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自触发驱动的全固态MARX发生器

饶俊峰 李恩成 王永刚 姜松 李孜

饶俊峰, 李恩成, 王永刚, 等. 自触发驱动的全固态MARX发生器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
引用本文: 饶俊峰, 李恩成, 王永刚, 等. 自触发驱动的全固态MARX发生器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
Rao Junfeng, Li Encheng, Wang Yonggang, et al. Self-triggering all-solid-state Marx generator[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
Citation: Rao Junfeng, Li Encheng, Wang Yonggang, et al. Self-triggering all-solid-state Marx generator[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223

自触发驱动的全固态MARX发生器

doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
基金项目: 国家自然科学基金青年基金项目(51707122);国家重点研发计划数字诊疗专项(2019YFC0119100);上海市青年科技英才扬帆计划(19YF1435000)
详细信息
    通讯作者:

    饶俊峰(1985—),男,博士,副教授,主要从事全固态高压脉冲发生器和低温等离子体应用等方面的研究工作;jfrao@usst.edu.cn

  • 中图分类号: TM832

Self-triggering all-solid-state Marx generator

  • 摘要: 随着全固态高压脉冲发生器在材料改性、生物医学和工业等领域上的广泛应用,全固态脉冲发生器正朝着小型化、智能化和模块化方向发展。为了进一步减小电源的体积、降低成本,提出了一种自触发驱动的正极性全固态Marx发生器的拓扑。只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断,通过级间电容对相邻级的放电管门极自动充电和放电,使其依次导通和关断。这种拓扑使得Marx发生器中的多个开关管的驱动电路简单很多,无需提供隔离供电的多路驱动电源,且避免了开关的动态、静态均压问题。基于这种拓扑搭建了一台17级的正极性Marx发生器样机,且电压幅值和脉宽都连续可调,在10 kΩ纯阻性负载上输出10 kV、重复频率100 Hz的正极性高压脉冲,脉冲前沿约为328 ns。样机体积小巧、工作稳定,验证了该方案的可行性。
  • 图  1  正极性自触发Marx拓扑结构

    Figure  1.  The topology of the self-triggering Marx generator.

    图  2  阻容串联负载下的充电回路和阻性负载下的充电回路

    Figure  2.  The charging circuit with resistor-capacitor series load and resistive load.

    图  3  一级自触发驱动回路和两级自触发驱动回路

    Figure  3.  The turn-on process of self-triggering drive circuit for the first stage and the second stage.

    图  4  第一级自触发关断回路和第二级自触发关断回路

    Figure  4.  The turn-off process of self-triggering circuit for the first stage and the second stage

    图  5  5级正极性自触发驱动Marx发生器仿真电路

    Figure  5.  Simulation circuit of 5-stage positive self-triggering Marx generator

    图  6  5级驱动电压对比图

    Figure  6.  Comparison of 5-stage drive voltage

    图  7  不同级数输出波形

    Figure  7.  Voltage waveforms generated by different number of stages

    图  8  17级自触发驱动的Marx发生器实物图

    Figure  8.  The photo of the 17-stage self-triggering Marx generator

    图  9  第5级开关的自触发的驱动电压

    Figure  9.  The self-triggering driving voltage over the switch in the 5th stage

    图  10  17级自触发驱动的Marx发生器的输出的(a)单个脉冲电压波形和(b)100 Hz重频电压波形

    Figure  10.  The output voltage waveform of (a) a single pulse and (b) 100-Hz repetitive pulses generated by the 17-stage self-trigger Marx generator

    图  11  17级自触发驱动的MARX发生器在10 kΩ纯阻性负载上的电压波形(a)电压幅值可调(b)脉宽可调

    Figure  11.  Voltage waveforms over 10-kΩ resistor load with (a) adjustable voltage amplitudes and (b) adjustable pulse widths

    图  12  正极性自触发驱动的Marx发生器在阻容串联负载下的输出电压波形

    Figure  12.  The waveform of the voltage over capacitive load driven by the positive self-triggering Marx generator

