脉冲变压器驱动SiC MOSFET型Marx同步特性

为实现全固态Marx发生器中多个SiC MOSFET开关的同步驱动，设计了一种基于脉冲变压器的驱动控制电路。多路驱动信号的同步性会影响到Marx发生器的输出波形参数，因此要求驱动信号具有快脉冲前沿、低抖动特点。根据SiC MOSFET驱动原理及要求，分析了SiC MOSFET驱动电路脉冲前沿的影响因素，分析计算其相关参数，进行仿真模拟验证。设计了共初级穿芯10级串联的脉冲变压器，初次级的匝数分别为1匝和9匝，次级经正负脉冲信号调理电路后驱动10级Marx电路。实测结果表明利用脉冲变压器原边漏感与谐振电容构成的谐振电路在断续模式下，驱动功率越大，脉冲前沿越快且同步性越好。该同步驱动电路的脉冲前沿为112 ns，脉宽1～10μs可调，频率10～25 kHz可调，满足固态Marx发生器参数调整需求。     

基于磁隔离驱动的亚微秒高压脉冲电源

为满足不可逆电穿孔对高压纳秒脉冲电源的需求,并且突破电源模块耐压的限制,提出了一款以正极性Marx为主电路、具有ns级前沿的高重复频率的亚微秒高压脉冲电源。该脉冲电源使用光纤传输信号,经过驱动芯片放大信号后,利用磁芯变压器传递驱动信号给MOSFET。磁芯变压器给电路提供了磁隔离,使驱动电路不会受高压输出的影响,提高了电路的耐压水平。驱动电路设计简单,所需元器件较少,可提供负压偏置,使开关管可靠关断,提高电路的抗电磁干扰能力,保障电路稳定运行。此电源由16级电路构成,实验表明：在10 kΩ纯阻性负载上,当输入电压为630 V时,即可得到10 kV的高压输出。其最小脉宽为300 ns,频率1 Hz～10 kHz可调。该脉冲电源结构紧凑,能够做到输出电压、脉宽、频率可调。研究了磁芯材料和匝数对驱动脉宽的影响。结果表明：匝比的增加会影响信号脉宽,在一定的条件下,单匝电感量的差异和磁芯材料的不同对信号脉宽的影响较小。     

基于半导体开关和磁开关的全固态脉冲电源

利用磁开关来改善全固态Marx发生器的脉冲上升沿,并构建出一套脉冲电源。该套脉冲源包括基于IGBT半桥模块的Marx发生器和由磁开关与锐化电容构成的脉冲陡化电路。该电源用原边一匝的脉冲变压器为IGBT提供驱动信号,并且原副边绕组均采用同轴线以屏蔽电磁干扰;在门极采用无源过流保护的方法,以防止负载短路对IGBT放电开关造成损坏。实验结果表明:在电压10 kV,电流170 A的情况下,脉冲前沿由1.5μs压缩到了200 ns,同时IGBT的开通损耗由原来的10 mJ降到不足1 mJ。     

基于半导体开关和磁开关的全固态脉冲电源

利用磁开关来改善全固态Marx发生器的脉冲上升沿,并构建出一套脉冲电源。该套脉冲源包括基于IGBT半桥模块的Marx发生器和由磁开关与锐化电容构成的脉冲陡化电路。该电源用原边一匝的脉冲变压器为IGBT提供驱动信号,并且原副边绕组均采用同轴线以屏蔽电磁干扰;在门极采用无源过流保护的方法,以防止负载短路对IGBT放电开关造成损坏。实验结果表明:在电压10 kV,电流170 A的情况下,脉冲前沿由1.5 μs压缩到了200 ns,同时IGBT的开通损耗由原来的10 mJ降到不足1 mJ。     

自触发驱动的全固态Marx发生器

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。     

一种调节Marx电源脉冲边沿的驱动电路北大核心CSCD

为了调节固态Marx发生器输出脉冲的边沿,提出了一种新型的的驱动电路,该方案通过调整充放电管的驱动电压,结合驱动电路的硬件结构,调节米勒平台时间,进而调整充放电管开通速度,实现了对于高压输出脉冲的边沿调节,其结构简单,不需要每级独立的控制信号。对于该电路中驱动电压和开关管开通速度的关系建立了模型进行了推导。结合理论分析结果设计了驱动电路的参数,仿真结果表明该驱动电路能够调节输出脉冲边沿。搭建带有设计参数下驱动电路的固态Marx发生器在容性负载下和阻性负载下进行了实验验证。利用该方案实现了对于6级Marx电路的3.6 kV输出脉冲在55~7.7μs的边沿调节,验证了该方案的可行性,并对比分析了不同阻性负载对于脉冲边沿造成的影响。实验结果表明:该电路在提高固态脉冲电源的边沿调节性能方面有独特的优势。     

