一種納秒前沿的負(fù)高壓脈沖產(chǎn)生電路

趙 鑫，張東方，劉進(jìn)元

1)西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049;2)西北電網(wǎng)有限公司，西安710048;3)深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，深圳518060

脈沖功率技術(shù)是把較小功率的能量以較長時間輸入到儲能設(shè)備中，將儲存的能量通過器件進(jìn)行壓縮與轉(zhuǎn)換，然后在極短時間(最短可為納秒)以極高功率密度向負(fù)載釋放的電物理技術(shù).目前脈沖功率技術(shù)除應(yīng)用在核爆炸模擬受控核聚變實驗和強(qiáng)流粒子束加速器等重要國防科技領(lǐng)域外，還廣泛用于等離子體注入煙氣脫硫污水處理，以及極限條件下材料電學(xué)性能研究及改性等工業(yè)領(lǐng)域［1-2］.Marx發(fā)生器以高儲能密度和低電感的電容器組為主體構(gòu)架，利用電容充放電的方式產(chǎn)生指數(shù)衰減型高壓脈沖［3-4］，其不僅可用于電力系統(tǒng)中沖擊電壓試驗研究設(shè)備，而且可作為高壓脈沖功率源，用于脈沖功率技術(shù)、高能物理及電工學(xué)等領(lǐng)域［5］.目前采用Marx結(jié)構(gòu)脈沖發(fā)生器的開關(guān)元件主要選用高壓火花隙與絕緣柵型雙極性晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)［6］，采用這些元件能獲得很高脈沖電壓，但脈沖前沿時間比較慢.本研究采用開關(guān)時間小于10 ns的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)作為開關(guān)元件，為獲得更高的輸出脈沖電壓，將4只功率MOSFET串聯(lián)作為單元開關(guān)使用，研制一種納秒級前沿的負(fù)高壓脈沖發(fā)生器.

圖1 Marx發(fā)生器基本回路Fig.1 Basic circuit of Marx generator

1 電路原理及結(jié)構(gòu)分析

1.1 經(jīng)典Marx發(fā)生器

Marx發(fā)生器是一種利用電容充放電的高壓裝置，其能模仿雷電及操作過電壓等過程，因此，常用于絕緣沖擊耐壓及介質(zhì)沖擊擊穿與放電等試驗.經(jīng)典Marx發(fā)生器通常指電阻隔離型Marx電路，又稱為沖擊電壓發(fā)生器.其基本工作原理是儲能電容先并聯(lián)充電，后通過開關(guān)技術(shù)改變電路結(jié)構(gòu)使電容串聯(lián)同時放電，從而使電壓倍增來獲得較高的脈沖電壓.其基本電路結(jié)構(gòu)如圖1.

1.2 調(diào)制開關(guān)的器件選擇

脈沖功率技術(shù)的核心器件是調(diào)制開關(guān)，開關(guān)元件的參數(shù)和特性對脈沖的上升時間與幅值等會產(chǎn)生直接影響.傳統(tǒng)大功率調(diào)制器一般采用真空電子管作為脈沖開關(guān)，在效率、壽命和重頻等方面受到限制.半導(dǎo)體器件具有效率高、體積小及壽命長的優(yōu)點，彌補了這些不足.隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，尤其是MOSFET和IGBT大功率固態(tài)器件的逐步成熟，功率半導(dǎo)體開始被廣泛用于高功率脈沖電源［7］.功率MOSFET以其抗干擾能力強(qiáng)、易驅(qū)動，尤其是開關(guān)頻率高、穩(wěn)定性好，被廣泛用于超快脈沖的研究中.本設(shè)計要求納秒級前沿，選用功率MOSFET也正基于此.

由于一般功率MOSFET的擊穿電壓小于1 kV，因此，單個功率MOSFET調(diào)制器的承載電壓幅度不會超過1 kV，這就限制了充電電容的電壓.將功率MOSFET按一定方式串聯(lián)，可使電容得到更高的電壓，故級聯(lián)后的調(diào)制器就可獲得較高的電壓脈沖.

