一种T-SCC脉冲发生器的研制*

孙　焕，杨　铭，张晓俊，吴　迪，陶　智*

（1.苏州大学物理与光电·能源学部，江苏苏州215006；2.苏州泰斯特电子科技有限公司，江苏苏州215011）

一种T-SCC脉冲发生器的研制*

孙焕1，杨铭2，张晓俊1，吴迪1，陶智1*

（1.苏州大学物理与光电·能源学部，江苏苏州215006；2.苏州泰斯特电子科技有限公司，江苏苏州215011）

针对传统Marx发生器存在的时间常数大、输出效率低、输出参数单一等问题，通过优化SSBM（Solid-State Bipolar Marx）电容储能单元的全桥IGBT结构，设计了T-SCC（Two-Switches Capacitors Cells）脉冲发生器，并且根据高频高压下功率IGBT呈现容性负载的特性，提出一种寄生参数动态模型。对寄生参数动态模型的仿真实验结果表明T-SCC脉冲发生器能输出μs级上升沿的双极性脉冲电压，提高了系统输出电压和寄生电容充放电速度，达到了脉冲上升沿压缩的目的。

脉冲电源；固体开关；SSBM发生器；T-SCC发生器；寄生参数动态模型

脉冲电源在加速器、材料表面改性、机械加工和环保等领域具有潜在的应用价值，不同应用领域，脉冲电源的实现方案不同［1-3］，最早产生等离子体的脉冲电源方案为PFN（Pulse Forming Network）脉冲形成网络技术［4］，由于拥有较好的方波波形输出、更宽的负载匹配以及超过10 000 h的使用寿命被沿用至今，但PFN脉冲形成网络使用气体间隙开关，触发电压高、电压损耗大、输出效率低，易出现漏闪及连通现象，影响输出波形质量。近年来，在PFN形成网络输入端级联磁开关的MPC（Magnetic Pulse Compressor）磁脉冲压缩技术被提出［5］，在磁开关的作用下，可以缓解间隙开关在高频高压下的工作负担，提高系统稳定性，但由于磁开关在回路中等效于电感，间接增加了时间常数，降低了系统输出频率。多级Blumlein传输线一般用在脉冲形成回路末端进一步提高输出电压，不单独使用［6］。随着半导体开关技术的发展，MG脉冲发生器被提出［7］，MG脉冲发生器通过并联多个储能单元实现输出电压的叠加，不需要使用脉冲变压器，并且使用固态开关代替传统间隙开关，降低了电压损耗，提高了输出效率［8，9］，然而传统的MG发生器存在时间常数大，输出频率低，输出脉冲电压极性不可变等缺点，Redondo L M［10］等人提出了一种可以提高输出频率，输出双极性脉冲电压的SSBM（Solid-State Bipolar Marx）脉冲发生器结构［10］，但无论输出正脉冲或负脉冲，总有一级储能电容被开路，并且每一级需要使用5组IGBT及功率二极管，驱动电路复杂，电压损耗大，系统输出电压低。

针对以上问题，本文设计了T-SCC（Two-Switches Capacitors Cells）脉冲发生器结构，解决了SSBM脉冲发生器存在的电压损耗高，寄生参数影响大，输出电压低等问题，进一步改善了脉冲波形，提高了系统的输出效率。

1　SSBM脉冲发生器

在传统MG脉冲发生器的结构上，Redondo LM等人通过将每一级电容储能单元优化为图1所示的全桥结构，提出了SSBM（Solid-State Bipolar Marx）脉冲发生器结构。该脉冲发生器通过IGBT的开关动作，可以输出双极性脉冲电压，解决了传统MG发生器存在的输出参数单一等问题。

图1SSBM脉冲发生器原理图

SSBM脉冲发生器存在两种操作模式，当Tdc、Tai、Tbi、Tei开启，其他IGBT关断，实现n阶储能电容并联充电；当开启Tai与Tdi，关断其他IGBT输出正脉冲电压，或者开启Tci与Tbi，关断其他IGBT输出负脉冲电压；但是无论输出正负脉冲电压，总有一级储能电容被开路，最终得到的脉冲输出电压约为n-1阶，同时每阶储能单元使用了5组IGBT以及功率二极管，增加了等效阻抗与电压损耗，降低了寄生电容充放电速度，拉伸了脉冲上升沿。

