单信号驱动的固态脉冲源

罗雨航,郑 静，杨 鸽，李恩成

(1.四川水利职业技术学院，四川 成都 611231；2.国网四川省电力公司攀枝花供电公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

固态脉冲源是一种储能装置，可以实现脉冲压缩和电压放大的功能，被广泛应用于国防[1]、电力装备[2]、绝缘材料[3]、等离子体放电[4]、生物医学工程[5]等领域，特别是在生物工程领域，脉冲电场引起的电穿孔效应[6-8]已广泛应用于肿瘤消融[9]、消毒杀菌[10]等领域。传统脉冲电源是基于火花隙开关[11]，可输出兆瓦级功率，主要应用于国防军工领域。但由于火花隙开关具有重复频率低、寿命短、效率低、体积大等缺点，造成系统庞大，较少应用于民用领域。随着电力电子技术的发展，电力电子开关的应用促进小型脉冲电源的发展，同时全控性固态开关可使脉冲电源输出的脉冲参数任意可调[12-15]，大幅提升输出效率且操作简单。传统的固态脉冲电源通常采用高压磁隔离驱动技术[16]，该技术可将驱动信号和功率部分进行隔离，避免脉冲电源在放电时冲击驱动电路。但高压磁隔离驱动需要较多的磁芯来完成多路隔离信号驱动，加大了系统的体积和质量，同时驱动电路复杂且不稳定。而采用光纤提供隔离同步信号的驱动方案隔离电压高，同步性更好，但是成本也较高，且需提供多路隔离的驱动供电电源。因此，驱动稳定且结构简单的高压脉冲发生器将使得结构更加紧凑，节约成本。文献[17]提出一种可靠的功率MOSFET堆叠方法，控制一个MOSFET，通过特定的电路结构使得后续MOSFET自动开通和关断。这种方法可以使高压脉冲发生器的驱动更为简单，减少了体积和质量。但受驱动电路、控制型号、半导体开关差异等因素的影响，不同步的半导体开关的开通，容易引起过压击穿[18]。通常需要添加有源钳位电路或RCD缓冲电路。传统的有源钳位电路反馈时间较长，文献[19]采用了一种高速的反馈电路，将钳位动作时间缩短到30 ns，从而减少过压尖峰。

目前的串联半导体开关技术，由于开通关断不同步，在有源区工作时长不一致。文献[20]提出了一种自触发高频纳秒发生器，其主电路结构采取Marx电路，在远离电源一级提供一路信号驱动开关的导通状态，其余开关通过主电容对开关门极电容充电自行触发导通，驱动电路简单且无需磁芯隔离，大大缩减电源的体积和质量。因此，在此基础上提出了一种单信号驱动的固态脉冲电源的拓扑结构，该结构只需要一路信号驱动第一级固态开关，其余开关通过主电容的充电分压自行进行导通，系统即可实现对负载释放脉冲高压。该结构无需磁芯隔离驱动，除第一级开关外其余开关均不需单独的驱动电路，大大缩减了系统的体积和质量，节约成本。

1 单信号驱动的固态脉冲源工作原理

图1为单信号驱动的固态脉冲源的拓扑结构，以3级为例，每一级包含一个主电容，2个充电电阻和一个MOSFET开关。直流电源DC通过充电电阻对各级主电容进行并联充电。当各级主电容达到额定电压时，触发开关Q1导通，电容C1经过Q1—Ctr1—Ciss1—C1回路对开关Q2的门极电容Ciss1进行充电。当电容Ciss1两端电压达到开关Q2的阈值电压时，开关Q2自行触发导通。同理，后级开关依次导通。当全部开关均可靠导通后，各级主电容C1、C2、C3串联对负载放电。此时，如果提供关断信号使第一级开关Q1切换到关断状态，各级主电容依然处于充电状态；而第二级开关Q2的门极电容Ciss1无法形成充电回路，电容Ciss1停止充电且通过Ciss1—Ctr1—R2回路对电阻R2释放电能。当Ciss1两端电压降到阈值电压以下无法维持开关Q2导通，开关Q2自行关断。同理，后级开关逐级关断。当各级开关均关断时，系统处于截止状态，电源将不再对负载放电。