1.3 驅(qū)動電路

提高脈沖的前沿時間，關(guān)鍵在于快速開啟和關(guān)斷調(diào)制開關(guān).而開關(guān)的頻率快慢取決于功率MOSFET的導(dǎo)通和截止時間.在分析功率MOSFET輸入和輸出特性的基礎(chǔ)上，為使電路快速觸發(fā)導(dǎo)通，必須有能提供足夠大輸出電流的驅(qū)動電路.驅(qū)動電路采用推挽式驅(qū)動方式，由一對NPN和PNP型MOSFET組成，根據(jù)互補管的容量，可提供0.5～2.0 A的源(拉)電流及灌電流［8］，其電路如圖2.大電流驅(qū)動可以提高開關(guān)速度，增加驅(qū)動功率［8］.此外，功率MOSFET管采用射極跟隨的工作方式避免飽和，導(dǎo)通時較大的驅(qū)動電流輸出，關(guān)斷時為柵極電容提供低電阻的放電回路.

圖2 推挽式驅(qū)動電路Fig.2 Driver circuit

1.4 二級脈沖電路

圖3 2級電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of 2-stage circuit

第1級功率MOSFET串聯(lián)脈沖電路如圖3左半部分.其中，電阻起均壓作用，穩(wěn)壓二極管起保護(hù)作用，電感起穩(wěn)定輸入電壓與電路電流的作用，電容起同時導(dǎo)通功率MOSFET的作用.TR1是觸發(fā)信號，其電路原理為:未觸發(fā)時，4個串聯(lián)的功率MOSFET因并聯(lián)的電阻相等而使其漏-源間電壓相等，電容端電壓也自下而上依次升高;觸發(fā)信號先使M1導(dǎo)通，D1端電壓拉低，D12反向擊穿(穩(wěn)壓值高于MOS管的導(dǎo)通電壓)，與之并聯(lián)的M2柵-源電壓瞬間升高并導(dǎo)通，這樣依次導(dǎo)通M3和M4，D4電壓瞬間接近于0.由于電容兩端的電壓不能突變，C8的另一端O1即產(chǎn)生一個負(fù)高壓脈沖.

圖3右半部分是設(shè)計的第2級串聯(lián)脈沖電路，其中Ro是外接電阻，HV是外加直流電源，TR即是上一級C4的輸出負(fù)脈沖，其余和第1級類似的電阻、電容、電感和穩(wěn)壓二極管起同樣作用.電路原理為:TR信號是直流信號時，電容都充電，容量與所并聯(lián)的電阻成正比;當(dāng)它變?yōu)樨?fù)脈沖時，D21將被反向擊穿，M5導(dǎo)通，D5的電位被拉低(接近S5電位)，D22也因承載反向電壓而反向擊穿，同樣M6導(dǎo)通，依次M7和M8接連導(dǎo)通，C9的另一端O2就會出現(xiàn)一個負(fù)高壓脈沖.

2 電路仿真

OrCAD是世界上使用最廣的電子系統(tǒng)設(shè)計自動化(electronic design automation，EDA)軟件，相對于其他EDA軟件而言，含有很多強(qiáng)大的功能模塊.OrCAD Capture在一個簡單直觀的原理圖編輯界面中提供層次式電路和平坦式電路兩種原理圖繪制方式，可以快速直觀地完成原理圖設(shè)計與繪制.元件信息系統(tǒng)(component information system，CIS)與Capture原理圖輸入技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)υM(jìn)行有效管理，減少設(shè)計師查找元件內(nèi)容和維護(hù)元件數(shù)據(jù)的時間.CIS還可以讓外部源數(shù)據(jù)與原理圖設(shè)計數(shù)據(jù)同步，自動生成BOM報表.OrCAD Capture與OrCAD PCB Editor的高度集成，可以實現(xiàn)原理圖與電路板之間的同步交互式布局，使兩者保持一致.在發(fā)生任何的引腳互換以及元件名稱或值發(fā)生改變時，PCB都可以反標(biāo)回注到原理圖中.

