基于MARX原理的脉冲功率源技术

1、目录目录1. 固态开关应用于脉冲功率的几个关键技术问题固态开关应用于脉冲功率的几个关键技术问题 2. 固态开关脉冲电压叠加技术固态开关脉冲电压叠加技术3. 固态开关脉冲压缩和陡化技术固态开关脉冲压缩和陡化技术4. 大电流固态开关在脉冲功率应用发展趋势大电流固态开关在脉冲功率应用发展趋势1. 固态开关应用于脉冲功率固态开关应用于脉冲功率几个关键技术问题几个关键技术问题固态开关应用于脉冲功率的优势固态开关应用于脉冲功率的优势可靠性高，稳定1使用寿命长2附加设备少，基本免维护3较高的重复频率4新型半导体脉冲功率器件的特性比较新型半导体脉冲功率器件的特性比较现有的半导体开关参数现有的半导体开关参数器件

2、类型器件类型电压电压电流电流额定频率额定频率额定功率额定功率上升沿上升沿脉宽脉宽SCR6 kV3.5 kA300 Hz100s MW500 A/s10 msGTO4.5 kV3 kA500 Hz10s MW1 kA/s1 msIGCT6 kV6 kA1 kHz100s MW2 kA/s1 msBJT1.2 kV800 A10 kHz1 MW1 kA/s1 sMOSFET1.2 kV50 A1 MHz100 kW2 kA/s200 nsIGBT3.3 kV400 A20 kHz100s kW1 kA/s600 nsSIT1.2 kV300 A100 kHz10s kW1 kA/s500 nsSI

3、TH1.5 kV300 A10 kHz10s kW500 A/s1 sMCT3 kV2 kA20-100 kHz10s kW1 kA/s500 nsThyristorGTO固态半导体器件作为脉冲功率系统主开关存在的问题上升沿慢上升沿慢通流能力有限通流能力有限单个器件耐压低单个器件耐压低脉冲电压叠加脉冲电压叠加技术技术固态开关几个关键技术问题固态开关几个关键技术问题脉冲压缩与陡化脉冲压缩与陡化技术技术脉冲大电流技术脉冲大电流技术脉冲电压叠加技术脉冲电压叠加技术开关串联全固态Marx感应电压叠加脉冲变压器脉冲放电半导体开关两个重要参数半导体开关在脉冲功率应用的两种方式半导体开关在脉冲功率应用的两种

4、方式二、固态开关脉冲电压叠加技术二、固态开关脉冲电压叠加技术2-1、固态开关代替气体开关的、固态开关代替气体开关的产生脉冲电压产生脉冲电压固态开关：BJT、MOSFET、 IGBT 、SCR 、GTO、 IGCT2-1、固态开关直接串联、固态开关直接串联开关直接串联存在的问题开关直接串联存在的问题承受关断时的直流高压高压击穿危险，开关之间需加均压保护同时触发导通，同时关断 2-1、通过二极管钳位的固态开关串联、通过二极管钳位的固态开关串联脉冲电压叠加脉冲电压叠加课后思考题：该电路如何工作？嵌位二极管如何设计？传统气体开关的MARX发生器基于基于MARX 原理的升压电路原理的升压电路充电时间常数

5、： Tc = R1+ n *R* n * C放电时要求：C* R = (1020) C/n * RL 气体开关气体开关MARX 发生器发生器并联充电串联放电气体开关气体开关Marx发生器发生器V0RLC1C2C3C4气体开关气体开关Marx发生器原理发生器原理V0RLC1C2C3C4固态开关固态开关Marx发生器发生器V0RLC1C2C3C4采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器FWHM 200 nsTrise 40 nsTfall 80 ns采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器V0RLC1C2C3C4+-+-+-+-采用采用MOSFE

6、T的的Marx发生器发生器V0RLC1C2C3C4+-+-+-+-采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器V0RLC1C2C3C4+-+-+-+-采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx发生器发生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx发生器发

7、生器MOSFET Gate Voltage固态开关MARX发生器相关技术 驱动负载类型 输出电压极性 充电隔离 波形调节 开关驱动 短路保护 输出波形特性固态开关固态开关Marx发生器负载能力发生器负载能力电阻 - C对R 放电电容 - C1对C2充电电感 - C 对 L 谐振 或 C驱动变压器等离子体放电间隙（电弧放电）- 短路保护介质阻挡间隙负载 - 充电+放电截止负载单极性全固态单极性全固态Marx电路电路: 电感隔离电感隔离采用分布式限流电感进行充电、放电隔离采用集中式限流电感进行充电、放电隔离负脉冲电路正脉冲电路负脉冲电路分布式电感隔离分布式电感隔离Marx 发生器发生器集中式电感隔