图1 单信号触发的固态脉冲源

1.1 充电模型

图2为单信号驱动的固态脉冲源的主电容充电回路示意图，直流电源DC经过充电电阻对各级主电容进行并联充电，充电电阻可防止在系统放电时脉冲高压冲击直流电源，同时也可在放电时起到隔离作用。但由于充电电阻的存在限制了充电电流的大小，也限制了各级主电容的充电速度。通过设置直流电源DC的充电电压可改变各级主电容两端的电压，进而可输出不同幅值的脉冲高压。

图2 单信号的固态脉冲源的主电容充电回路

图3为单信号驱动的固态脉冲源的单信号导通回路的示意图。当导通信号触发开关Q1开通时，由于主电容C1电容值远大于开关Q2门级电容Ciss1的电容值，此时电容C1会充当直流电源对电容Ciss1进行充电，充电回路为C1—Q1—Ctr1—Ciss1—C1，如图3(a)红色实线所示。与此同时，电容C1经过C1—Q1—R1对电阻R1放电，但该回路与Ciss1充电回路是并联关系，两个回路独立并不会互相影响。当Ciss1两端电压达到开关Q2的阈值电压时，开关Q2自行导通。同理，开关Q2导通后，主电容C1和C2串联等效为直流电源对Ciss2进行充电，Ciss2两端电压达到开关Q3的阈值电压时，开关Q3自行导通。充电回路如图3(b)红色实线所示，充电路径为C1—Q1—Ctr2—Ciss2—C2。同理，电容C1和C2并联也会对电阻R4放电，但该回路与电容Ciss2充电回路为并联关系，二者互相独立。当开关Q1、Q2、Q3均触发导通时，系统会进入放电状态，此时可通过测试是否有输出电压来确定各级开关是否完全导通。

(a)一级自触发导通回路

(b)二级自触发导通回路图3 单信号的固态脉冲源的单信号导通回路

1.2 放电模型

图4为单信号驱动的固态脉冲源的放电回路示意图。当各级开关全部导通时，系统进入放电状态，主电容C1、C2、C3将会串联对负载放电，实现电压的叠加。通过改变DC直流电源的充电电压可改变系统输出脉冲电压的幅值，通过调节开关Q1的导通信号脉宽，可使系统输出不同脉宽的脉冲电压。

图4 单信号的固态脉冲源的放电回路

图5为单信号驱动的固态脉冲源的第二级单信号关断回路示意图。提供信号触发开关Q1关断时，门极电容Ciss1和Ciss2都将停止充电，同时门极电容Ciss1和Ciss2都将分别对电阻R2和R4进行能量泄放，放电回路如图中绿色实线所示。当门极电容Ciss1和Ciss2两端电压低于开关阈值时，开关Q2和Q3断开，系统进入截止状态。根据一阶电路的零输入响应原理，电阻R2和电阻R4的阻值决定了开关Q2和开关Q3的下降沿，阻值越大其下降沿越慢。但对系统输出脉冲的下降沿几乎没有影响，这是由于开关Q1一旦断开，整个系统对负载的放电回路就处于开路状态。因此系统输出脉冲的下降沿取决于开关Q1的信号。

图5 单信号的固态脉冲源的自触发关断回路

2 仿真实验

为验证单信号驱动的固态脉冲源的工作原理，通过通用电路分析(PSPICE)仿真了10级电路拓扑，如图6所示。直流充电源工作电压设置为800 V，负载为500 Ω纯电阻负载，每级主电容的容量为1 μF，各级开关的选型为CREE公司的C2M0080120D，耐压1200 V，门极电容为950 pF，导通阈值电压为3.2 V，门源极电压范围为-10～25 V。由于级数越大，驱动电容的充电电压越大。因此根据电容分压关系，随着级数的增加，驱动电容Ctri的取值越小。Ctr1—Ctr9的电容取值依次为330 pF、160 pF、105 pF、80 pF、65 pF、55 pF、45 pF、40 pF、30 pF。驱动电容参数的选择可参考文献[21]。表1为仿真电路实验参数。