    表  1  电路参数

    Table  1.   Circuit parameters

    input DC voltage/Vsignal width/μsstorage capacitance of Cn/μFgate capacitance of Cg(n-1)/nFdriving capacitance of Cd(n-1)/pFgate series resistance/Ωgate parallel resistance/kΩresistance of load/kΩ
    60011.474.7150125.110
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  • [1] 刘钟阳, 吴彦, 王宁会. 双极性窄脉冲介质阻挡放电合成臭氧的研究[J]. 高电压技术, 2001, 27(2):28-29. (Liu Zhongyang, Wu Yan, Wang Ninghui. Experimental study on ozone synthesis in dielectric barrier discharge triggered by bipolar narrow pulse[J]. High Voltage Engineering, 2001, 27(2): 28-29 doi:  10.3969/j.issn.1003-6520.2001.02.013
    [2] Samaranayake W J M, Miyahara Y, Namihira T, et al. Pulsed streamer discharge characteristics of ozone production in dry air[J]. IEEE Trans Dielectrics & Electrical Insulation, 2002, 7(2): 254-260.
    [3] Roupassov D V, Nikipelov A A, Nudnova M M, et al. Flow separation control by plasma actuator with nanosecond pulse periodic discharge[C]//International Conference on Gas Discharges and Their Applications. 2008(17): 609-612.
    [4] Pendleton S J, Kastner J, Gutmark E, et al. Surface streamer discharge for plasma flow control using nanosecond pulsed power[J]. IEEE Trans Plasma Science, 2011, 39(11): 2072-2073. doi:  10.1109/TPS.2011.2138166
    [5] 袁雪林, 梁步阁, 吕波, 等. 探地雷达高功率高稳定度脉冲源设计[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(10):1689-1692. (Yuan Xuelin, Liang Buge, Lü Bo, et al. High-power and high-stability pulser for ground penetrating radar[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2007, 19(10): 1689-1692
    [6] Zhang C H, Lü P, Zhao Y P, et al. Xenon discharge-produced plasma radiation source for EUV lithography[J]. IEEE Trans Industry Applications, 2010, 46(4): 1661-1666. doi:  10.1109/TIA.2010.2051059
    [7] Chen X, Zhuang J, Kolb JF, Schoenbach KH, Beebe SJ. Long term survival of mice with hepatocellular carcinoma after pulse power ablation with nanosecond pulsed electric fields[J]. Technol Cancer Res Treat, 2012, 11(1): 83-93. doi:  10.7785/tcrt.2012.500237
    [8] 房俊龙, 朴在林, 张喜海. 30 kV液体食品灭菌用高电压脉冲发生器的设计[J]. 农机化研究, 2006, 8:95-97. (Fang Junlong, Pu Zailin, Zhang Xihai. Design of 30kV High-voltage pulse generator for sterilization in liquid food[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006, 8: 95-97 doi:  10.3969/j.issn.1003-188X.2006.06.035
    [9] 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. (Rao Junfeng, Hong Lingfeng, Guo Longyue, et al. Investigation of high voltage pulse generators with Marx generators in parallel[J]. High Power Laser & Particle Beams, 2020, 32: 055001
    [10] Liu Ying, Fan Rui, Zhang Xiaoning, et al. Bipolar high voltage pulse generator without H-bridge based on cascade of positive and negative Marx generators[J]. IEEE Trans Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(2): 476-483. doi:  10.1109/TDEI.2018.007861
    [11] Hess H L, Baker R J. Transformerless capacitive coupling of gate signals for series operation of power MOS devices[J]. IEEE Trans Power Electronics, 2000, 15(5): 923-930. doi:  10.1109/63.867682
    [12] 张春朋, 张树卿, 赵国亮. 串联IGBT动态均压方法综述[J]. 电工技术学报, 2013, 28(s0):197-202. (Zhang Chunpeng, Zhang Shuqing, Zhao Guoliang. Review of dynamic voltage balancing methods for series-connected IGBTs[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(s0): 197-202
