20 kV固態(tài)Marx脈沖調(diào)制器研制

馮宗明,馮元偉，李洪濤，丁明軍

(中國工程物理研究院流體物理研究所,綿陽621900)

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20kV固態(tài)Marx脈沖調(diào)制器研制

馮宗明,馮元偉，李洪濤，丁明軍

(中國工程物理研究院流體物理研究所,綿陽621900)

摘要：闡述了20 kV固態(tài)Marx脈沖調(diào)制器的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)特點及驅(qū)動控制方法。該系統(tǒng)由8級模塊串聯(lián)而成，每級模塊的儲能電容、高壓充電和固態(tài)開關(guān)驅(qū)動供電均采用高壓硅堆隔離，Marx模塊采用兩只獨立控制的高壓絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)對模塊的儲能電容實現(xiàn)充電和放電。IGBT驅(qū)動電路采用高壓硅堆隔離供電、光纖傳輸觸發(fā)脈沖和高性能IGBT驅(qū)動模塊TD350設(shè)計構(gòu)成。驅(qū)動電路具備完善的欠壓、過流和過壓保護功能。Marx模塊采用插拔式結(jié)構(gòu)，維護快捷簡便。脈沖源在無強化散熱措施條件下，輸出方形高壓脈沖幅度大于20 kV，脈沖寬度為10 μs，脈沖前后沿均為300 ns，重復(fù)頻率可達1 kHz。

關(guān)鍵詞：脈沖調(diào)制；固態(tài)Marx；高壓硅堆；同步觸發(fā)；脈沖截尾

重復(fù)頻率方波高壓、高功率脈沖調(diào)制技術(shù)是脈沖功率最具活力和應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域之一[1]。高性能指標的重復(fù)頻率方波高壓脈沖對X射線自由電子激光(X-rayfreeelectronlaser,XFEL)射頻加速器速調(diào)管驅(qū)動、脈沖電場滅菌、電光開關(guān)調(diào)制等研究領(lǐng)域具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的線性調(diào)制器采用氣體開關(guān)、脈沖形成線和脈沖變壓器升壓變換技術(shù)，形成方波高壓脈沖。該技術(shù)很難在可靠性、脈沖寬度、使用壽命以及廉價性等方面滿足現(xiàn)代射頻加速器和工業(yè)級脈沖電場滅菌裝置發(fā)展的要求。功率半導(dǎo)體技術(shù)的進步為固態(tài)脈沖調(diào)制技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，雖然，目前商品化單只絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)開關(guān)的最高額定電壓僅為6.5kV、最高通態(tài)電流僅為1.2kA，但是，采用合理設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)，將數(shù)以百千(或萬)計的固態(tài)開關(guān)實現(xiàn)按時序同步驅(qū)動，則完全可以輸出數(shù)百千伏、高功率、高性能指標的方波高壓脈沖[2-3]。除簡單的串、并聯(lián)形式外，高功率重復(fù)頻率固態(tài)方波脈沖調(diào)制技術(shù)，還有較先進的感應(yīng)電壓疊加(inductivevoltageadder，IVA)型和Marx型固態(tài)調(diào)制技術(shù)，這兩類脈沖調(diào)制技術(shù)各有特點[4]。重復(fù)頻率固態(tài)Marx方波脈沖調(diào)制技術(shù)具備傳統(tǒng)氣體開關(guān)Marx發(fā)生器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的固有特點。采用固態(tài)開關(guān)實現(xiàn)傳統(tǒng)Marx電壓倍增的難點在于各Marx單元脈沖高電壓懸浮隔離觸發(fā)技術(shù)及固態(tài)開關(guān)的隔離驅(qū)動供電技術(shù)無法突破[2]。目前，重復(fù)頻率固態(tài)Marx單元的隔離多采用電感或電阻，Marx模塊的觸發(fā)供電多采用感應(yīng)耦合技術(shù)和光纖傳輸觸發(fā)脈沖，當輸出脈沖幅度為百千伏時，多級感應(yīng)耦合隔離供電系統(tǒng)將非常龐大。作為一種緊湊型固態(tài)Marx原理性探索實驗裝置，本文闡述了基于高壓硅堆實現(xiàn)Marx模塊隔離和驅(qū)動供電隔離的固態(tài)Marx方波脈沖調(diào)制器，分析其拓撲原理、設(shè)計方法和研制結(jié)果。該調(diào)制器在2kΩ負載上輸出方波脈沖幅度為20kV、脈沖寬度為10μs、前后沿為300ns，脈沖頂降4%。在無強化散熱措施條件下，爆發(fā)式輸出脈沖頻率可達1kHz。