2　T-SCC脉冲发生器

本文通过优化SSBM的电容储能单元，提出了图2所示的T-SCC脉冲发生器，将SSBM每阶储能电容用到的5组IGBT模块优化为3组，增加一个全桥结构的输出模块，在保证双极性脉冲电压输出的前提下，降低了电压损耗以及寄生参数的干扰。

T-SCC脉冲发生器同样存在两种操作模式，当Tdc以及Tbn开启，其余IGBT关断，n阶储能电容通过直流电源并联充电，Ta（n+1）、Tb（n+1）、Tc1、Tc2、Td1、Td2关断，隔绝直流电源对负载的干扰；当Tan开启，其余IGBT关断，输出模块中Td1与Tc2开启，其余关闭，或者Td2与Tc1开启，其余关闭，n阶储能电容串联对负载放电，输出正负脉冲电压，期间电源开关Tdc关断，防止直流电源对负载产生干扰。

图2T-SCC脉冲发生器原理图

3　T-SCC寄生参数动态模型建立

当IGBT导通时，根据高频高压下，功率IGBT呈现的容性负载特性，可以将图2中的功率二极管等效为图3所示的电容、电阻负载分支；当IGBT关断时，可以用开路分支代替。由此建立了图3所示的T-SCC寄生参数动态模型，用来研究在高频高压环境下，T-SCC脉冲发生器充放电模式中寄生参数对于脉冲输出波形的影响。动态模型中Ran为Dan等效电阻，Ron（n）为Tbn等效电阻，Rdn为Rbn反并联续流二极管等效电阻，Cdn为Tbn等效电容，Cn′为每一级脉冲单元对地寄生电容。

图3　T-SCC充电模式寄生参数动态模型

当T-SCC脉冲发生器切换为充电模式时，每一级储能电容Cn在充电阶段完成后电压如式（1），充电电流以及时间常数如式（2）与式（3）所示

根据图3所示T-SCC充电模式寄生参数动态模型，可以推导出n阶寄生电容充电电流如式（4）所示，与表示第n阶储能电容充电前后的电压，忽略每阶的电压损耗，当第n阶储能电容完全充电后，带有与的多项式之差应为0，因此充电模式中寄生电流大小仅受到UCn′的影响，即为了尽可能加快寄生电容的充放电速度，除了优化电路设计以及选取适当的充电限流电阻之外，还应考虑寄生电容的完全充电电压，在充电模式中，每阶寄生电容完全充电电压约为Vdc，因此充电模式中，随着n的增加，寄生电容充放电电流应该基本维持在一个特定值周围。

图4　T-SCC正脉冲模式寄生参数动态模型

T-SCC脉冲模式寄生参数动态模型与T-SCC充电模式原理相同，底部IGBT关断时，这部分IGBT等效为阻值很大的电阻Roff。图4所示为正脉冲模式寄生参数动态模型，负脉冲模式中Td2与Tc1开启，其余与正脉冲模式相同，不做详述。Ron（n）为Tan导通等效电阻，Rdn为Tan反并联续流二极管等效电阻，Cdn为Tan等效电容，Cn′为每一级脉冲单元对地寄生电容。

T-SCC脉冲模式下，推导出负载两端受到的最大脉冲电压如式（5）所示，

UCj为每阶储能电容的电压，式（2）已作详细论述，URci为每阶储能电容等效电阻压降，UCETai为功率半导体模块Tan导通压降。由式（5）可以推导出当T-SCC切换到脉冲模式时，负载两端电压UO关于放电时间t的如式（6）所示，

Ceq为正脉冲模式等效电容，Req为正脉冲模式等效电阻。从公式UO可得在元器件选定的情况下，储能电容放电快慢，即脉冲下降沿波形质量，主要由等效电容Ceq以及负载电阻RLoad决定。

