 2016 IEEE
International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC).
8. A 600V, 1KA compact LTD module using Power MOSFETs –
PravinIyengar,T.C.Lim, S.J.Finney, B.W.Williams and M.A.Sinclair –
University of Strathclyde, Department of Electronic and Electrical
Engineering, Glasgow, United Kingdom – Conference: 2012 IEEE
international power modulator and high voltage conference, At San diego,
CA.
9. SETUP AND TESTING OF A FAST STACKED-MOSFET SWITCH – M.
Sack, M. Hochberg, G. Mueller – Karlsruhe Institute of Technology, for
Pulsed Power- and Microwave Technology, Hermann-von-Helmholtz-Platz
1 – Conference: Pulsed Power Conference (PPC), 2013 19th IEEE
10. A Novel Configuration of Modular Bipolar Pulse Generator Topology Based
on Marx Generator With Double Power Charging – ChenguoYao,Member,
IEEE, ShoulongDong,Student Member, IEEE, Yajun Zhao, Yan Mi, and
Chengxiang Li IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL.
44, NO. 10, OCTOBER 2016.
11. Metallized Polypropylene Film Capacitors MKP Radial Potted Type
(Электронныйресурс)URL:
https://ru.mouser.com/datasheet/2/427/mkp41642-1211348.pdf
(датаобращения (1.05.2019).
12. УправлениеMosfet-транзисторами(Электронныйресурс)URL:
https://vasilisks.wordpress.com/2013/01/07/%D1%83%D0%BF%D1%80%
D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-
mosfet-%D0%B0%D0%BC%D0%B8-1/(Дата обращения 1.05.2019)
13. Схемы управления MOSFET и IGBT – Полупроводниковая силовая
электроника(Электронныйресурс)URL:
http://nauchebe.net/2015/04/sxemy-upravleniya-mosfet-i-igbt-
poluprovodnikovaya-silovaya-elektronika/(Дата обращения 1.05.2019)
14. СНиП 23-05-95 «»Естественное и искусственное освещение»
15. ГОСТ12.1.038–82ССБТ.Электробезопасность.Предельно
допустимые уровни напряжений прикосновения и токов.
16. ГОСТ 12.1.010–76 ССБТ. Взрывобезопасность. Общие требования.
17. ГОСТР12.1.019-2009ССБТ«Электробезопасность.Общие
требования и номенклатура видов защиты».
18. ГОСТ22614-77.Система«Человек-машина».Выключатели
клавишные и кнопочные. Общие эргономические требования.
19. ГОСТ 12.4.011-88. «Инструктаж по технике безопасности».
20. СниП 2.09.02-85 «Производственные здания»
21. СНиП 2.01.02-85 «Противопожарные нормы»
22. ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования»
23. ГОСТ 12.4.011-89 «Система стандартов безопасности труда. Средства
защиты работающих. Общие требования и классификация»
24. ГОСТР50648-94«Совместимостьтехническихсредств
электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной
частоты. Технические требования и методы испытаний»
109