    [13] Lu Ting, Zhao Zhengming, Ji Shiqi, et al. Active clamping circuit with status feedback for HV-IGBT[C]//International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2012: 1-5.
    [14] Lei Pang, Tian Junlong, He Kun, et al. A compact series-connected SiC MOSFETs module and its application in high voltage nanosecond pulse generator[J]. IEEE Trans Industrial Electronics, 2019, 66(12): 9238-9247. doi:  10.1109/TIE.2019.2891441
    [15] Li Rong. The design of new compact Marx generator[J]. Chinese Journal of Electronics, 2018, 27(6): 1305-1308. doi:  10.1049/cje.2018.09.017
    [16] Rao Junfeng, Zhang Wei, Jiang Song, et al. Nanosecond pulse generator based on cascaded avalanche transistors and Marx circuits[J]. IEEE Trans Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(2): 374-380. doi:  10.1109/TDEI.2018.007710
    [17] Zeng Weirong Yao Chenguo, Dong Shoulong, et al. Self-triggering high-frequency nanosecond pulse generator[J]. IEEE Trans Power Electronics, 2020, 35(8): 8002-8012. doi:  10.1109/TPEL.2020.2967183
  • [1] 张志远, 杨兰均, 詹唯, 徐海鹏, 江宏球, 林天遇.  纳秒级前沿PFN-MARX发生器充放电特性 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201830.170327
    [2] 贾伟, 陈志强, 郭帆, 谢霖燊, 杨天, 汤俊萍, 金廷军, 邱爱慈.  基于Marx发生器的中小型电磁脉冲模拟器驱动源 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201830.170401
    [3] 宋法伦, 金晓, 李飞, 罗光耀, 张北镇, 王淦平, 李春霞, 苏友斌, 卓红艳, 金晖, 甘延青, 龚海涛.  20 GW紧凑Marx型重复频率脉冲驱动源研制进展 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201729.160510
    [4] 姜占兴, 王真, 周林, 梁川, 李名加.  紧凑型纳秒高压脉冲发生器研制 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201628.160032
    [5] 李志强, 杨建华, 张建德, 殷毅, 李伟, 洪志强.  紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201628.015013
    [6] 贲驰, 何勇, 潘绪超.  基于电磁感应的脉冲功率发生器试验研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201527.015003
    [7] 李志强, 杨建华, 张建德, 张军, 洪志强.  固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426.065004
    [8] 甘延青, 宋法伦, 卓婷婷, 张勇, 秦风, 龚海涛, 金晓.  紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究 . 强激光与粒子束,
    [9] 雷宇, 邱剑, 刘克富.  150 kV全固态高压脉冲发生器设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122403.0673
    [10] 邹俭, 王川, 郑侠, 张天爵, 姜兴东.  紧凑型X箍缩脉冲功率发生器 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122403.0663
    [11] 吴红光, 王晓, 李玺钦, 赵延安, 曹科峰, 梁川.  300 kV高压脉冲发生器 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122403.0715
    [12] 邓官垒, 刘振, 王秉哲, 闫克平.  自同步多开关纳秒脉冲发生器 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122404.0885
    [13] 刘金亮, 樊旭亮, 白国强, 程新兵.  紧凑型Marx发生器高功率微波源研究进展 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122404.0757
    [14] 李文峰, 邵涛, 张东东, 章程, 黄伟民, 严萍.  重复频率纳秒脉冲源程控脉冲发生器 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122405.1186
    [15] 方进勇, 梁铁柱, 张治强, 黄文华, 江伟华.  螺旋线型微秒级高压长脉冲产生器数值模拟 . 强激光与粒子束,
    [16] 方进勇, 江伟华, 黄文华.  螺旋线型微秒级高压长脉冲发生器 . 强激光与粒子束,
    [17] 刁文豪, 江伟华, 王新新.  基于金属氧化物半导体场效应管的Marx发生器 . 强激光与粒子束,
    [18] 丁臻捷, 浩庆松, 苏建仓, 孙旭.  基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器 . 强激光与粒子束,
    [19] 苏建仓, 丁臻捷, 丁永忠, 宋晓欣, 宋志敏, 秋实, 黄文华.  S-5N全固态重复频率脉冲发生器 . 强激光与粒子束,
    [20] 范敏, 鲁敬平, 吴关女, 纪康宁, 吕传信, 刘丰香, 宋影松.  驱动等离子体电极电光开关脉冲发生器研究 . 强激光与粒子束,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-30
  • 修回日期:  2020-09-30
  • 网络出版日期:  2020-10-15