1拓撲原理

基于高壓硅堆隔離的20kV固態(tài)Marx脈沖調(diào)制器拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該Marx模塊電容充電、模塊間放電隔離以及開關(guān)驅(qū)動供電隔離均為高壓硅堆，其特點是無磁芯，克服了磁芯飽和限制輸出脈沖寬度等問題，同時，可以減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。

圖1中，左列Z1-Z15為放電IGBT，右列Z2-Z16為充電IGBT，C1-C8為Marx模塊電容，D1-D8為充電及脈沖隔離高壓硅堆，D9-D16為開關(guān)驅(qū)動供電隔離高壓硅堆，DC/DC1-DC/DC9為開關(guān)驅(qū)動供電直流變換模塊，模塊將360V直流電源變換為15V的IGBT驅(qū)動供電電源，C9-C16為直流變換模塊沖擊保護電容。Marx并聯(lián)充電電壓為3kV高壓組件。Marx模塊由一對充放電IGBT和一只模塊儲能電容組成。在脈沖間隙期內(nèi)，右列IGBT觸發(fā)導(dǎo)通，各個模塊電容充電至直流高電壓。觸發(fā)脈沖到達時，先關(guān)斷模塊的充電IGBT，再同步觸發(fā)放電IGBT導(dǎo)通，所有模塊電容串聯(lián)對負載電阻放電，控制放電IGBT同步關(guān)斷時間，可以在負載電阻上得到要求寬度的方波高壓脈沖。在開關(guān)放電期間，左列高壓硅堆可防止模塊電容經(jīng)內(nèi)回路泄放電，并為模塊提供了高壓旁路，在單元放電開關(guān)延遲驅(qū)動(或不驅(qū)動)條件下，高壓硅堆對放電開關(guān)的旁路作用，可有效保護放電開關(guān)。

圖120 kV固態(tài)Marx調(diào)制器拓撲原理圖Fig.1Topology schematic diagram of 20 kV Marx modulator

采用IGBT開關(guān)可以比MOSFET提供更大的通態(tài)電流(提高輸出脈沖功率)，但是，IGBT受柵極存儲電荷的影響，關(guān)斷過程較慢，輸出脈沖后沿拖較長(達數(shù)微秒)。該拓撲結(jié)構(gòu)的另一個特點是可以對輸出脈沖后沿進行截尾、銳化。在放電開關(guān)未完全關(guān)斷之前，開啟充電開關(guān)，實現(xiàn)對輸出脈沖截尾。通過控制充電IGBT相對于放電IGBT關(guān)斷的延時時間，為單元Marx儲能電容提供泄放回路，銳化輸出脈沖后沿，使輸出脈沖前后沿基本一致，可同時達到數(shù)十至數(shù)百納秒量級。

在輸出脈沖間隙時間內(nèi)，充電IGBT處于觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)，輔助直流電源V1(圖中為360V)通過右列硅堆對低壓電容器充電至恒定值，該電壓經(jīng)DC/DC變換得到15V直流電源，作為Marx單元觸發(fā)控制供電電源。右列高壓硅堆在脈沖輸出期間為各個Marx模塊低壓供電電源提供隔離、保護。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1開關(guān)的選擇及Marx參數(shù)確定

系統(tǒng)輸出脈沖幅度為20kV，根據(jù)目前高壓IGBT額定電壓等級，將Marx的模塊數(shù)定為8級，每級模塊輸出電壓幅度為2.5kV。IGBT采用IXYS公司的IXEL40N400作為模塊充放電，最高漏極電壓為4kV，漏極電流為40A，開啟速度滿足要求。模塊電容容量與負載電流脈寬、輸出方波脈沖頂降要求有關(guān)。經(jīng)計算和仿真實驗確定，Marx模塊電容不小于750nF，實際模塊電容選用了1μF/4kV聚丙烯電容。由于Marx模塊電容每次脈沖輸出只工作在部分放電狀態(tài)，因此，極大地提高了Marx模塊電容器的使用壽命。

2.2時序控制

20kV固態(tài)Marx調(diào)制器驅(qū)動時序，如圖2所示。外觸發(fā)脈沖到來時，經(jīng)延時td1后，首先，關(guān)斷充電IGBT，閉合放電IGBT，輸出方波高壓脈沖；然后，在給定的脈沖寬度tw后，關(guān)斷放電IGBT，延時td2后，再閉合充電IGBT，為下次輸出脈沖創(chuàng)造條件。減小延時時間td2，可實現(xiàn)輸出脈沖尾部銳化。為確保Marx輸出脈沖高電壓期間各模塊單元的隔離，調(diào)制器采用光纖傳送充放電觸發(fā)脈沖。