表1 实验参数

图6 单信号的固态脉冲源的仿真电路

为比较自触发驱动电压和第一级信号的电压差异，测试了第一级开关Q1和第二级开关Q2的门源极电压，测试结果如图7所示。从图中可明显看出Q1的驱动电压为完整的方波，幅值为20 V。而Q2的自触发驱动电压有一个明显的欠阻尼震荡，这是由于自触发过程中Q2门极电容Ciss2充电回路中的电阻电容参数引起的，可在各级开关门源极并联瞬态二极管得到一定的抑制。同时，从图中可看出Q2自触发驱动电压幅值约为17.2 V，已达到开关Q2的阈值电压，能可靠导通开关Q2。

图7 开关Q1和Q2驱动电压对比

为验证单信号驱动的固态脉冲源可输出不同幅值和不同脉宽的脉冲电压，分别测试了DC直流充电源工作在500 V、600 V、700 V、800 V时的输出电压，如图8(a)所示，此时第一级开关驱动信号脉宽为200 ns，负载为500 Ω。从图中可明显看出不同幅值的输出电压波形顶宽约为200 ns，这是由于电源对负载放电回路必须经过开关Q1，而后级开关由于门极串联电阻导致开通速度变慢，会导致后级开关的脉宽变宽。因此脉宽最窄的开关Q1决定了电源输出电压脉冲顶宽。同时，可看出电源输出5 kV、6 kV、7 kV、8 kV的脉冲电压的上升沿分别约为81 ns、65 ns、54 ns、49 ns，输出电压越高上升沿越短，这是由于输出电压的幅值取决于直流充电源的工作电压，工作电压越大，各级主电容的电压越大，自触发回路电流越大，触发上升沿越窄，促使电源对负载输出的脉冲电压上升沿越窄。如图8(b)测试了该电源工作电压在800 V，负载为500 Ω，第一级开关Q1的驱动信号脉宽分别为200 ns、400 ns、600 ns、800 ns的输出脉冲电压波形，从图中可明显看出各输出脉冲波形顶宽接近开关Q1的驱动信号脉宽，进一步验证了该电源可输出不同脉宽的脉冲电压。

(a)输出不同电压

(b)输出不同脉宽图8 单信号驱动的固态脉冲源脉宽可调和电压可调波形

为验证该电源可应用不同阻值负载的功能，测试了工作电压为800 V，Q1信号脉宽为200 ns，负载分别为500 Ω和2 kΩ的输出脉冲波形，如图9所示。从图中可明显看出，负载为500 Ω和2 kΩ的输出波形脉冲顶宽与Q1驱动信号脉宽保持一致，下降沿分别为352 ns和903 ns，负载阻值越大，下降沿越大，这是由于在相同幅值的电压下，阻值越大，放电电流越小，因此负载越大输出脉冲的下降沿越大。

图9 不同阻值负载单信号驱动的固态脉冲源输出波形

3 结 论

上面提出的单信号驱动的固态脉冲源只需单个驱动信号即可控制整套电源的开通和关断，通过控制第一级开关的导通状态，自行导通和关断其余开关，极大简化驱动电路，大幅缩减系统的体积和质量，最终输出幅值高达8 kV、脉宽200～800 ns的脉冲电压，对于生物医学应用、肿瘤消融以及污水处理有重大意义。但该技术由于充电电阻的存在造成系统的充电速度较慢，充电损耗较大且输出脉冲频率会受到限制，今后将围绕这些问题展开研究工作。