自触发驱动的全固态MARX发生器

doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
    基金项目:  国家自然科学基金青年基金项目(51707122);国家重点研发计划数字诊疗专项(2019YFC0119100);上海市青年科技英才扬帆计划(19YF1435000)
    通讯作者: 饶俊峰(1985—),男,博士,副教授,主要从事全固态高压脉冲发生器和低温等离子体应用等方面的研究工作;jfrao@usst.edu.cn
  • 中图分类号: TM832

摘要: 随着全固态高压脉冲发生器在材料改性、生物医学和工业等领域上的广泛应用,全固态脉冲发生器正朝着小型化、智能化和模块化方向发展。为了进一步减小电源的体积、降低成本,提出了一种自触发驱动的正极性全固态Marx发生器的拓扑。只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断,通过级间电容对相邻级的放电管门极自动充电和放电,使其依次导通和关断。这种拓扑使得Marx发生器中的多个开关管的驱动电路简单很多,无需提供隔离供电的多路驱动电源,且避免了开关的动态、静态均压问题。基于这种拓扑搭建了一台17级的正极性Marx发生器样机,且电压幅值和脉宽都连续可调,在10 kΩ纯阻性负载上输出10 kV、重复频率100 Hz的正极性高压脉冲,脉冲前沿约为328 ns。样机体积小巧、工作稳定,验证了该方案的可行性。

English Abstract

饶俊峰, 李恩成, 王永刚, 等. 自触发驱动的全固态MARX发生器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
引用本文: 饶俊峰, 李恩成, 王永刚, 等. 自触发驱动的全固态MARX发生器[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
Rao Junfeng, Li Encheng, Wang Yonggang, et al. Self-triggering all-solid-state Marx generator[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
Citation: Rao Junfeng, Li Encheng, Wang Yonggang, et al. Self-triggering all-solid-state Marx generator[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200223
  • 高压脉冲放电产生的等离子体具有电子能量高、粒子浓度高、能量利用率高等优势[1],在材料表面改性、杀菌、空气净化、废水处理等应用广泛[2]。近年来,脉冲功率技术逐渐由军工转向民用发展,主要应用在环保、工业、医疗等领域[5-6]。瞬间变化的高电压和大电流在生物组织焊接、肿瘤消融[7]、脉冲电场杀菌[8]发挥重要作用。目前的固态脉冲电源的驱动技术主要采用高压磁隔离同步驱动,这种驱动方案可以很好的将同步信号进行高压隔离[9]。但是,由于其驱动电路复杂,磁芯数量以及体积较大,会加大高压脉冲电源的体积和重量,同样成本也会增加,且高压电磁干扰容易驱动不稳定。而采用光纤提供隔离同步信号的驱动方案隔离电压高,同步性更好,但是成本也很高,且需提供多路隔离的驱动供电电源[10]。因此,结构简单且稳定驱动的高压脉冲发生器将会使得结构更加紧凑轻便,节约成本。莫斯科爱达荷大学的Herbert L. Hess提出一种可靠的功率MOSFET堆叠方法,控制一个MOSFET,通过特定的电路结构使得后续MOSFET自动开通和关断[11]。这种方法可以使高压脉冲发生器的驱动更为简单,减少了体积和重量。但受驱动电路、控制型号、半导体开关差异等因素的影响,不同步的半导体开关的开通,容易引起过压击穿[12]。通常需要添加有源钳位电路或RCD缓冲电路。传统的有源钳位电路反馈时间较长,清华大学的Ting Lu采用了一种高速的反馈电路,将钳位动作时间缩短到30 ns,从而减少过压尖峰[13]。目前的串联半导体开关技术,由于开通关断不同步,在有源区工作时长不一致。西安交通大学的Lei Pang认为串联开关稳定工作电压可达到10 kV,提出了一种紧凑的自触发驱动的串联SiC MOSFET模块的高压纳秒脉冲发生器[14],一个模块由10个MOSFET串联构成,控制底部MOSFET,自动触发其余MOSFET。通过3个模块基于Marx结构叠加输出了30 kV的高压纳秒脉冲。但这种结构同样会产生动态均压问题,并且需要高压直流电源进行充电。西北工业大学的LI Rong提出了一种基于雪崩三极管的自触发Marx发生器的设计[15],只需一个信号控制雪崩三极管让其处在雪崩状态,其余开关管由主电容分压提供驱动电压。这种结构不需要多个相同的信号控制开关管,所有开关共地,因此就不需要考虑信号隔离的问题[16]。但雪崩三极管通流能力低且电路结构不稳定。重庆大学的Yu Liang提出了一种自触发高频纳秒脉冲发生器[17],其电路采用了Marx结构,只需一个信号控制一个开关管,其余开关管的驱动电压通过主电容分压提供,自动触发剩余的开关管。信号不需要高压隔离且驱动回路简单。但这种结构输出的负极性高压会冲击直流电源,为避免脉冲高压冲击而串联的限流电阻会影响充放电效率和充电速度。因此,本文在此基础上提出了一种改进的正极性自触发驱动的Marx发生器,避免了高压冲击直流电源。通过优化和改进电路结构,将驱动信号经过磁隔离输入到第一级开关管门极,避免了脉冲电压对信号电路的冲击。同时简化驱动电路,使结构更加紧凑。不需要复杂的驱动时序,仅需要一个信号就可完成Marx发生器所有开关管的开通和关断。通过电容的并联充电,串联放电,输出正极性重频高压脉冲。