8、离型集中式电感隔离型Marx 发生器发生器半导体开关隔离固态半导体开关隔离固态Marx发生器发生器 采用半导体开关进行充电、放电隔离正脉冲电路负脉冲电路变压器隔离充电变压器隔离充电Marx 发生器发生器双极性全固态双极性全固态H-半桥半桥和和H-全桥逆变式电压叠加器全桥逆变式电压叠加器双极性全固态双极性全固态H-半桥和半桥和H-全桥电路全桥电路半桥级联电路全桥级联电路多电平级联式逆变器多电平级联式逆变器双极性全固态双极性全固态Marx电路：半导体开关隔离电路：半导体开关隔离 半桥电路b)全桥电路隔离充电型全固态脉冲叠加器：单向脉冲隔离充电型全固态脉冲叠加器：单向脉冲 正向脉冲产生电路 负向脉冲

9、产生电路隔离充电型全固态脉冲叠加器：双向脉冲隔离充电型全固态脉冲叠加器：双向脉冲 半桥脉冲叠加器b)全桥脉冲叠加器-2500-2000-1500-1000-50005001000150020002500 50 100 150 Output Voltage (V)Time (50 ns/div) 隔离充电全固态双向脉冲叠加器隔离充电全固态双向脉冲叠加器全固态全固态Marx发生器驱动及短路保护发生器驱动及短路保护固态固态Marx 发生器波形调节发生器波形调节 电压过冲和上升沿校正电压过冲和上升沿校正基于基于IGBT的单极性全固态的单极性全固态Marx发生器发生器048121620 Load vol

10、tage (kV)Time (500ns/div)输出电压上升、顶降及下降沿的影响因素输出电压上升、顶降及下降沿的影响因素 顶降 开关速度+ 回路电感 驱动信号的同步性 回路杂散电感和分布电容 U = i t/C输出脉冲电压顶降与电容关系输出脉冲电压顶降与电容关系固态开关MARX发生器分布电容及波形截尾技术 分布电容既影响上升沿； 也影响下降沿！固态MARX发生器驱动介质阻挡放电固态开关MARX发生器波形截尾技术 Logo脉宽、幅值可调方波高压脉冲脉宽、幅值可调方波高压脉冲Logo双极性半桥固态双极性半桥固态Marx发生器电路分析发生器电路分析Logo双极性半桥固态双极性半桥固态MARX电路电

11、路Logo2: Negative switches1: Positive switches正负脉冲极性工作模式正负脉冲极性工作模式Logo充电开关及放电开关工作模式充电开关及放电开关工作模式Logo双极纳秒脉冲源双极纳秒脉冲源Lan Gao，etc. “All solid-state pulsed adder with bipolar high voltage fast narrow pulsed output” IEEE Trans.on Dielectrics and Electrical Insulation，June 2011, Vol. 18, No.3. pp775-782Logo

12、负载参数对输出波形的影响负载参数对输出波形的影响Logo获得窄脉冲获得窄脉冲移相控制技术移相控制技术Logo获得窄脉冲的移相控制技术获得窄脉冲的移相控制技术LogoLogo获得较窄脉冲方波获得较窄脉冲方波固态固态Marx发生器和磁开关结合的发生器和磁开关结合的脉冲压缩与陡化技术脉冲压缩与陡化技术磁脉冲压缩的基本原理磁脉冲压缩的基本原理电压时间0多级磁脉冲压缩电路磁脉冲压缩电路中各级电容和负载上的电压波形一级磁脉冲压缩的数值计算一级磁脉冲压缩的数值计算rs2rru()/(/)r0r0 02( )( )1 (1) t tLRRtttt Lv tv tVettV 假设：假设：输入电压上升时间1 s不

13、饱和电感1000 H饱和电感1 H负载电阻100 基于磁开关和全固态基于磁开关和全固态Marx的的脉冲压缩与陡化电路：一级磁脉冲压缩脉冲压缩与陡化电路：一级磁脉冲压缩优点：优点：1、开关损耗减少，软开关工作状态；2、减少开关过流损坏；3、脉宽压缩缺点：缺点：1、增加了饱和电感二级磁脉冲压缩二级磁脉冲压缩实验结果实验结果048121620 CP=0.5 nFCP=0.67 nFCP=1 nF CP=2 nF048121620 048121620 048121620 Load voltage (kV)Time (500 ns/div)不同的锐化电容对负载电压波形的影响(1)(2)(3)(4)重频实验结果重频实验结果051015202530R=2 kTime (500 ns/div)Votage on the resistor R (kV) 051015202530R=70 R=140 R=285 051015202530 051015202530 负载电阻对负载电压的影