高压脉冲调制器产生各种波形以控制微波放大器或振荡器工作，它被广泛应用于脉冲方式工作的真空管发射机、加速器高频微波加速系统^[1]、高功率微波器件等领域。近年来随着半导体开关器件的发展以及串并联技术的成熟，采用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅型双极晶体管（IGBT）作为开关器件的全固态调制器，因具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等优点，逐渐成为主流，长脉冲调制器应运而生^[2-3]。例如，国际直线对撞机（ILC）需要提供10 MW微波功率的L 波段速调管，每个10 MW速调管需要脉冲幅度为120 kV/140 A、脉冲宽度为1.5 ms、重复频率为5 Hz的调制脉冲。对于1.5 ms长脉冲，采用传统脉冲形成网络（PFN）、气体开关和脉冲变压器方案，脉冲变压器的体积和重量大、成本高，并且脉冲变压器需要绝缘油，带来环境污染和维护困难等，而基于半导体开关的固态脉冲调制器可以克服这些缺点^[4-8]。

目前高电压IGBT主流器件的额定电压范围为3～4 kV，最高约6 kV，因此需要采取合适的电压叠加拓扑，输出上百千伏甚至更高的电压脉冲。对于摒弃变压器，采用固态器件产生长脉冲电压的方法，主要有以下两种。第一种是开关直接串联方式，采用多级IGBT直接串联成调制开关，其特点是适应性好，可直接产生长脉冲或窄脉冲，也易于实现高重频，但仅适用于输出脉冲几十千伏以下场合，否则由于放电时电场分布不均匀以及触发信号的非同步性导致串联开关损坏；第二种是采用Marx电路，其优点是直流充电电源电压较低、每级Marx单元之间不必考虑均压问题^[9-10]，更大好处在于，当触发信号不同步或者甚至某些单元的触发信号丢失时，对应的Marx单元被“旁路”，不会损坏此单元的半导体开关，因此具有高可靠性^[11-12]。

对于上述的Marx电路结构，在输出脉冲时各Marx单元均处于“悬浮”电位，因此对于各单元开关常采用磁隔离电触发或光纤隔离触发。磁隔离触发需要使用变压器，触发信号脉宽受变压器磁芯“伏秒值”限制。因此，对于长脉冲输出多采用光纤传输各Marx单元开关的触发信号^[13]。光信号需要转换为电信号才能触发驱动IGBT，对于各级Marx单元需要解决半导体开关驱动电路的供电问题。本文给出一种基于IGBT（也可为MOSFET）开关的Marx电路长脉冲调制器，通过增加一组充电开关实现各单元储能电容快速充电，通过一辅助电源以及一组高压硅堆实现各单元驱动电路的直接供电，实现调制器的紧凑性和模块化。设计验证实验，以10 kΩ电阻作负载实现了输出脉冲幅度−10 kV/1 A、脉冲宽度1 ms以上，输出短脉冲时重频最高超过50 kHz。

1.   主电路拓扑原理

如图1所示，假设有n级Marx单元，每级单元由储能电容C_i（i=1、2、 …、n，为单元编号，下同）、放电IGBT开关QP_i、充电IGBT开关QS_i、储能电容充电硅堆DD_i、驱动电路供电硅堆DA_i，以及电源变换模块PWR_i组成。在静态时，充电开关QS_i一直处于导通状态而同时放电开关QP_i一直处于断开状态，此时，由主充电电源（HV）为各单元的储能电容充电。以电容C₂为例，如图1所示，充电电流从GND流经QS₁、C₂、DC₂、DD₂和DD₁，然后回流至负高压电源（HV）。与此同时，各Marx单元电源变换模块PWR_i也被供电。仍以第2级Marx为例，供电电流从GND流经QS₁、PWR₂、DB₂、DA₂和DA₁，然后回流至负的辅助电源（AUX）。输出脉冲时，其中一路驱动信号先关闭充电开关QS_i，适当延时后，另一路驱动信号触发导通放电开关QP_i，这时，Marx各单元的电容被串联，在负载R_L产生约n倍于主充电电压的输出电压。当触发信号的后沿到来时QP_i被关断，高压脉冲输出结束。再经过适当延时后，第一路驱动信号重新导通充电开关QS_i，整个输出过程结束。重复上述过程重新给储能电容和电源变换模块补充能量，以等待下次触发放电。在整个输出脉冲放电过程中，电源变换模块通过其储能电容为半导体开关的驱动电路提供能量。由于采用光纤触发以及每个Marx单元电源变换模块储存足够的能量，因此，可以输出宽度达到ms级的光触发信号，从而输出ms级长脉冲。另外，充电开关代替了常规Marx电路的电阻，使储能电容充电时间变短，利于重频脉冲输出和提高输出能量的效率^[14-15]。