    • 图1即为本文提出的正极性自触发Marx拓扑结构,图中给了3级Marx的电路图,每级主要包含一个主电容、一个放电开关管、两个二极管和一个电阻。除了第一级开关管是由所提供的放电信号经过驱动芯片直接触发之外,每个开关管的门极经过一个门极电阻和电容串联支路连接到上一级开关管的源极,当上一级开关管导通时,其主电容经过开关管向级间电容和本级开关管的门极等效电容充电,当门极电压达到开关管的阈值电压时,开关管就自行导通;当上一级开关管关断后,级间电容和门极电容串联起来经过上一级电阻泄放,从而自动关断。串联适当的门极电阻可以抑制开通过程中门极电压的欠阻尼震荡。

      图  1  正极性自触发Marx拓扑结构

      Figure 1.  The topology of the self-triggering Marx generator.

    • 本节以自触发结构的三级Marx发生器为例,分为三个阶段详细介绍此拓扑的工作原理:

      (1)截止状态。当开关管Q1处于关断状态时,其余开关管Q2,Q3由于没有控制信号也会保持关断状态。此时直流充电源会经过二极管和电阻对各级主电容C1,C2,C3进行并联充电,如图2(a)所示,与二极管并联的这些电阻阻值通常是在10 kΩ级别,以抑制放电过程中主电容流经该电阻的漏电流。如果负载是纯阻性的,部分充电电流会经过负载电阻流通,如图2(b)所示。

      图  2  阻容串联负载下的充电回路和阻性负载下的充电回路

      Figure 2.  The charging circuit with resistor-capacitor series load and resistive load.

      (2)开通状态。当FPGA产生一个信号使得开关Q1可靠开通时,Marx发生器会进入开通放电状态。此时C1会充当电压源,经过Q1-Cd1-Rg1-Cg1对Cd1和Cg1进行串联充电,以阻性负载为例,充电回路如图3(a)蓝色箭头所示。Cd1和Cg1串联会对VC1进行分压,通过参数匹配,可使得VCg1达到开关管Q2的门极阈值电压,使得Q2导通。此时,C1和C2对负载进行串联放电,放电回路为C2-Q2-C1-Q1-Load,如图3(a)红色箭头所示。同理,如图3(b)蓝色箭头所示,Q3也会依次导通,C1,C2,C3对负载进行串联放电,放电回路为C3-Q3-C2-Q2-C1-Q1-Load,如图3(b)红色箭头所示所示。

      图  3  一级自触发驱动回路和两级自触发驱动回路

      Figure 3.  The turn-on process of self-triggering drive circuit for the first stage and the second stage.

