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多路Marx并联高压脉冲电源研究

饶俊峰 洪凌锋 郭龙跃 李孜 姜松

饶俊峰, 洪凌锋, 郭龙跃, 等. 多路Marx并联高压脉冲电源研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 055001. doi: 10.11884/HPLPB202032.190472
引用本文: 饶俊峰, 洪凌锋, 郭龙跃, 等. 多路Marx并联高压脉冲电源研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 055001. doi: 10.11884/HPLPB202032.190472
Rao Junfeng, Hong Lingfeng, Guo Longyue, et al. Investigation of high voltage pulse generators with Marx generators in parallel[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 055001. doi: 10.11884/HPLPB202032.190472
Citation: Rao Junfeng, Hong Lingfeng, Guo Longyue, et al. Investigation of high voltage pulse generators with Marx generators in parallel[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 055001. doi: 10.11884/HPLPB202032.190472

多路Marx并联高压脉冲电源研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.190472
基金项目: 国家自然科学基金青年基金项目(51707122);上海市青年科技英才扬帆计划项目(19YF1435000)
详细信息
    作者简介:

    饶俊峰(1985—),男,博士,副教授,主要从事全固态纳秒高压脉冲发生器、大功率直流充电技术和低温等离子体应用等研究工作;raojunfeng1985@163.com

  • 中图分类号: TM832

Investigation of high voltage pulse generators with Marx generators in parallel

  • 摘要: 脉冲功率技术在工业和生物医学领域有着广泛的应用,很多应用场合要求输出数百安培的高压脉冲。固态Marx发生器虽已研究多年,但是被广泛采用直插封装的IGBT和MOSFET功率半导体开关管的额定电流通常都低于100 A,无法满足低阻抗负载的应用需求。为提高输出脉冲电流幅值,提出两种多路Marx发生器并联的脉冲电源的拓扑结构,第一种方案采用多路Marx发生器直接并联,第二种是共用一组充电开关管的多路Marx发生器并联。由FPGA提供充放电控制信号,采用串芯磁环隔离驱动方案实现带负压偏置的同步驱动,主电路选用开通速度快、通流能力强的IGBT为主开关的半桥式固态方波Marx电路。实验结果表明,6路16级Marx直接并联的脉冲发生器能输出重频100 Hz高压方波脉冲幅值可达10 kV,在30 Ω负载侧输出峰值电流可达300 A,上升时间230 ns。共用充电开关管的6路4级Marx并联发生器在5 Ω电阻负载上的输出电流峰值可达300 A,最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns。表明多路Marx发生器并联可以有效地减小系统内阻,提高系统带载能力;改进后的并联方案实现大电流脉冲输出的同时,所采用的开关管数量减小近一半,提高了系统的抗干扰能力的同时,降低了脉冲电源的成本;且增加级间并联导线可进一步改善均流效果。
  • 图 1  多路Marx发生器直接并联主电路

    Fig. 1  Power circuit of many Marx generators connected in parallel directly

    图 2  共用充电开关管的多路Marx发生器并联主电路

    Fig. 2  Power circuit of many Marx generators in parallel sharing charging switches

    图 3  空载输出电压波形

    Fig. 3  Voltage waveform with open circuit

    图 4  重复频率100 Hz时的电压波形

    Fig. 4  Voltage waveform at the frequency of 100 Hz

    图 5  阻性负载上总电流仿真波形

    Fig. 5  Simulating waveform of total current through resistive load

    图 6  阻性负载上总电流

    Fig. 6  Waveform of total current through resistive load (directly parallelled)

    图 7  不同Marx支路的输出电流波形

    Fig. 7  Waveforms of current in various branches (directly parallelled)

    图 8  阻性负载上总电流

    Fig. 8  Waveform of total current through resistive load (sharing charging switches)

    图 9  不同Marx支路的输出电流波形

    Fig. 9  Waveforms of current in various branches (sharing charging switches)

    图 10  级级并联后每一路Marx输出电流

    Fig. 10  Current waveforms in different branches with stage-stage parallel connection