基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路

设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。     

150 kV全固态高压脉冲发生器设计

设计了一种基于全固态MOSFET半导体开关器件的Marx脉冲发生器。充电回路用快恢复二极管代替充电电阻,减小了充电部分功率损耗;将主电路和驱动电路集成在一起,采用自取电模式给驱动电路供电;由光纤传输驱动信号,抑制了放电回路对触发信号的干扰;采用顺/逆时针方向环形分布的紧凑型拓扑结构,不仅减小了回路电感,而且实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的Marx发生器充电部分仅需提供900 V低压,用180级单元串联,获得最高幅值为150 kV、脉宽1~5 s可调的高压快脉冲,前沿控制在500 ns以内。利用该脉冲发生器在50 k电阻和5 pF电容并联的等效负载上进行了一系列实验;比较分析了脉冲发生器工作过程中影响脉冲上升沿的几个主要因素,包括回路电感、MOSFET驱动电压及主回路分布电容等,并讨论了提升脉冲前沿的技术措施。     

150 kV全固态高压脉冲发生器设计

设计了一种基于全固态MOSFET半导体开关器件的Marx脉冲发生器。充电回路用快恢复二极管代替充电电阻,减小了充电部分功率损耗;将主电路和驱动电路集成在一起,采用自取电模式给驱动电路供电;由光纤传输驱动信号,抑制了放电回路对触发信号的干扰;采用顺/逆时针方向环形分布的紧凑型拓扑结构,不仅减小了回路电感,而且实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的Marx发生器充电部分仅需提供900 V低压,用180级单元串联,获得最高幅值为150 kV、脉宽1~5 s可调的高压快脉冲,前沿控制在500 ns以内。利用该脉冲发生器在50 k电阻和5 pF电容并联的等效负载上进行了一系列实验;比较分析了脉冲发生器工作过程中影响脉冲上升沿的几个主要因素,包括回路电感、MOSFET驱动电压及主回路分布电容等,并讨论了提升脉冲前沿的技术措施。     

固态Marx发生器的过流保护研究

具有快速上升沿、低开关损耗的SiC MOSFET已逐渐在固态高压脉冲电源中使用。针对固态Marx发生器中的常见短路故障,分析了SiC MOSFET的过流损坏机制,提出了一种新型的带过流保护的驱动系统。该驱动系统不仅实现了宽驱动信号同步输出,同时能够在整个SiC MOSFET导通期间提供过电流钳制效果。驱动系统中的保护电路利用SiC MOSFET门极电压与漏极电流的关系,通过单个采样电阻和一对反向串联的稳压管将SiC MOSFET门极电压拉低的方式来限制过电流。实验结果表明：当开关管的导通电流较小时,虽然门极电压会有轻微下降,但是SiC MOSFET的导通阻抗仍然很低;而在过电流故障发生时,门极电压会被快速拉低,开关管的导通阻抗急剧上升,从而迅速将导通电流钳制在安全范围内。     

基于半桥结构的双极性脉冲电源的研究

为了满足脉冲电场消融的应用需求,解决单极性脉冲电场分布不均匀的问题,研制了一台基于半桥结构的主电路、具有纳秒级前沿的高重复频率双极性亚微秒高压脉冲电源。该脉冲电源由FPGA提供控制信号,经过驱动芯片放大控制信号后,利用光耦隔离驱动多个SiC MOSFET。驱动电路所需元器件较少,信号控制时序简单,可提供负压偏置,使开关管可靠关断,提高了电路的抗电磁干扰能力,使电源能稳定运行。通过电阻负载实验,对比分析了不同栅极电阻对驱动电压的影响,驱动电压上升沿时间越短对应的双极性高压脉冲前沿越快。实验结果表明：所设计的高频双极性脉冲电源在100Ω纯阻性负载上能够稳定产生重复频率双极性纳秒脉冲,输出电压0～±4 kV可调,脉宽0.2～1.0μs可调,正负脉冲相间延时0～1 ms可调,上升沿和下降沿60～150 ns之间。该双极性脉冲电源电路设计结构紧凑,能满足应用的参数需求。     

