CN104716933A - 基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器 - Google Patents

Abstract

基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，包括多个级联的全控开关级，还包括与级联全控开关级最后一级保持级联关系的至少一个自击穿开关级，所述自击穿开关级与全控开关级的区别在于：全控开关由自击穿开关替换，所述自击穿开关为开关上的压降大于门限值时，自动击穿导通的开关器件；还包括与自击穿开关级保持级联关系的负载输出级，所述负载输出级与自击穿开关级的区别在于：没有隔离器件，自击穿开关与储能装置负向输入端之间连接有负载。采用本发明所述的基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，克服了采用全控开关时序难以控制的问题，装置容量降低的缺陷，并提高了Marx发生器的输出效率与可靠性。

Description

基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器

技术领域

本发明属于高压电气工程与电力电子领域，涉及一种高功率脉冲发生装置，特别是一种基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器。

背景技术

固态重复频率Marx发生器具有输出脉冲电压高、功率大、重复频率高等优点。随着元器件技术、脉冲形成技术和绝缘技术的快速发展，固态重复频率Marx发生器取得的巨大技术进步使得脉冲功率技术在重复频率、寿命、紧凑性和可移动性等方面得到新的发展，并拓展了脉冲功率技术的应用范围，其研究成果也将推动高功率微波技术的发展，推动高功率探地雷达、远距离微波拒止武器等新概念武器系统的研究，同时此项技术在核物理、加速器、环保和医学等领域也有重要的应用。

如图1所示给出一种典型的MARX装置，包括三级全控开关级，充电器件和隔离器件均为电阻，全控开关为功率开关器件，例如IGBT开关或MOS管，当输入电压在IN端输入5kV直流电压，在充电阶段，三个全控开关M1-M3全部关闭，三个电容均充电至5kV。充电完成后，同时打开三个全控开关，由于电容两端电荷守恒，同时隔离器件阻抗较大，第一级全控开关级的电容电荷抬升B1点电压，进一步使O2点电压升高，在不计损耗的情况下，O2点电压升高至10kV，同理O3点电压提升至15kV，相对5kV的输入电压，实现了在输出端得到3倍输入电压的输出电压。

Marx发生器是一种对电容器并联充电串联放电产生高功率脉冲的电路，常用的Marx发生器使用电阻作为充电和隔离元件，使用气体开关作为控制元件，该种结构在大功率装置上使用时，由于有电阻的热损耗，会降低整机系统效率，在重复频率较高的装置中，气体开关由于电弧不能迅速消散，不能满足其高重复频率要求。近年来随着电力电子半导体器件的快速发展和成熟，使得采用IGBT等固态开关构建的Marx发生器得到了快速发展，其在开关速度、功率容量等方面也得到了很大提升，但由于固体半导体开关单管研制水平有限，其工作电压和通流能力只到千伏、千安量级，要使Marx发生器能够输出更高电压，必须将大量的开关串联组合使用。如果开关全部使用全控半导体开关，各只开关之间的同步，动静态均压，驱动隔离供电，驱动信号隔离，分布参数等都会制约装置的容量。另外，由于半导体开关的固有特性，在使用电容器的Marx线路中，关断过程中的电流拖尾特别严重。

发明内容

为克服现有Marx装置输出高压时由于全控开关同步性存在离散差异，造成装置容量受限的技术缺陷，本发明公开了一种基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器。

   本发明所述基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，包括多个级联的全控开关级，所述全控开关级由充电器件、储能装置、隔离器件和全控开关组成，所述全控开关连接在储能装置的正向输入端和负向输入端之间；所述充电器件为高压二极管；

   还包括与级联全控开关级最后一级保持级联关系的至少一个自击穿开关级，自击穿开关级之间的连接方式与全控开关级之间的连接方式相同，所述自击穿开关级与全控开关级的区别在于：全控开关由自击穿开关替换，所述自击穿开关为开关上的压降大于门限值时，自动击穿导通的开关器件；

还包括与自击穿开关级保持级联关系的负载输出级，所述负载输出级与自击穿开关级的区别在于：没有隔离器件，自击穿开关与储能装置负向输入端之间连接有负载；

各个自击穿开关的击穿电压门限值低于该级的输出电压额定值，并高于前一级的输出电压额定值。

优选的，所述储能装置为PFN结构，所述PFN结构由N个电感和N+1个电容组成， N个电感串联形成电感串，电感串一端点连接储能装置的正向输入端，所述电感串的全部中间节点和两个端点与储能装置的负向输入端之间均连接有一个电容，所述N为正整数。

