CN109347322A - 一种marx发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MARX发生器，包括直流电源、电感、n个二极管D1a～Dna和多级充放电路(1～n)。其中，第一级充放电路一端经电感与直流电源相连，每级电路之间经二极管D1a～Dna并联，第n级充放电路一端接地，多级充放电路(1～n)的两端用于连接负载。多级充放电路(1～n)中每一级的电路结构相同，第一级电路包括第一储能电容C1、第一开关管S1、第一二极管D1和第一电阻R1。本发明的电路结构简单、成本低，解决短路等故障状态或接入容性负载等情况导致的瞬态电流过大的问题，可靠性高、简单易行，具有重要的工程应用价值。

Description

一种MARX发生器
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，特别涉及一种MARX(马克思)发生器。
背景技术
随着半导体电力电子器件的发展，以及高功率激光、国防军工、污水处理等行业的应用需求，出现了一种全固态MARX发生器技术，全固态MARX发生器采用半导体功率器件作为充放电开关。全固态MARX发生器技术的应用，使得脉冲功率技术的发展向高电压、大电流、快脉冲、高重复频率迈进了一大步，但是在纯容性负载场合由于MARX发生器的输出电压快速上升特性，瞬时电压非常大，所以流经放电回路的瞬态电流非常大，而且在短路等故障状态也会造成瞬时电流很大，容易造成开关器件的损坏而使系统瘫痪，且经常工作在大电流情况下，储能电容器的寿命会大大降低。
目前，为了限制过大的瞬态电流，需要根据实际情况来加入限流电阻或者限流电感对开关管进行保护。而实际情况下负载参数往往不是恒定不变的，而一个固定参数的限流器件很难兼顾输出脉冲上升沿的速度和限流的效果。如果需要达到最好的限流效果并同时实现最快的上升速度则需要根据不同的负载参数选取不同的限流器件参数，但工程实践中限流参数的值都是固定的，因此存在这一局限。
发明内容
本发明是针对MARX发生器在容性负载下由于输出脉冲波形瞬时电压较大或MARX发生器发生短路等故障状态导致很大的瞬态电流，容易造成开关器件的损坏而使系统瘫痪，且经常工作在大电流情况下，储能电容器的寿命会大大降低。
本发明提供一种MARX发生器，包括直流电源、电感、n个二极管D1a～Dna和多级充放电路(1～n)。第一级充放电路一端经电感L与直流电源VDC相连，每级电路之间经二极管D1a～Dna并联，第n级充放电路一端接地，多级充放电路(1～n)的两端用于连接负载。
优选的，n为大于等于2的整数。
所述多级充放电路(1～n)中每一级的电路结构相同。
所述多级充放电路(1～n)中第一级电路包括第一储能电容C1、第一开关管S1、第一二极管D1和第一电阻R1。其中，第一储能电容C1经第一二极管D1与第一开关管S1并联。第一储能电容C1的阳极和第一开关管S1的输入端相连，第一储能电容C1的阴极和第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极接第一电阻R1以及下一级充电电路中第二储能电容C2的阴极，第一开关管S1的输入端经二极管D2a与下一级电路中的第二储能电容C2的阳极相连，第一开关管的控制端和第一二极管D1的负极相连，第一开关管S1的输出端与第一电阻R1串联。
当所述开关管为IGBT时，所述第一储能电容C1的阳极和第一开关管S1的集电极相连，第一储能电容C1的阴极和第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极接第一电阻R1以及下一级充电电路中第二储能电容C2的阴极，第一开关管S1的集电极经二极管D2a与下一级电路中的第二储能电容C2的阳极相连，第一开关管的栅极和第一二极管D1的负极相连，第一开关管S1的发射级与第一电阻R1串联。
当所述开关管为MOSFET时，所述第一储能电容C1的阳极和第一开关管S1的漏极相连，第一储能电容C1的阴极和第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极接第一电阻R1以及下一级充电电路中第二储能电容C2的阴极，第一开关管S1的漏极经二极管D2a与下一级电路中的第二储能电容C2的阳极相连，第一开关管的栅极和第一二极管D1的负极相连，第一开关管S1的源极与第一电阻R1串联。
所述负载可以为容性负载或电路发生短路等故障状态导致瞬态电流增大的情况。
所述开关管所述开关管为电压驱动型半导体开关管。