為驗證Marx固態(tài)脈沖調(diào)制器電路原理的正確性，通過軟件OrCAD PSpice Release 10.5對電路進(jìn)行仿真調(diào)試與驗證.當(dāng)所加直流電壓為1.5 kV，驅(qū)動電路所加單次脈沖寬度為100 ns，幅度為10 V時，電路輸出的脈沖圖像如圖4，顯示幅度為-3 kV.

圖4 2級Marx發(fā)生器仿真輸出波形圖Fig.4 Simulation waveform output of 2-stage Marx generator

3 電路測試

實際測試條件為脈沖幅度10 V，脈寬100 ns，所加直流電壓1 500 V，驅(qū)動電路電源10 V.采用安捷倫公司DSO6104型四通道示波器，以及Tektronix公司P6015A衰減探頭(衰減比為1 000∶1)進(jìn)行測試.圖5為輸出脈沖波形.可見，其幅度約為-3 kV，脈寬約為130 ns.脈沖下降沿時間約為7 ns，測量結(jié)果如圖6.

圖5 實際測試的脈沖幅度圖Fig.5 Measurement result of pulse amplitude

圖6 測試脈沖的下降沿圖Fig.6 Measurement result of pulse falling time

結(jié) 語

本研究運用Marx基本原理，設(shè)計并實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的2級基于功率MOSFET的固態(tài)脈沖調(diào)制器.當(dāng)加入脈寬為100 ns的觸發(fā)脈沖時，可產(chǎn)生的脈沖幅值最高達(dá)-3 kV，脈沖寬度100 ns左右，且可以得到幅度小于3 kV的負(fù)高壓脈沖，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達(dá)到設(shè)計要求.可以進(jìn)一步增加級數(shù)來獲得更高的脈沖幅度，但要增加功率MOSFET保護(hù)電路.采用功率MOSFET作為脈沖發(fā)生器調(diào)制開關(guān)，完全可滿足脈沖要求前沿比較快的中小功率應(yīng)用場合.

/References:

［1］Hu Xiaotu.Experimental Research of AC/DC Streamer Plasmas in Flue Gas Desulfurization［D］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2007.(in Chinese)胡小吐.AC/DC流光放電等離子體煙氣脫硫?qū)嶒炑芯浚跠］.北京:北京交通大學(xué)，2007.

［2］Yan Keping.A high-voltage pulse generator for corona plasma generation［J］.IEEE Transactions on Industry Application，2002，38(3):866-872.

［3］Gregory K，Stevenson P，Burke R.Four-stage Marx generator using thyristors［J］.Review of Scientific Instruments，1998，69(11):3996-3997.

［4］Wang Ying.High Power Pulse Power［M］.Beijing:Atomic Energy Press，1991.(in Chinese)王 瑩.高功率脈沖電源 ［M］.北京:原子能出版社，1991.

［5］Zeng Zhengzhong.An Introduction to Practical Pulse Power Technology［M］.Xi'an:Shaanxi Science Publishing House，2003.(in Chinese)曾正中.實用脈沖功率技術(shù)引論 ［M］.西安:陜西科學(xué)出版杜，2003.

［6］Zhang Bingren，Wang Yujie，F(xiàn)an Zhaoxin.Design of Marx generator based on IGBT ［J］.High Voltage Engineering，2008，34(6):1184-1188.(in Chinese)張秉仁，王玉杰，樊兆欣.一種基于IGBT的Marx發(fā)生器的研制［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(6):1184-1188.

［7］Kim J，Ryu M，Min B，et a1.High voltage pulse power supply using Marx generator＆ solid-state switches［C］∥The 3lst IEEE Industrial Electronics Society Conference.Carolina(USA):IEEE Press，2005:1244-1247.

［8］Cheng Chuanyu.Design and Manufacture of Electronic Energy-saving Lamps and Electronic Ballasts［M］.Beijing:People's Posts and Telecommunications Publishing House，2009:164.陳傳虞.電子節(jié)能燈與電子鎮(zhèn)流器設(shè)計與制造［M］.北京:人民郵電出版社，2009:164.