优选的，所述隔离器件为电感。

进一步的，所述自击穿开关为氧化锌自击穿开关或半导体自击穿开关。

优选的，所述稳压二极管的反向恢复时间小于1微秒。

优选的，所述全控开关为功率IGBT或MOS管。

采用本发明所述的基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，具有自击穿开关的自击穿级和负载输出安装于装置的后级，受控于前级电压的叠加，发生自击穿与关断，与半导体开关模块共同作为开关器件，实现装置的电压叠加与停止，克服了采用全控开关时时序难以控制，装置容量降低的缺陷，提高了MARX发生器的输出电压和输出功率。

附图说明

图1为传统Marx发生器的一种具体实施方式示意图；

图2为本发明所述基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器的一种具体实施方式结构示意图；

图3为本发明所述PFN结构和普通电容充放电曲线对比图；

图中附图标记名称为：IN-输入端 D1、D2、D3、D4-高压二极管，Q1、Q2-全控开关，Q3、Q4-自击穿开关，L1、L2、L3-电感 RLOAD-负载电阻。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

传统的MARX发生器采用R串联、C并联方式，以电阻作为充电器件和隔离器件，电容作为储能原件，在电容两端并联开关器件，充电时，开关器件全部断开，对各个电容同时充电，充满之后，将开关器件打开，由于充电器件和隔离器件的断路作用，以及电荷守恒原理，迫使各级电容的电压依次升高，最后在输出级得到输入电压值整数倍的输出高压，用于驱动负载。

现有技术中的全控开关多使用气体开关或固体开关作为高压开关器件，由于固体半导体开关单管研制水平有限，其工作电压和通流能力只到千伏、千安量级，要使Marx发生器能够输出更高电压，必须将大量的开关串联组合使用。如果开关全部使用全控半导体开关，各只开关之间由于大批量生产存在的固有离散性，使开关的导通和关断时间均存在差异，特别是在最后若干级，电压是输入电压的十余倍或数十倍，开关压降的不同加剧了开关时间的离散分布，开关的不同步会导致电荷泄露，降低输出电压峰值，使MARX装置的输出功率不能达到预期，并容易发生开关损坏，带来装置故障。

针对上述缺陷，本发明所述的基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，包括多个级联的全控开关级，所述全控开关级由充电器件、储能装置、隔离器件和全控开关组成，所述全控开关连接在储能装置的正向输入端和负向输入端之间；还包括与级联全控开关级最后一级保持级联关系的自击穿开关级，所述自击穿开关级与全控开关级的区别在于：全控开关由自击穿开关替换，所述自击穿开关为开关上的压降大于门限值时，自动击穿导通的开关器件；还包括与自击穿开关级保持级联关系的负载输出级，所述负载输出级与自击穿开关级的区别在于：没有隔离器件，全控开关与储能装置负向输入端之间连接有负载；各个自击穿开关的击穿电压门限值低于该级的输出电压额定值，并高于前一级的输出电压额定值。

如图2所示给出采用两级全控开关级和1个自击穿开关级、1个负载输出级的一个Marx装置，充电电压从输入端IN输入，通过充电器件D1，对第一级进行充电，PFN结构沿作为隔离器件的电感L1通道形成充电回路，储存能量；充电电压为第一级全控开关级充电的同时，通过充电器件D2对第二级全控开关级进行充电，第二级全控开关级的储能装置PFN结构沿电感L2、L1形成充电回路，储存能量；同理，充电电压为后续的自击穿开关级和负载输出级的储能装置PFN结构充电，充电时，全控开关Q1和Q2均断开，同时自击穿开关级和负载输出级的自击穿开关由于两侧电压未完成升压，与输入电压一致，自击穿开关的击穿电压门限值设定为高于输入电压，例如对本实施例，输入电压10kV时，自击穿开关电压可以分别设置为25kV和35kV，此时两个自击穿开关均不导通。

    当两级全控开关级、自击穿开关级和负载输出级的储能装置均充电完成后，各储能装置两端电压差均为输入电压V1，两级全控开关级的全控开关Q1、Q2同时受控导通。

第一级全控开关级储能装置中储存的能量通过全控开关Q1加至第二级全控开关级储能装置的负向输入端，由于隔离器件L1有阻止脉冲电压通过的作用，沿L1到地端无法形成放电路径，由于电荷守恒，使储能装置的反向输入端A1点电压升高，电压抬高第二级全控开关级储能装置正向输入端B点电压，使B点电压变为两倍输入电压，即2V1。全控开关可以采用IGBT器件，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

由于D1二极管具有单向导通的特点，B点的电压无法通过D1到前级的放电路径，电压通过Q2全控开关加至B1点，由于L2电感有阻止脉冲电压通过的作用，充当隔离元件，沿L2、L1到地端无法形成放电路径，B1 点电压抬高C点电压，使C点电压变为3V1；