    图 11  相同条件下负载输出最大电流

    Fig. 11  Waveform of maximum current through resistive load

    图 12  3路Marx并联与单路Marx在不同负载上的输出电压

    Fig. 12  Voltage amplitudes over different resistive loads by Marx generators with 3 branches in parallel or single 8-stage Marx generator

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-17
  • 修回日期:  2020-02-19
  • 网络出版日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2020-05-01

多路Marx并联高压脉冲电源研究

    作者简介: 饶俊峰(1985—),男,博士,副教授,主要从事全固态纳秒高压脉冲发生器、大功率直流充电技术和低温等离子体应用等研究工作;raojunfeng1985@163.com
  • 上海理工大学 机械工程学院,上海 200093

摘要: 脉冲功率技术在工业和生物医学领域有着广泛的应用,很多应用场合要求输出数百安培的高压脉冲。固态Marx发生器虽已研究多年,但是被广泛采用直插封装的IGBT和MOSFET功率半导体开关管的额定电流通常都低于100 A,无法满足低阻抗负载的应用需求。为提高输出脉冲电流幅值,提出两种多路Marx发生器并联的脉冲电源的拓扑结构,第一种方案采用多路Marx发生器直接并联,第二种是共用一组充电开关管的多路Marx发生器并联。由FPGA提供充放电控制信号,采用串芯磁环隔离驱动方案实现带负压偏置的同步驱动,主电路选用开通速度快、通流能力强的IGBT为主开关的半桥式固态方波Marx电路。实验结果表明,6路16级Marx直接并联的脉冲发生器能输出重频100 Hz高压方波脉冲幅值可达10 kV,在30 Ω负载侧输出峰值电流可达300 A,上升时间230 ns。共用充电开关管的6路4级Marx并联发生器在5 Ω电阻负载上的输出电流峰值可达300 A,最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns。表明多路Marx发生器并联可以有效地减小系统内阻,提高系统带载能力;改进后的并联方案实现大电流脉冲输出的同时,所采用的开关管数量减小近一半,提高了系统的抗干扰能力的同时,降低了脉冲电源的成本;且增加级间并联导线可进一步改善均流效果。

English Abstract

  • 随着脉冲功率技术的发展,半导体开关被广泛应用于脉冲功率发生器中,它可以有效缩小发生器体积,提高重复频率,增加使用寿命,增加系统的可控性。Marx发生器的核心思想是对多个电容进行并联充电,然后通过开关技术将其串联起来,对负载直接放电以获得高电压脉冲输出。采用半导体开关的固态Marx发生器[1-4]因其脉宽、频率和脉冲幅值都连续可调,且能量利用率更高,因此被广泛用于臭氧产生[5]、材料改性[6-9]、生物细胞处理[10]、废水处理[11]、低温等离子体的产生[12]等应用上。近年来,固态Marx发生器在水中放电[13]、肿瘤消融[14]等领域有了更多的应用,而这些应用的负载都表现出低阻性,例如,在肿瘤消融应用中,需要用百安培的大电流脉冲以杀死肿瘤细胞。这对固态Marx发生器的带载能力提出了更高的要求。受到IGBT和MOSFET等主流功率半导体开关通流能力的限制,固态Marx发生器难以长时间输出高压大电流脉冲,故本文提出了两种多路Marx发生器并联的脉冲发生器结构以提高其输出电流幅值。本文首先介绍了两种Marx发生器并联结构的工作原理,以及所采用的驱动和控制方案,然后通过实验验证了其可行性,并对实验结果进行分析,最后总结了这两种方案的优缺点。

