一种纳秒前沿的负高压脉冲产生电路

赵 鑫，张东方，刘进元

1)西安交通大学电气工程学院，西安710049;2)西北电网有限公司，西安710048;3)深圳大学光电工程学院，深圳518060

脉冲功率技术是把较小功率的能量以较长时间输入到储能设备中，将储存的能量通过器件进行压缩与转换，然后在极短时间(最短可为纳秒)以极高功率密度向负载释放的电物理技术.目前脉冲功率技术除应用在核爆炸模拟受控核聚变实验和强流粒子束加速器等重要国防科技领域外，还广泛用于等离子体注入烟气脱硫污水处理，以及极限条件下材料电学性能研究及改性等工业领域［1-2］.Marx发生器以高储能密度和低电感的电容器组为主体构架，利用电容充放电的方式产生指数衰减型高压脉冲［3-4］，其不仅可用于电力系统中冲击电压试验研究设备，而且可作为高压脉冲功率源，用于脉冲功率技术、高能物理及电工学等领域［5］.目前采用Marx结构脉冲发生器的开关元件主要选用高压火花隙与绝缘栅型双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)［6］，采用这些元件能获得很高脉冲电压，但脉冲前沿时间比较慢.本研究采用开关时间小于10 ns的功率金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)作为开关元件，为获得更高的输出脉冲电压，将4只功率MOSFET串联作为单元开关使用，研制一种纳秒级前沿的负高压脉冲发生器.

图1 Marx发生器基本回路Fig.1 Basic circuit of Marx generator

1 电路原理及结构分析

1.1 经典Marx发生器

Marx发生器是一种利用电容充放电的高压装置，其能模仿雷电及操作过电压等过程，因此，常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿与放电等试验.经典Marx发生器通常指电阻隔离型Marx电路，又称为冲击电压发生器.其基本工作原理是储能电容先并联充电，后通过开关技术改变电路结构使电容串联同时放电，从而使电压倍增来获得较高的脉冲电压.其基本电路结构如图1.

1.2 调制开关的器件选择

脉冲功率技术的核心器件是调制开关，开关元件的参数和特性对脉冲的上升时间与幅值等会产生直接影响.传统大功率调制器一般采用真空电子管作为脉冲开关，在效率、寿命和重频等方面受到限制.半导体器件具有效率高、体积小及寿命长的优点，弥补了这些不足.随着半导体器件的发展，尤其是MOSFET和IGBT大功率固态器件的逐步成熟，功率半导体开始被广泛用于高功率脉冲电源［7］.功率MOSFET以其抗干扰能力强、易驱动，尤其是开关频率高、稳定性好，被广泛用于超快脉冲的研究中.本设计要求纳秒级前沿，选用功率MOSFET也正基于此.

由于一般功率MOSFET的击穿电压小于1 kV，因此，单个功率MOSFET调制器的承载电压幅度不会超过1 kV，这就限制了充电电容的电压.将功率MOSFET按一定方式串联，可使电容得到更高的电压，故级联后的调制器就可获得较高的电压脉冲.

1.3 驱动电路

提高脉冲的前沿时间，关键在于快速开启和关断调制开关.而开关的频率快慢取决于功率MOSFET的导通和截止时间.在分析功率MOSFET输入和输出特性的基础上，为使电路快速触发导通，必须有能提供足够大输出电流的驱动电路.驱动电路采用推挽式驱动方式，由一对NPN和PNP型MOSFET组成，根据互补管的容量，可提供0.5～2.0 A的源(拉)电流及灌电流［8］，其电路如图2.大电流驱动可以提高开关速度，增加驱动功率［8］.此外，功率MOSFET管采用射极跟随的工作方式避免饱和，导通时较大的驱动电流输出，关断时为栅极电容提供低电阻的放电回路.

图2 推挽式驱动电路Fig.2 Driver circuit

1.4 二级脉冲电路

图3 2级电路原理图Fig.3 Schematic diagram of 2-stage circuit

第1级功率MOSFET串联脉冲电路如图3左半部分.其中，电阻起均压作用，稳压二极管起保护作用，电感起稳定输入电压与电路电流的作用，电容起同时导通功率MOSFET的作用.TR1是触发信号，其电路原理为:未触发时，4个串联的功率MOSFET因并联的电阻相等而使其漏-源间电压相等，电容端电压也自下而上依次升高;触发信号先使M1导通，D1端电压拉低，D12反向击穿(稳压值高于MOS管的导通电压)，与之并联的M2栅-源电压瞬间升高并导通，这样依次导通M3和M4，D4电压瞬间接近于0.由于电容两端的电压不能突变，C8的另一端O1即产生一个负高压脉冲.