根据MARX装置的工作原理设置各个自击穿开关的击穿电压，该击穿电压低于本级自击穿开关级或负载输出级的输出电压，但应高于前一级的输出电压，前一级可以是最后一级全控开关级，也可以是自击穿开关级，例如对本实施例，所述自击穿开关级的自击穿开关击穿电压门限值为V2 ，负载输出级的自击穿开关击穿电压门限值为V3，所述V2大于VO-2V1且小于VO-V1，所述V3大于VO-V1且小于VO，所述VO为Marx发生器输出电压额定值，V1 为输入电压值。

具体在输入电压为10kV时，输出电压额定值应为40kV，当C点电压变为3V1即30kV时，自击穿开关Q3的击穿门限值电压设置为25kV， Q3被击穿导通，出于去前述全控开关级相同的升压原理，在Q3击穿后，C1 点电压被升高至30kV，抬高D点电压到达40kV。

   当D点电压达到n倍充电电压时，由于D4单向导通，自击穿开关Q4的击穿电压门限值设定为35kV，电压击穿Q4自击穿开关单元，将40kV充电电压加载至负载电阻Rload上。

储能装置可以是传统的电容元件，也可以优选采用PFN结构，所述PFN结构由N个电感和N+1个电容组成， N个电感串联形成电感串，电感串一端点连接储能装置的正向输入端，所述电感串的全部中间节点和两个端点与储能装置的负向输入端之间均连接有一个电容，所述N为正整数。

通过上述PFN结构进行储能，并实现开关上的低电压关断，同时也解决了IGBT的关断拖尾电流的问题。如图3所示分别给出PFN结构和普通电容充放电曲线实测对比图，横坐标为时间，纵坐标为电容电压，图中可见普通电容放电时存在严重的脱尾现象，而采用PFN结构，在放电时，脉冲形成网络能量全部释放，电压下降速度快，在时间T0处，PFN结构电压显著低于普通电容放电，此时关断，相对普通电容，可以实现低电压和低电流关断，利于减少尖峰，提高器件寿命，增加可靠性。

所述隔离器件可以选用大阻值电阻，也可以选择电感，通过电感实现各级储能装置的并联充电和隔离，可降低整机装置的能耗。

所述自击穿开关为氧化锌自击穿开关或半导体自击穿开关，例如采用半导体形式时，可以由多个半导体放电管或稳压管混合连接组成，如采用氧化锌自击穿开关可选用特殊低导通电阻的器件实现，可实现双向击穿导通。

 采用本发明所述的基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，可实现高重复频率运行的脉冲输出，同时兼顾单脉冲输出场合，并且可实现输出脉宽可调整；整机热损耗小，系统效率高；整系统维护方便，不需使用复杂的气路系统；电路结构使用全控开关数量减少，节约成本；电路结构使半导体开关低电压关断，降低开关的关断风险和关断损耗，减小了开关的热损耗，并且提高了器件的工作寿命；减小系统的调试工作量，并且减小了器件串联时杂散参数的影响。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，包括多个级联的全控开关级，所述全控开关级由充电器件、储能装置、隔离器件和全控开关组成，所述全控开关连接在储能装置的正向输入端和负向输入端之间；所述充电器件为高压二极管；

其特征在于，还包括与级联全控开关级最后一级保持级联关系的至少一个自击穿开关级，自击穿开关级之间的连接方式与全控开关级之间的连接方式相同，所述自击穿开关级与全控开关级的区别在于：全控开关由自击穿开关替换，所述自击穿开关为开关上的压降大于门限值时，自动击穿导通的开关器件；

还包括与自击穿开关级保持级联关系的负载输出级，所述负载输出级与自击穿开关级的区别在于：没有隔离器件，自击穿开关与储能装置负向输入端之间连接有负载；

各个自击穿开关的击穿电压门限值低于该级的输出电压额定值，并高于前一级的输出电压额定值。

2.如权利要求1所述的基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，其特征在于，所述储能装置为PFN结构，所述PFN结构由N个电感和N+1个电容组成， N个电感串联形成电感串，电感串一端点连接储能装置的正向输入端，所述电感串的全部中间节点和两个端点与储能装置的负向输入端之间均连接有一个电容，所述N为正整数。

3.如权利要求1所述的基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，其特征在于，所述隔离器件为电感。

4.如权利要求1所述的一种基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，其特征在于，所述自击穿开关为氧化锌自击穿开关或半导体自击穿开关。

5.如权利要求4所述的一种基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，其特征在于，所述稳压二极管的反向恢复时间小于1微秒。

6.如权利要求1所述的一种基于全控开关与自击穿开关的全固态Marx发生器，其特征在于，所述全控开关为功率IGBT。