基于H桥拓扑的全固态高频双极性LTD的研究

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恶性肿瘤作为人类的第二大死亡原因,其致死人数和发病例数居高不下。近年来,利用高频双极性脉冲电、磁场治疗肿瘤作为一种新兴的肿瘤治疗方法,相比于单极性脉冲电、磁场的治疗,其优势明显,对于肿瘤治疗具有极其重要的意义。而高频双极性脉冲发生器是高频双极性脉冲电、磁场的产生源,因此研制可输出高频双极性脉冲高压或脉冲强流的发生器具有重要的学术价值。首先,本文对基本拓扑结构直线变压器驱动源(LTD)的原理进行了阐述,而后介绍了双极性LTD拓扑;针对双极性脉冲磁场治疗肿瘤的需求,提出了基于传统H桥的双极性LTD,并对其在感性负载下的工作过程进行了分析,对输出电流的波形调制原理进行了说明;为提高发生器控制的可靠性,降低控制难度,简化电路结构,本文首次提出一种新型的自触发H桥拓扑,并将其引入双极性LTD拓扑构成基于自触发H桥的双极性LTD,可满足双极性脉冲电场治疗肿瘤的需要。详细的分析了其在阻容性负载下的工作过程,阐述了负载对输出电压波形的影响;最后分别建立了两种发生器的PSpice电路仿真模型,仿真分析了两种发生器的理想输出和杂散参数对输出波形的影响。其次,依照实际治疗对脉冲电、磁场参数的要求,对本文的脉冲发生器进行了设计。针对基于传统H桥的双极性LTD,完成发生器中固态开关、储能电容及磁芯等关键器件的参数计算和选型,然后选择开关的并联方式,设计并联开关的驱动电路及过压保护电路,最后结合所选器件的几何参数完成开关板及基板的PCB设计;针对基于自触发H桥的双极性LTD,先对发生器中的固态开关、储能电容及磁芯等关键器件的参数进行计算与选型,然后设计主控开关的驱动电路,而后设计自触发开关的触发电路,最后完成自触发LTD子模块的PCB设计;最后设计发生器的控制系统,采用FPGA作为控制信号源,并设计电光转换电路将电信号转换为光信号,通过光纤传输控制信号。最后,搭建发生器的测试系统测试本文研制的两种发生器的输出波形;针对基于传统H桥的双极性LTD,先测试了开关的驱动波形及集射极电压波形,再对输出电流波形进行了测试,测试结果表明该发生器可输出±800A、最高重复频率10k Hz,且正负极性波形独立可调的高频脉冲电流;针对基于自触发H桥的双极性LTD,先测试了主控开关及自触发开关的驱动波形,再对输出电压波形进行了测试,测试结果表明该发生器可以输出±4k V、脉宽60~260ns、上升沿11ns、最高重复频率500k Hz的高频脉冲电压;总的来说,两种发生器都能正常工作,模块化的设计方便扩展,可为脉冲电、磁场治疗肿瘤技术的研究提供硬件平台。
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