    • 本文提出了两种Marx发生器并联的高压脉冲电源结构,第一种是将多路Marx发生器的主电路直接并联,并共用同一个直流电源进行充电的方案,第二种则是在第一种结构的基础上进一步改进,将多路Marx发生器共用同一组充电开关管和直流电源,减少了将近一半的功率半导体开关。本文中第一种结构采用Infineon公司的IGW60T120作为主开关,其额定电压为1.2 kV、额定电流为60 A。第二种结构采用IXYS公司的IXYH50N120C3D1作为主开关,其额定电压为1 200 V、额定电流为50 A。二极管均采用IXYS公司耐压为1.2 kV的DSEP12-12A,每级主电容均为耐压1 kV、容量为400 nF的多层陶瓷电容,直流充电源VDC可提供高达1 kV的可调直流电压。

    • 图1是多路Marx发生器直接并联方案的电路拓扑,只是简单的将多路基于半桥结构的方波Marx电路在首末端进行了并联而已。当控制充电过程的开关管S1,Sc11~Scnm开通时,每一级储能电容经二极管D11~Dnm并联充电,电容的充电时间常数为τRcCRc为线路等效电阻)。在程序设定的两次放电间隔内S1,Sc11~Scnm开关管均导通,以给C11Cnm电容提供足够长的充电时间。忽略二极管的压降,则每一级储能电容上的电压与直流电源电压相等。当充电开关管S1,Sc11~Scnm关断后,控制放电过程的开关管Sd11~Sdnm开通,每路Marx发生器中的储能电容C串联、同时多路Marx发生器并联向负载放电,从而输出高压大电流脉冲。对于阻性负载,其输出电流为

      图  1  多路Marx发生器直接并联主电路

      Figure 1.  Power circuit of many Marx generators connected in parallel directly

      $${I_{\rm{o}}} = \frac{{n{V_{{\rm{DC}}}}}}{{{R_{{\rm{load}}}}}}$$ (1)

      式中:${I_{\rm{o}}}$为负载上的总输出电流;$n$为每一路Marx包含的级数;${V_{{\rm{DC}}}}$为直流输入;${R_{{\rm{load}}}}$为负载阻值。

      由于采用了多路Marx发生器并联的拓扑,减小了每路Marx电路的输出电流峰值,提高了整个系统的输出电流能力。在放电过程中,由于充电管S1处于关断状态,可以预防某些故障情况下直流充电源直接被负载短路造成的影响。

    • 图1的方案中,每路Marx发生器彼此独立,都有自己的充电和放电回路,只是使用的开关管数量非常多,增加了系统成本和控制的复杂性。在实际使用中,充电电流比放电电流小得多,因此,对于图1中的Marx发生器,充电管只需采用较小额定电流、与放电管同等耐压的半导体开关即可。本文在多路Marx发生器直接并联结构的基础上对其进行了改进,提出了一种新的拓扑结构,其主电路结构如图2所示,整个发生器有m路,每一路包含n级Marx发生器。当Marx发生器并联时,用二极管Dc11~Dcnm替代图1中的充电管Sc11~Scnm,并用一组总耐压足够高的半导体开关Sb1~Sbi来控制电容的充电过程。每个Marx发生器的所有电容都由开关Sb1~Sbi控制充电。在充电阶段,每路Marx发生器的电容器C11~C1m通过二极管D11~D1m和开关S1充电,其他电容器C21~Cnm通过二极管D11~Dnm;Dc21~Dcnm和开关Sb1~Sbi充电。当Sd11~Sdnm开通时,储能电容向负载串联放电,从而输出高压脉冲。改进后的结构不仅可以使每一路Marx发生器正常充电,而且大大的减少了半导体开关的使用,节约了成本,缩小了发生器体积,同时提高了系统的可靠性。

      图  2  共用充电开关管的多路Marx发生器并联主电路

      Figure 2.  Power circuit of many Marx generators in parallel sharing charging switches