根据图4所示T-SCC正脉冲模式寄生参数动态模型，可以推导出n阶寄生电容充电电流如式（10）所示，同充电模式中，当第n阶储能电容完全充电后，带有与的多项式之差应为0，因此脉冲模式中寄生电流充放电的大小仅受到UCn′的影响，即为了尽可能加快寄生电容的充放电速度，除了选取适当的负载之外，还应考虑寄生电容完全充电电压，在脉冲模式中，每阶寄生电容完全充电电压如式（9）所示，可以推导出随着n的增加，寄生电容充电电压线性增加，所以n越大，第n级寄生电容充电电流也越大。

4　实验结果与讨论

本文通过理论分析与实验研究，得到T-SCC脉冲发生器可输出kHz频率可调、脉宽可调、幅值可调的双极性脉冲电压，实验分为离散实验与连续实验两部分，与SSBM结构对比，T-SCC每阶储能电压与输出电压均高于SSBM结构，从而证明了T-SCC脉冲发生器效率高于SSBM发生器。

4.1离散充放电实验

在离散充电实验中，给定充电电压Udc=1 000 V，限流电阻200 Ω，平均充电电流为5 A，IGBT导通压降UCE=3 V，Dan导通压降URaj=2 V，将以上参数代入式（1）与式（4），n取11个点，计算得到两种脉冲发生器储能电容电压以及寄生电容充电电流对比图，如图5与图6所示。

图5　储能电容电压对比图

图6　充电模式寄生电容充电电流对比图

由储能电容充电电压对比图中可以看出11阶的T-SCC脉冲发生器储能电压最大值为997 V，由于IGBT以及Dan上存在的电压损耗，随着n的增加，电容充电电压最大值逐渐减少，当n为11时，储能电容完全充电电压约为947 V，而SSBM脉冲发生器中n为11仅有895 V，主要原因在于SSBM脉冲发生器每阶储能单元存在5组IGBT以及2组功率二极管，电压损耗高于T-SCC脉冲发生器。图5可以论证T-SCC在电容充电阶段效率高于SSBM脉冲发生器，在寄生电容充电电流对比图中可以看到随着n的增加，充电模式寄生电流幅值比较稳定，因为充电模式中，直流电源不仅对储能电容充电，也间接对寄生电容充电，由于多个寄生电容之间并联充电，因此随着n的增加，寄生电容充电电流只会受到回路等效阻抗带来的轻微影响。同时由于T-SCC结构每阶IGBT模块相对于SSBM结构减少了2个，导致T-SCC结构充电模式寄生电流始终大于SSBM结构，充电更快，脉冲上升沿可以做到更高的等级。

在离散脉冲模式实验中，给定额定导通压降UCE=3 V，n取10个点，忽略电容等效电阻，将以上参数代入式（8）与式（10），计算得到两种脉冲发生器输出电压以及寄生电容充电电流对比图，如图7与图8所示。

图7　输出电压对比图

图8　脉冲模式寄生电容充电电流对比图

从脉冲模式负载两端电压对比图中可以看出随着n的增加，T-SCC拓扑结构输出电压对比SSBM拓扑结构上升的更快，主要原因在于T-SCC拓扑结构每阶只使用2组IGBT模块，SSBM模块每阶使用5组IGBT模块，随着n的增加，越多的IGBT模块将损耗更多的输出电压。

在图8寄生电流对比图中可以看出寄生电流幅值近似线性上升，原因在于，第n阶寄生电容是通过n阶储能电容串联充电，随着n的增加，充电电压以近似1个直流电压幅值为基本单位倍增。寄生电流幅值越大，意味着寄生电容充电越快，由图8可以得出，T-SCC结构脉冲模式寄生电流始终大于SSBM结构，主要原因在于T-SCC结构脉冲模式下每阶只开通1个IGBT，SSBM结构需要导通2个IGBT，而且每阶存在5个IGBT，即使没有开通，在高频高压下仍然有等效电容与等效阻抗对放电过程产生影响，因此可以论证T-SCC脉冲模式中寄生电容充电速度大于SSBM脉冲发生器，下降沿可以做到更高的等级。