      (3)关断状态。当开关管Q1关断时,R1与级间通路并联,也会流过一部分放电电流。Cg1和Cd1串联对负载放电,Cg1两端的电压也会随着电荷的泄放而降低。放电过程如图4(a)绿色箭头所示。当Q2的Vgs降低到Q2的门极阈值电压时,Q2关断。D1也会随着反偏电压的消失而进入导通状态,此时,放电回路为C3-Q3-C2-Q2-Cg1-Cd1-Load,如图4(b)所示。Q3的关断过程与Q2类似。阻容串联负载与纯电阻负载的关断过程相同,故文中不再加以区分。

      图  4  第一级自触发关断回路和第二级自触发关断回路

      Figure 4.  The turn-off process of self-triggering circuit for the first stage and the second stage

    • 为了验证自触发驱动的Marx发生器的工作原理,采用了Pspice仿真了5级正极性自触发驱动Marx发生器,工作电压为600 V,负载为10 kΩ纯电阻负载,每级的主电容容量为1.47 μF,每级开关管门极并联一个5.1 kΩ的下拉电阻保证开关管的可靠开通,驱动电容参数的选择依据可参考文献[14]。仿真电路如图5所示,具体仿真电路和实验参数如表1所示。

      表 1  电路参数

      Table 1.  Circuit parameters

      input DC voltage/Vsignal width/μsstorage capacitance of Cn/μFgate capacitance of Cg(n-1)/nFdriving capacitance of Cd(n-1)/pFgate series resistance/Ωgate parallel resistance/kΩresistance of load/kΩ
      60011.474.7150125.110

      图  5  5级正极性自触发驱动Marx发生器仿真电路

      Figure 5.  Simulation circuit of 5-stage positive self-triggering Marx generator

      图6测试了五级正极性自触发驱动的Marx发生器第1~5级的驱动电压。由于自触发驱动是逐级触发,若最后一级有驱动电压,则前级全部触发导通。从图6中可以看出第2级到第5级自触发驱动电压幅值均约为12.6 V左右,半高宽脉宽分别约为1.3,1.7,2.4,3.1 μs,前沿分别为29,14,13,10 ns,后沿分别为0.412,0.523,0.661,1.040 μs。自触发驱动电压脉宽与第一级信号设定的1 μs脉宽存在明显的差异,且逐级变宽。这是由于自触发的驱动电压脉宽与自触发关断回路的RC参数以及上一级开关管的导通脉宽有关,从图6的不同级开关管的门极信号的平顶结束时刻所呈现的规律可以看出,每级开关管在前一级开关管关断后才开始进入关断过程,因此,放电管的驱动信号脉宽逐级变宽。这会导致负载上的输出电压半高宽脉宽大于第一级控制信号的脉宽,但输出电压顶部脉宽是由所有放电管中驱动电压脉宽最窄的那一级决定的,即第一级驱动电压脉宽决定输出电压顶宽。同样,从图6也能看出驱动电压上升沿有明显的欠阻尼震荡,这是由于自触发驱动回路中的等效电阻太低决定的,后面在实验过程中通过调节自触发驱动回路的等效电阻和在门极并联TVS可以改善驱动电压的欠阻尼震荡。图7为仿真测试了信号脉宽为1 μs、电路级数分别为1~5级时在10 kΩ负载下的输出波形,对比可以明显看出不同级数输出顶宽不变,底宽却越来越大,说明关断速度随着级数的增加而变慢。

      图  6  5级驱动电压对比图

      Figure 6.  Comparison of 5-stage drive voltage

      图  7  不同级数输出波形

      Figure 7.  Voltage waveforms generated by different number of stages

    • 图8即为本文提出的17级自触发驱动的Marx发生器实物图。开关管采用的SiC MOSFET,型号为CREE公司的C2M0080120D,耐压1200 V,门极电容950 pF。主电路的实际尺寸约为15 cm×12 cm×10 cm,面积只有成人的手掌大小,体积和重量非常轻巧,结构紧凑。

      图  8  17级自触发驱动的Marx发生器实物图

      Figure 8.  The photo of the 17-stage self-triggering Marx generator

      为了与仿真实验对照,因此本次实验通过5级自触发驱动Marx发生器工作在600 V测量自触发驱动电压。5级自触发驱动Marx发生器的实验参数与表1一致。图9为第5级自触发的驱动电压,前沿约为0.349 μs,后沿约为1.395 μs,幅值约为8.96 V。由于自触发导通回路的RC参数远小于自触发关断回路的RC参数,导致了自触发驱动电压后沿更长。