    • 不同的半导体开关具有不同的工作特性,为了获得快速上升沿的高压脉冲,并降低半导体的开通损耗,要求驱动电路具有很快的驱动速度和数安培的驱动电流,而且在固态Marx高压脉冲电源中,由于每级IGBT的发射极电位不同,驱动电路的设计与常见的电力电子电路有较大差异,因此需采取同步隔离的快速驱动方式。通常,光纤与脉冲变压器都可用于隔离驱动信号,但是如果用光纤进行隔离,则需要更多的控制信号与光纤数量,以及给每级光纤接收器的隔离供电电路,不仅增大了系统损耗和系统复杂性,更降低了系统的电磁兼容能力,而且增加了整个系统的成本。采用串心磁环同步驱动的磁隔离方案[15-17]具有隔离电压高、成本低、同步性好、无需隔离电源等特点,满足了驱动系统的要求。故本文的驱动信号采用应用成熟的串心磁环的同步磁隔离驱动方案[15-17],该方案利用同轴线作为驱动变压器的原边绕组。原边采用1匝带屏蔽层的高压同轴线,外层接地起屏蔽干扰作用,内导体用作驱动信号传输;副边为多匝绝缘导线绕制而成,可以有效地驱动半导体开关。这种驱动方式同时把驱动信号和功率都通过在串心磁环原边传递到副边,解决了传统驱动芯片需要给副边每级驱动单独隔离供电的问题。同时提供了负压偏置保证IGBT可靠关断。该方案的设计要求和特点在文献[15-17]中已经有详细阐述,本文不再赘述。

    • 本文设计了6路16级Marx并联的脉冲发生器,并对设计的脉冲发生器进行了实验。使用采样带宽1 GHz,采样频率为10 GHz的数字示波器DPO5104(Tektronix,USA)和高压探头P6015A (Tektronix,USA)来记录数据。

      图3是空载时的输出电压波形,其最大峰值电压可达10 kV,且上升沿、下降沿时间均低于100 ns,实验中输出电压和脉宽等参数均连续可调。图4是重频100 Hz时的电压波形。

      图  3  空载输出电压波形

      Figure 3.  Voltage waveform with open circuit

      图  4  重复频率100 Hz时的电压波形

      Figure 4.  Voltage waveform at the frequency of 100 Hz

      图5是在30 Ω的低感性电阻负载上的输出电流仿真波形,采用的是PSPICE仿真软件。由于本文中采用贴片陶瓷电容,6路16级Marx并联电路的等效电容量仅为150 nF,导致在低阻抗负载下顶降非常明显,实际中只需根据放电参数选取合适容量的大电容即可减小顶降。图6是6路Marx发生器直接并联方案在30 Ω的电阻负载上的输出电流,其电流幅值达到300 A,上升时间230 ns,与仿真结果基本一致。图7是每一支路的实际输出电流,图中每一支路输出电流50 A左右,可以看到每路的电流波形基本一致,但是由于半导体开关特性及驱动的差异性,加上每路的杂散电感很难保持严格一致,从而导致每一路输出电流略微有些不均。这个问题可以通过级级并联[18]的方式来改善,让并联Marx具有电流自平衡能力同时还可以起到保护开关管的作用。

      图  5  阻性负载上总电流仿真波形

      Figure 5.  Simulating waveform of total current through resistive load

      图  6  阻性负载上总电流

      Figure 6.  Waveform of total current through resistive load (directly parallelled)

      图  7  不同Marx支路的输出电流波形

      Figure 7.  Waveforms of current in various branches (directly parallelled)