在選定Marx模塊單元開關(guān)IGBT條件下，為得到盡可能小的脈沖前后沿，應(yīng)當使所有模塊充電IGBT和放電IGBT同時驅(qū)動。器件商提供的每只高壓IGBT開關(guān)性能是存在差異的，為確保所有模塊單元的IGBT同步驅(qū)動，設(shè)計了相應(yīng)的精密延時控制電路，確保各個模塊單元同步充放電。Marx各個模塊充放電觸發(fā)脈沖分別采用兩個1分8光纖分光器進行分配，實現(xiàn)各模塊充放電光觸發(fā)脈沖的同步控制。

圖2模塊觸發(fā)控制時序Fig.2Timing diagram of Marx cell control

圖3顯示了放電IGBT驅(qū)動延時原理，實驗測試IGBT的開關(guān)延時最大偏差約40ns，調(diào)制器放電驅(qū)動電路采用了8個步長5ns、延時總長100ns的精密延時電路，用于校正各個模塊IGBT的開關(guān)延時差異。充電IGBT驅(qū)動延時原理與放電相同。

圖3放電IGBT驅(qū)動延時原理Fig.3Timing driver for discharging IGBTs

2.3驅(qū)動保護電路、故障指示

20kV固態(tài)Marx調(diào)制器充、放電共有16只高壓IGBT，其驅(qū)動電路原理，如圖4所示。

圖4驅(qū)動原理框圖Fig.4Block diagram of IGBT control driver

從調(diào)制器拓撲原理圖1可知，每級模塊的放電IGBT和下一級模塊的充電IGBT共地，可采用一只低壓DC/DC變換器供電，為提高模塊可靠性，將本級的放電IGBT、模塊電容和下一級的放電IGBT及驅(qū)動電路做在一塊印制電路板上。

調(diào)制器的IGBT驅(qū)動電路采用了法意半導(dǎo)體公司的TD350電路[5-6]，該電路具備完善的推挽驅(qū)動、過流保護、去飽和箝位、過壓保護、低電平箝位以及故障顯示等功能，而且具備故障排除，顯示自動消除，箝位保護自恢復(fù)等功能。每個模塊充放電IGBT各由一片TD350驅(qū)動。當出現(xiàn)故障、柵極低電平箝位保護時，相應(yīng)的紅色LED故障指示燈同時亮起，該功能使得模塊及系統(tǒng)調(diào)試、運行維護極為方便。

2.4絕緣、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

Marx采用電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電技術(shù)實現(xiàn)脈沖高電壓。分析圖1可知，在放電期間，各模塊依靠高壓硅堆隔離，處于不同的脈沖高電位。固態(tài)Marx每個模塊的放電IGBT與下一級充電IGBT處于共地狀態(tài)，為方便隔離供電驅(qū)動，將模塊放電IGBT、模塊電容和下一級模塊充電IGBT集中設(shè)計在一塊可插拔式PCB板上作為一個模塊。如圖5所示，模塊與外部接線采用插槽結(jié)構(gòu)，8個模塊的PCB板插槽固定在兩根尼龍絕緣導(dǎo)軌上，各個模塊電容的充電硅堆、輔助電源充電硅堆、低壓電容以及模塊間的連接線均位于插座下方。該結(jié)構(gòu)極大地方便了固態(tài)Marx調(diào)制器調(diào)試、檢修、更換維護，降低了系統(tǒng)的故障維護時間。

圖520 kV固態(tài)Marx調(diào)制器插拔式模塊結(jié)構(gòu)Fig.5Push/pull structure of the 20 kV solid-state Marx modulator

3實驗

根據(jù)Marx拓撲原理可知，輸出脈沖的前沿與所選擇放電開關(guān)特性及各放電開關(guān)驅(qū)動的同步性相關(guān)，在所有放電開關(guān)特性完全一致及嚴格同步驅(qū)動的條件下(該狀態(tài)實際很難完全滿足)，輸出脈沖前沿最小也只能達到單只開關(guān)放電脈沖前沿。經(jīng)測試,在輸出電流10A、電壓2.5～3kV條件下，單只IBGT開關(guān)輸出方波脈沖前沿為190～230ns。整個調(diào)制器系統(tǒng)的脈沖前沿應(yīng)大于單只開關(guān)的脈沖前沿，這是由于各開關(guān)特性的分散性及延時差異所致。實驗校正后，8個模塊放(充)電開關(guān)的延時偏差在5ns以內(nèi)，模塊電容充電2.7kV，2kΩ負載上輸出脈沖幅度達到20kV，輸出脈沖前沿220～260ns，實測波形如圖6所示。