图3右半部分是设计的第2级串联脉冲电路，其中Ro是外接电阻，HV是外加直流电源，TR即是上一级C4的输出负脉冲，其余和第1级类似的电阻、电容、电感和稳压二极管起同样作用.电路原理为:TR信号是直流信号时，电容都充电，容量与所并联的电阻成正比;当它变为负脉冲时，D21将被反向击穿，M5导通，D5的电位被拉低(接近S5电位)，D22也因承载反向电压而反向击穿，同样M6导通，依次M7和M8接连导通，C9的另一端O2就会出现一个负高压脉冲.

2 电路仿真

OrCAD是世界上使用最广的电子系统设计自动化(electronic design automation，EDA)软件，相对于其他EDA软件而言，含有很多强大的功能模块.OrCAD Capture在一个简单直观的原理图编辑界面中提供层次式电路和平坦式电路两种原理图绘制方式，可以快速直观地完成原理图设计与绘制.元件信息系统(component information system，CIS)与Capture原理图输入技术相结合，能够对元件进行有效管理，减少设计师查找元件内容和维护元件数据的时间.CIS还可以让外部源数据与原理图设计数据同步，自动生成BOM报表.OrCAD Capture与OrCAD PCB Editor的高度集成，可以实现原理图与电路板之间的同步交互式布局，使两者保持一致.在发生任何的引脚互换以及元件名称或值发生改变时，PCB都可以反标回注到原理图中.

为验证Marx固态脉冲调制器电路原理的正确性，通过软件OrCAD PSpice Release 10.5对电路进行仿真调试与验证.当所加直流电压为1.5 kV，驱动电路所加单次脉冲宽度为100 ns，幅度为10 V时，电路输出的脉冲图像如图4，显示幅度为-3 kV.

图4 2级Marx发生器仿真输出波形图Fig.4 Simulation waveform output of 2-stage Marx generator

3 电路测试

实际测试条件为脉冲幅度10 V，脉宽100 ns，所加直流电压1 500 V，驱动电路电源10 V.采用安捷伦公司DSO6104型四通道示波器，以及Tektronix公司P6015A衰减探头(衰减比为1 000∶1)进行测试.图5为输出脉冲波形.可见，其幅度约为-3 kV，脉宽约为130 ns.脉冲下降沿时间约为7 ns，测量结果如图6.

图5 实际测试的脉冲幅度图Fig.5 Measurement result of pulse amplitude

图6 测试脉冲的下降沿图Fig.6 Measurement result of pulse falling time

结 语

本研究运用Marx基本原理，设计并实现一种结构简单、易于实现的2级基于功率MOSFET的固态脉冲调制器.当加入脉宽为100 ns的触发脉冲时，可产生的脉冲幅值最高达-3 kV，脉冲宽度100 ns左右，且可以得到幅度小于3 kV的负高压脉冲，整个系统运行稳定可靠，达到设计要求.可以进一步增加级数来获得更高的脉冲幅度，但要增加功率MOSFET保护电路.采用功率MOSFET作为脉冲发生器调制开关，完全可满足脉冲要求前沿比较快的中小功率应用场合.

/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流光放电等离子体烟气脱硫实验研究［D］.北京:北京交通大学，2007.

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［4］Wang Ying.High Power Pulse Power［M］.Beijing:Atomic Energy Press，1991.(in Chinese)王 莹.高功率脉冲电源 ［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.实用脉冲功率技术引论 ［M］.西安:陕西科学出版杜，2003.

［6］Zhang Bingren，Wang Yujie，Fan Zhaoxin.Design of Marx generator based on IGBT ［J］.High Voltage Engineering，2008，34(6):1184-1188.(in Chinese)张秉仁，王玉杰，樊兆欣.一种基于IGBT的Marx发生器的研制［J］.高电压技术，2008，34(6):1184-1188.

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