    • 为了验证共用充电管的Marx并联方案的可行性,本文按照图2所示电路设计了6路4级Marx并联电路并进行系统测试。对比图1的方案,本方案仅用4个串联的充电管即可控制发生器的充电,而6路4级Marx直接并联的方案所需的充电管数量为24个,可见需用的开关管数量明显减少。图8是共用充电开关管的6路Marx发生器并联方案在5 Ω电阻负载上的输出电流波形,同样采用的贴片陶瓷电容,6路4级Marx并联电路的等效电容量600 nF,当充电电压为443 V,输出总电流可达300 A,上升时间318 ns。图9为每一路Marx的输出电流波形,电流幅值都在50 A左右,同时也可以看出电流上升沿差异比较明显。在本实验中,为了测试均流效果,故意设计每路Marx放电回路的电感量不同,越靠近输入端,其放电回路的总电感越小,将6路Marx按照离输入端从近到远分别命名为1~6路,6路Marx电路输出电流波形的上升时间(10%~90%)最大为492 ns,最小为273 ns,相差达219 ns。为了改善这种电流不均的现象,采用级级并联的方式进一步开展实验[18],具体并联方式如图2中的虚线所示,不同Marx之间的同样级数增加单线并联。如图10所示是级级并联的方式测得的各路Marx的电流波形,可以看到电流波形电流上升时间最大为425 ns,最小为268 ns,相差仅157 ns,比没有级级并联方案有了明显改善。同时电流分配不均问题也得到了明显的改善,尤其是1,2两路在1 μs时电流幅值分别从38.6 A和40.5 A上升到了43.2 A和44.8 A,并且发现电流在顶降期间也得到了有所改变,级级并联后顶降期间电流幅值仍然保持一致。从整体波形发现,改善后的每路电流波形保持一样的上升下降趋势,若减小每路Marx电路放电回路电感的差异,可进一步改善每路电流的一致性。若进一步提高充电电压至678 V,该电路在相同条件下最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns,如图11所示。结果表明,只用一组串联的开关管可以在控制多路Marx的充电,提高了充电效率的同时起到了截尾的作用,减少了开关管的数量的同时也提高了系统的稳定性。

      图  8  阻性负载上总电流

      Figure 8.  Waveform of total current through resistive load (sharing charging switches)

      图  9  不同Marx支路的输出电流波形

      Figure 9.  Waveforms of current in various branches (sharing charging switches)

      图  10  级级并联后每一路Marx输出电流

      Figure 10.  Current waveforms in different branches with stage-stage parallel connection

      图  11  相同条件下负载输出最大电流

      Figure 11.  Waveform of maximum current through resistive load

    • 图12是3路8级Marx并联与单路8级Marx在不同负载下的输出电压。实验时直流输入都为300 V,负载电阻取12,16,20,24 Ω,分别用这两种发生器测得负载上的输出电压幅值,结果如图12所示。其中黑色是3路Marx并联的输出电压,红色是单路Marx输出电压。为了防止每级内部短路,在Marx发生器中串联了低阻抗的电阻,单路8级Marx发生器的内阻为16 Ω。直流输入为300 V时,该系统理论输出2.4 kV,但由于系统内阻的分压,导致在负载上的输出电压幅值降低。从图中可以看出,两种发生器随负载阻值的增加其输出电压幅值也相应增加。单路Marx发生器在16 Ω的负载上输出电压为1.1 kV,系统内阻分得近一半电压。而3路Marx发生器在16 Ω的负载上输出电压为1.78 kV,表明此时的系统内阻由于并联减少了一半以上。由此可得出,在相同输入电压,相同低阻抗负载下,3路Marx并联发生器的输出电压幅值比单路Marx发生器的更高,由此可见,多路Marx并联不仅提高系统的输出电流幅值,还可以减小系统的等效内阻,进一步提高系统的带载能力。

      图  12  3路Marx并联与单路Marx在不同负载上的输出电压

      Figure 12.  Voltage amplitudes over different resistive loads by Marx generators with 3 branches in parallel or single 8-stage Marx generator

    • 本文设计并测试了两种多路并联的Marx发生器,可产生重频的高压大电流快脉冲。采用的串心磁环同步驱动方案,既保证了同步驱动,还提供了负电压偏置,优化了系统的电磁兼容。实验表明多路Marx并联方案可以减少系统的内阻与杂散电感,提高了脉冲输出的上升沿及系统带载能力。在多路Marx发生器直接并联结构上继续改进,只用一组串联的半导体开关可以控制多路Marx的充电,可提高系统的充电效率,大幅减少使用的开关管数量,控制信号和驱动电路也更简单,降低了发生器的成本,使系统更加稳定可靠。同时在此基础上加入了级级并联[18]的方式可进一步平衡各路Marx的输出电流,缩短电流脉冲的上升时间,提高系统的可靠性。

参考文献 (18)

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