图  1  Marx 长脉冲输出电路原理图

Figure  1.  Schematic diagram of the long pulse output circuit based on the Marx structure

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半导体开关在承受超过额定电压时易被过压击穿，但这种Marx电路，当某一级开关未导通时，此开关会被充电硅堆旁路，避免半导体开关过压。如图1所示，正常输出高压脉冲时，其输出路径为：C₁、QP₁、C₂、QP₂、… 、C_n、QP_n、R_L。假如在输出脉冲时，由于故障导致放电开关QP₂未被触发（或比其它开关提前关断），则与开关QS₂并联的二极管DS₂把电容C₂和开关QP₂旁路，输出路径变为：C₁、QP₁、DS₂、C₃、QP₃、… 、C_n、QP_n、R_L。这虽然会使输出电压降低，但保护了开关不被损坏，这一点对于基于半导体开关的脉冲源而言尤为重要^[16]。

2.   系统设计

2.1   充放电时序设计

由于每级Marx均增加了一支专门用于充电的开关QS_i，因此在输出高压脉冲的放电过程中，需要将充电开关保持关断，否则每个单元的储能电容C_i、放电开关QP_i将形成自放电回路，导致无法输出高压脉冲，也会使放电开关因过流而损坏。在放电过程结束后，需要将充电开关保持持续导通状态，从而给各级储能电容和电源变换模块PWR_i供电。因此，整个脉冲电源在工作时，需要由两个相位相反的信号来控制充电和放电过程，并且信号之间还要有合适的“死区”时间，以防止充电开关和放电开关在转换瞬间同时导通。但是从用户使用的角度而言，用户只需给出触发信号，而并不关心脉冲电源内部充电和放电时序的切换，因此，设计时需要利用外部的触发信号产生实际的触发信号和充电信号。

图2是利用外部触发信号产生实际触发信号和充电信号的逻辑示意图。外部输入的触发信号T₀用以触发脉冲电源，从T₀前沿开始，充电信号B开始变为无效状态、充电开关QS_i从导通状态进入关闭状态。将T₀信号整体延迟D₁时间后产生延时信号T₁，T₁作为各Marx单元放电开关QP_i的触发脉冲。将T₁信号再整体延时D₂时间产生延时信号T₂，从T₂后沿开始，充电信号B开始恢复为有效状态，开始给各单元储能电容和电源变换模块充电。图3是设计的脉冲电源实际产生信号波形，CH₁为外部触发信号T₀，演示宽度为5 μs，CH₂为实际触发各级半导体开关的触发信号T₁，CH₃为控制充电开关的充电信号B。设计时，将死区时间D₁设计为2 μs，相对较长，以便充电开关能够可靠关断；将死区时间D₂设计为约0.2 μs，相对较短，目的是利用充电开关及时导通对输出高压脉冲切尾，使输出脉冲后沿变快。但过短的死区时间D₂会使流过充电开关QS_i的尖峰电流增大，在设计调试时需要关注。