4.2连续充放电实验

T-SCC脉冲发生器连续实验中，为了验证方案的可行性以及合理的选择元件参数，搭建T-SCC脉冲发生器模型，如图9所示。图中直流电源为1 000 V，限流电阻为200 Ω，负载电阻为800 Ω，储能电容为 0.47 μF，搭建了 4阶 T-SCC脉冲发生器。

图9T-SCC脉冲发生器原理图

负载电压输出如图10所示，可以输出0～4 000 V连续可调双极性脉冲电压，输出频率0～1 kHz可调，从理论上验证了T-SCC脉冲发生器同样可以得到kHz输出频率，us级上升沿，kV级双极性脉冲电压输出。

图10　T-SCC发生器脉冲电压输出

图11是4阶T-SCC与SSBM脉冲发生器输出对比图，同样是四阶储能单元，T-SCC可以输出接近4 000 V双极性脉冲电压，SSBM输出3 000 V脉冲电压，主要原因是SSBM脉冲发生器无论输出正负脉冲都有一阶储能单元开路。图11从理论上论证T-SCC脉冲发生器拥有更高的输出电压。

图11　四阶T-SCC与S2BM输出对比图

5　结论

本文通过优化SSBM脉冲发生器储能单元，设计了T-SCC（Two-Switches Capacitors Cells）脉冲发生器，并且提出了一种用于分析寄生电容充放电过程的动态模型，解决了SSBM（Solid-State Bipolar Marx）脉冲发生器中存在电压损耗大，输出电压低，寄生参数影响大等问题。通过搭建4阶储能单元动态模型验证了T-SCC脉冲发生器在相同条件下，输出电压比SSBM高一级，同样可以得到kHz输出频率，μs级上升沿，kV级双极性脉冲电压输出。本文最终得到的双极性脉冲电压输出为4 kV，但在某些应用场合，可能需要10 kV及以上的脉冲电压输出，而脉冲电压的升高直接增加了固态开关的工作负担，如何优化负载模块的设计，才能保证在功率二极管的耐压范围内进一步增加输出电压是本文未来研究的一个重点。

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孙焕（1991-），男，汉族，江苏常州人，苏州大学物理与光电·能源学部，硕士研究生，主要研究方向为自动控制与信息处理，sun3200810@163.com；

杨铭（1990-），男，汉族，江苏射阳人，本科，苏州泰斯特电子科技有限公司工程师，主要研究方向为电磁兼容；

张晓俊（1981-），男，汉族，江苏苏州人，苏州大学物理与光电·能源学部，硕士，实验师，主要研究方向为电子信息技术；

吴迪（1980-），男，汉族，江苏徐州人，苏州大学物理与光电·能源学部，博士，讲师，主要研究方向为电子信息技术；

陶智（1970-），男，汉族，江苏姜堰人，苏州大学物理与光电·能源学部，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向为自动控制与信息处理，taoz@suda.edu.cn。

Development of a T-SCC Pulse Generator*

SUN Huan1，YANG Ming2，ZHANG Xiaojun1，WU Di1，TAO Zhi1*
（1.Department of Physics Science and Technology，Soochow University，Suzhou Jiangsu 215006，China；2.Suzhou 3ctest Electronic Co.Ltd，Suzhou Jiangsu 215011，China）

To tackle the problems of the traditional Marx generator，such as large time constant，low output efficiency and single output parameters，the T-SCC（Two-Switches Capacitors Cells）pulse generator is designed through the structure optimization of the full bridge IGBT of the SSBM（Solid-State Bipolar Marx）pulse generator.At the same time，according to the capacitive load characteristics of the IGBT，a dynamic model of parasitic parameter is proposed.Simulation experiments on the dynamic model of parasitic parameters show that the T-SCC pulse generator can output bipolar pulse voltage with microsecond rising edge，and can improve the system output voltage and discharge rate of the parasitic capacitance，reaching the purpose of compressing the rising edge of the pulse.

pule power supply；solid-state switch；SSBM；T-SCC；parasitic dynamic model

TM910

A

1005-9490（2016）05-1087-06

项目来源：江苏省产学研（前瞻）项目（BY2014059-06）

2015-10-28修改日期：2015-11-27

EEACC:1230J10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.014