圖620 kV固態(tài)Marx調(diào)制器輸出脈沖Fig.6Output voltage pulse of 20 kV solid-state Marx modulator

通過逐漸減小充電脈沖，脈沖后沿隨充電時間的縮短而減小，可以清晰地看見輸出脈沖截尾過程，如圖7所示。在2kΩ負載下，測量輸出脈沖后沿為270～320ns，遠小于單只IGBT開關(guān)所得到的方波脈沖后沿(1～2μs)。 另外，充電時間不能過小，實驗發(fā)現(xiàn)，當td2小于250ns時，各級Marx模塊單元有可能出現(xiàn)放電開關(guān)或充電開關(guān)過流保護故障。因開關(guān)過流，驅(qū)動電路將柵極低電平鉗位保護，同時，故障指示燈閃爍，系統(tǒng)進入故障狀態(tài)(低級充電開關(guān)過流保護影響高級模塊開關(guān)驅(qū)動供電)。因此，放電脈沖尾部減小是受開關(guān)特性及模塊單元截尾放電回路阻抗特性限制的。

(a)td2=4.8 μs

(b)td2=2.5 μs

(c)td2=0.8 μs圖7脈沖后沿隨充電延時時間的變化關(guān)系Fig.7Pulse tail changes with charge delay time td2

低級充電IGBT對高級模塊充電和輔助供電具有控制功能。系統(tǒng)上電過程設(shè)計：先加載觸發(fā)電源，然后加載開關(guān)輔助供電電源，最后加載直流充電高壓和驅(qū)動觸發(fā)脈沖。在所有充放電開關(guān)驅(qū)動供電正常下，開啟重復(fù)頻率觸發(fā)脈沖。在2kΩ負載電阻上，測量得到1kHz輸出脈沖，如圖8所示，受3kV高壓充電模塊功率限制，該輸出脈沖幅度在20kV和10kV狀態(tài)下均逐漸減小，如圖8(a)、圖8(b)所示；當充電電壓減小至500V時，輸出脈沖幅度可穩(wěn)定在4kV，如圖8(c)所示。

(a)U=3 kV

(b)U=1.2 kV

(c)U=500 V圖81 kHz頻率下輸出脈沖幅度隨充電電壓的變化關(guān)系Fig.8Pulse amplitudes vs. voltages at 1 kHz

4小結(jié)

基于高壓硅堆隔離的固態(tài)Marx實現(xiàn)了無磁芯設(shè)計，脈沖寬度理論上不受磁芯伏秒數(shù)限制，在減小質(zhì)量的同時，提高能量轉(zhuǎn)換效率，在解決好開關(guān)散熱條件下(強制風冷或水冷)，可以在數(shù)十千赫高重復(fù)頻率下工作。

硅堆隔離充電的20kV固態(tài)Marx調(diào)制器具有輸出脈沖前后沿和脈沖寬度可控、開關(guān)模塊保護、故障檢測顯示、維護快捷方便等特點，其拓撲結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計原理可行，該技術(shù)可以為數(shù)百千伏XFEL驅(qū)動速調(diào)管調(diào)制器以及產(chǎn)業(yè)化高壓滅菌方波脈沖調(diào)制器研制所借鑒。

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收稿日期：2015-09-14；修回日期：2016-01-10

作者簡介：馮宗明(1964- )，男，四川綿陽人，高級工程師，碩士，主要從事重復(fù)頻率脈沖電源技術(shù)研究。 E-mail:fzm8521@126.com

中圖分類號：TN216

文獻標志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)020402(6)

Designofa20kVSolidStateMarxPulseModulator

FENGZong-ming,FENGYuan-wei,LIHong-tao,DINGMing-jun

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

A20kVsolid-stateMarxpulsemodulatorisdeveloped.Themodulatoriscomposedofeight-stageMarxmodulesinseries,eachofwhichadoptstwoindependentlycontrolledinsulatedgatebipolartransistors(ICBTs)forcharginganddischargingtoitsenergystoragecapacitor.Ittakeshighvoltagesiliconstackforcapacitorchargingisolationandswitch-drivenisolationforeachstageoftheMarxmodule.Withpush/pullPCBstructure,theMarxmodulesareeasytomaintenanceandreplacement.Experimentalresultsshowthatthe20kVsolid-stateMarxmodulatorcangenerateoutputpulsewithvoltagemorethan20kV,pulsewidthof10μs,raise/falltimeof300nsataloadof20kΩ.Withoutstrengthencool,thepulserepetitionrateisupto1kHzinburstmode.

Key words：pulse modulate;solid state Marx;HV-Diode;synchronize driver;pulse tailor