图  2  触发和充电信号逻辑示意图

Figure  2.  Logic design of trigger and charge signals

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图  3  触发和充电信号的波形

Figure  3.  Waveform of trigger and charge signals

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2.2   Marx单元设计

图4是其中一级Marx单元的设计原理图。每一级Marx单元的电路完全相同，可以完全替换，并且便于累加各单元生成更高电压。电容C₁选用10 μF/2 kV，充电开关QS₁和放电开关QP₁均选用最高耐压3 kV的IGBT。R₁是主放电回路的保护电阻，避免Marx单元异常短路时损坏IGBT开关，需要根据输出电流和IGBT的冲击电流选择合适的阻值和规格，本设计方案选择6支10 Ω的陶瓷体电阻并联。虽然IGBT器件本身有体二极管，但为了更大的通过电流能力，设计中在放电开关QP和充电开关QS两极间分别并联了硅堆DP₁和DS₁，硅堆DC₁和DB₁的作用是更好保护充电高压电源和辅助供电电源。图4中每支硅堆均由3支耐压1.2 kV的快恢复二极管串联组成。电源变换模块PWR₁选用超宽压范围输入的DC/DC，其输入电压从150 V到1500 V范围均可转换为稳定的+15 V输出给驱动电路供电，宽的输入范围可以保证更多级Marx单元进行累加组合。每个Marx单元共有三个输入端和三个输出端，组合时，处于电压最低1级Marx单元的HVIN、PLSIN和AUXIN分别与储能电容的充电电源（HV）、参考GND、辅助电源（AUX）连接。每一级Marx单元输出的HVOU、PLSOU和AUXOUT分别与高一级Marx单元的HVIN、PLSIN和AUXIN连接。设计完成的Marx单元的实物如图5所示，其中半导体开关、储能电容，以及电源变换模块安装在电路板的背面，整个Marx单元长宽厚尺寸为：18 cm×12 cm×4.6 cm。

图  4  Marx单元设计原理图

Figure  4.  Schematic diagram of one Marx unit

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图  5  Marx单元实物图

Figure  5.  Image of one Marx unit

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3.   设计及测试结果

基于上述原理研制的长脉冲高压电源如图6所示。共加工调试了6个基本Marx单元，它们被安装在一个底板上，通过底板上导线进行连接。图中右上角有一个触发信号变换板，将外部触发信号按上述逻辑变换为延时后的触发信号、同时生成充电信号，这两种信号各有6路同步输出分别进入6个Marx单元。采用恒流高压电源（HV）给各级储能电容供电。辅助电源（AUX）给各Marx单元电源变换模块PWR_i供电时，需要经过数量各异的硅堆隔离，每经过一次硅堆均产生电压降。假如每组硅堆的前向导通压降为V_f，则对于第n级Marx单元，电压共降低了（n+1）V_f。对于本设计，V_f=3.8 V，n=6，因此电压共降低约27 V。电源变换模块输入电压最低要求为150 V，因此，辅助电源电压不能低于177 V。本设计由220 VAC经工频隔离变压器整流滤波后生成约−300 V作为辅助电源（AUX），满足输入电压要求。

图  6  基于半导体开关 Marx 结构的 10 kV 长脉冲源

Fig.6 10 kV output long pulser power supply based on Marx topology with semiconductor switch

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采用10 kΩ电阻作为假负载进行测试，图7是输出脉冲幅度−10 kV、宽度为1 ms时的电压波形、图8是输出频率为50 kHz、占空比为50%时的电压波形。整个验证设计的高压电源均能输出稳定可靠的电压波形。

图  7  −10 kV长脉冲电压波形

Figure  7.  Voltage waveform of −10 kV long pulse

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图  8  −10 kV/50 kHz重频电压波形

Figure  8.  Voltage waveform of −10 kV/50 kHz repetitive frequency

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4.   结　论

研制的基于硅堆隔离的半导体开关Marx，摒弃了传统Marx线路的充电电阻，每级单元增加了充电开关，通过这种方式对开关驱动电路隔离供电，采用光纤触发实现ms长脉冲输出。同时，这种电路结构可以对每级储能电容快速充电，输出短脉冲时重复频率达几十kHz。研制6级单元Marx，验证了技术路线的可行性。如果将Marx单元储能电容增加、选用耐压或通流更高的半导体开关，可实现更多单元叠加和更大电流输出，该技术路线Marx脉冲电源适用于速调管调制器或其他需要高重频或长脉冲应用场景。