      图  9  第5级开关的自触发的驱动电压

      Figure 9.  The self-triggering driving voltage over the switch in the 5th stage

      为提高输出脉冲高压幅值,将级数扩展到17级,每一级的实验参数保持不变,与表1一致。测试了工作电压在600 V的输出波形,第一级信号脉宽1 μs,频率100 Hz,负载采用10 kΩ纯阻性负载,理论输出电压为10.2 kV。图10(a)为单个脉冲的电压波形,实际输出电压幅值约为10 kV,半高宽脉宽为3.1 μs的正极性高压脉冲,前沿约为0.331 μs,后沿约为4.113 μs。图10(b)为100Hz的重频脉冲波形,输出了幅值约为10 kV,输出波形稳定。表明该正极性自触发Marx发生器在重频条件下能稳定工作。

      图  10  17级自触发驱动的Marx发生器的输出的(a)单个脉冲电压波形和(b)100 Hz重频电压波形

      Figure 10.  The output voltage waveform of (a) a single pulse and (b) 100-Hz repetitive pulses generated by the 17-stage self-trigger Marx generator

      图11(a)为测试了正极性自触发驱动的Marx发生器工作在10 kΩ纯阻性负载下,在400~600 V范围内调节工作电压,获得输出7~10 kV的不同幅值的脉冲波形。可以看出,随着电压的不断叠加,脉冲前沿分别约为0.441,0.379,0.374,0.328 μs逐渐变小。这是由于在负载不变的情况下,工作电压越高,门极驱动电流就越高,门极电压上升沿就越快,开关管导通速度也越快。图11(b)测试了正极性自触发驱动的Marx发生器输出不同脉宽的输出波形,给定信号的脉宽分别是1,2,3,4 μs,输出电压波形顶宽分别为1.07,2.21,3.21,4.22 μs。图11验证了该发生器输出不同电压幅值和脉宽的灵活性。

      图  11  17级自触发驱动的MARX发生器在10 kΩ纯阻性负载上的电压波形(a)电压幅值可调(b)脉宽可调

      Figure 11.  Voltage waveforms over 10-kΩ resistor load with (a) adjustable voltage amplitudes and (b) adjustable pulse widths

      图12测试了正极性自触发驱动的Marx发生器在阻容串联负载下的输出波形,在10 kΩ和3 nF的阻容性串联负载下,测试了10 kΩ和3 nF阻容串联负载两端的脉冲电压波形以及10 kΩ上的电压波形。10 kΩ和3 nF阻容串联负载两端总输出了幅值约为9.68 kV,半高宽脉宽约为2.3 μs,前沿约为0.311 μs,后沿约为4.576 μs的正极性高压脉冲。而10 kΩ电阻两端电压幅值约为9.44 kV,半高宽脉宽约为2.3 μs,前沿约为0.311 μs,后沿约为4.412 μs的正极性高压脉冲。可以明显看出,电阻两端电压较快的下降到零,而阻容两端总电压的下降沿要慢得多。这主要是由于关断后3 nF电容上的残余电压没有低阻抗泄放通路,因此阻容串联负载的关断过程比纯阻性负载的关断过程持续时间更长,故在阻容性负载下输出波形后沿缓慢。同时,阻容串联负载相当于3 nF的电容与10 kΩ阻性负载内部的寄生电容进行分压,由于10 kΩ纯阻性负载寄生电容远小于3 nF,因此10 kΩ负载分压较多,相比于纯阻性负载的电压幅值有所降低。

      图  12  正极性自触发驱动的Marx发生器在阻容串联负载下的输出电压波形

      Figure 12.  The waveform of the voltage over capacitive load driven by the positive self-triggering Marx generator

    • 本文提出的自触发驱动的Marx发生器只需要经过磁隔离给一级放电管提供驱动信号,其它所有放电管就会自动触发开通和关断,大大简化了固态Marx电源的驱动电路,使其结构更加紧凑,有利于进一步减小其体积、重量和成本,是固态脉冲电源技术值得深入研究的方向,但是该技术的驱动速度较慢,脉宽和频率会受到级间驱动电路参数和工作电压的影响,今后的研究工作将会围绕这些问题展开。

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