正负双极性重复频率充电电源研制

针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求,开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究,并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计,完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制,实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV,平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出;采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计,既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险;通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。     

150kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源

建立了重复频率、可调脉宽线板放电型电晕等离子体驱动源实验平台,该平台由谐振充电、脉冲升压变压器和磁开关宽脉冲调制等部分构成,试验平台输出脉冲电压峰值150 kV、最高重复频率1 kHz、输出脉冲前沿0.53μs、脉冲宽度5~25μs可调节。阐述了该平台脉冲调制原理,通过实验结果分析了脉冲变压器分布电容对系统能量传输的影响,指出提高脉冲氢闸流管开关能力、改善脉冲变压器绝缘结构设计、降低匝间分布电容可以进一步提高输出电压和重复频率。     

基于金属氧化物半导体场效应管的Marx发生器

给出了一种基于半导体开关的脉冲功率源的设计原理和方法。与标准的Marx发生器相比,用金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)替代气体火花隙开关,用二极管替代电阻,由于可重复频率运行,所以能够有效地减少电路损耗。由于电路器件特性差异不同,在实验中采取对每一级的开关驱动信号进行单独调节,以补偿器件差异对同步性带来的影响。另外,实验对开关进行光纤隔离,而对强弱电的隔离采用DC-DC转换器,这不仅有利于保护实验设备,而且对Marx多级电路的同步性也有很大的贡献。设计的Marx发生器级数为16级,并给出了单次脉冲和重复频率两种情况下的实验结果。     

基于金属氧化物半导体场效应管的Marx发生器

给出了一种基于半导体开关的脉冲功率源的设计原理和方法。与标准的Marx发生器相比,用金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）替代气体火花隙开关,用二极管替代电阻,由于可重复频率运行,所以能够有效地减少电路损耗。由于电路器件特性差异不同,在实验中采取对每一级的开关驱动信号进行单独调节,以补偿器件差异对同步性带来的影响。另外,实验对开关进行光纤隔离,而对强弱电的隔离采用DC-DC转换器,这不仅有利于保护实验设备,而且对Marx多级电路的同步性也有很大的贡献。设计的Marx发生器级数为16级,并给出了单次脉冲和重复频率两种情况下的实验结果。     

基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源初步研究

设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源,其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器,用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能,再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源,初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时,该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号,脉宽约194 ns,验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性,为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。     

150 kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源

建立了重复频率、可调脉宽线板放电型电晕等离子体驱动源实验平台,该平台由谐振充电、脉冲升压变压器和磁开关宽脉冲调制等部分构成,试验平台输出脉冲电压峰值150 kV、最高重复频率1 kHz、输出脉冲前沿0.53 μs、脉冲宽度5～25 μs可调节。阐述了该平台脉冲调制原理,通过实验结果分析了脉冲变压器分布电容对系统能量传输的影响,指出提高脉冲氢闸流管开关能力、改善脉冲变压器绝缘结构设计、降低匝间分布电容可以进一步提高输出电压和重复频率。     

600 kV波形可调快前沿脉冲源的研制

介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件自成一体,呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能,通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块,可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200~600 kV范围内可调,最小脉冲前沿可达2 ns。     

600 kV波形可调快前沿脉冲源的研制

 介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件自成一体,呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能,通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块,可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200~600 kV范围内可调,最小脉冲前沿可达2 ns。     

混合模式直线型变压器驱动源模块

在对Marx发生器和直线型变压器驱动源(LTD)电路拓扑结构及等效参数进行分析对比的基础上,结合两种电路拓扑结构的技术特点,提出了基于Marx基本回路的混合模式LTD模块构想。在混合模式LTD模块中,每个基本回路是一个多级的Marx发生器回路,回路中只有前一级或几级开关需要外部触发,而后级开关工作在自击穿模式。计算分析表明:混合模式LTD模块设计可以有效降低LTD系统对多路同步触发的要求;独立回路式结构可提高整个混合模式LTD模块的可维护性;回路间耦合触发的方式可提高整个混合模式LTD的工作可靠性。最后,还探讨了回路内阻、磁芯损耗及Marx发生器回路中后级自击穿开关抖动对混合模式LTD模块参数设计的影响。