优选的，所述开关管可以为半导体器件IGBT、MOSFET或三极管。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出了一种MARX发生器，通过给每级充放电路的开关管串联一个电阻，当瞬时电流过大时，在电阻上形成压降，直接关断开关管，阻塞放电回路，放电时，所有器件属于串联关系，任何一个起作用都可以起到保护作用，安全系数极高，解决了MARX发生器在短路等故障状态引起瞬态电流过大的问题；
(2)本发明采用电压型驱动的半导体器件作为开关管，在瞬时电流过大时，开关管可视为可变电阻从而实施开关管的自动限流；
(3)本发明提出了一种MARX发生器，电路结构简单、成本低、可靠性高、简单易行，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明MARX发生器的拓扑结构图；
图2为本发明MARX发生器的充电过程原理示意图；
图3为本发明MARX发生器的放电过程一原理示意图；
图4为本发明MARX发生器的放电过程二原理示意图。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种MARX发生器，包括直流电源VDC、电感L、n个二极管D1a～Dna和多级充放电路(1～n)，其中，
第一级充放电路一端经电感L与直流电源VDC相连，每级电路之间经二极管D1a～Dna并联，第n级充放电路一端接地，多级充放电路(1～n)的两端用于连接负载。
具体的，n为大于等于2的整数。
具体的，多级充放电路(1～n)中每一级的电路结构相同。
具体的，多级充放电路(1～n)中第一级电路包括第一储能电容C1、第一开关管S1、第一二极管D1和第一电阻R1。
实际应用中，开关管包括但不限于IGBT、MOSFET、三极管等电压驱动型半导体开关管。本实施方式中，开关管为半导体器件IGBT。
具体的，第一储能电容C1的阳极和第一开关管S1的集电极相连，第一储能电容C1的阴极和第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极接第一电阻R1以及下一级充电电路中第二储能电容C2的阴极，当所述开关管为IGBT时，第一开关管S1的集电极经二极管D2a与下一级电路中的第二储能电容C2的阳极相连，第一开关管的栅极和第一二极管D1的负极相连，第一开关管S1的发射级与第一电阻R1串联。
具体的，负载可以为容性负载或电路发生短路等故障状态导致瞬态电流增大的情况。
为了进一步阐述本方案，结合图2说明MARX发生器的充电过程，如原理图所示：充电过程中，停止发送驱动脉冲，所有开关管关断。直流电源VDC通过电感L以及二极管D1a～Dna，D1～Dn，和大地形成回路对储能电容C1～Cn进行并联充电，做能量储备。忽略二极管压降，每一个储能电容均被充电至输入电压VDC后充电截止。
为了进一步阐述本方案，结合图3说明MARX发生器的放电过程一，如原理图所示：放电过程中，所有开关管S1～Sn同时打开，储能电容C1～Cn通过开关管S1～Sn被串联起来，开始对负载放电，形成负nVDC的高压，达到需要的脉冲宽度关闭开关管从而形成高压脉冲输出。其中当MARX发生器对负载进行放电时，电流流过，会在R1～Rn上形成压降，从而改变实际加到开关器件集电极上的有效电压，确保放电电流过大时开关管进入线性区，开关管可被视为可变电阻从而实现自动限流。若电流增大到将要损坏开关器件的程度则通过设计串联电阻合适的阻值，其上压降超过所施加的驱动电压大小，从而直接关断开关管，阻塞放电回路，起到保护开关管的作用。由于放电过程中所有器件属于串联关系，相当于在系统中设置了串联n个保险措施，任何一个起作用均可起到保护作用，安全系数极高。
实际应用中，MARX发生器的放电过程存在驱动信号不一致的情况，结合图4说明MARX发生器的放电过程二，如图所示：放电过程中驱动信号不一致时，会造成每级充放电路的开关管不同步开通，即开关管S2～Sn先导通，开关管S1后导通，S2～Sn先被串联起来对负载放电，达到需要的脉冲宽度关闭开关管，开关管S1后被串联起来实现关断。但是由于MARX发生器的结构特点即使存在所有开关管不同步开通关断，慢导通的开关S1对应的二极管D2a会承受正压导通因此形成放电回路，从而保护开关管不会因承受高压被击穿损坏。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种MARX发生器，其特征在于：包括直流电源、电感、n个二极管D1a～Dna和多级充放电路(1～n)；
所述第一级充放电路一端经所述电感与所述直流电源相连，每级电路之间经所述二极管D1a～Dna并联，第n级充放电路一端接地，所述多级充放电路(1～n)的两端用于连接负载；
n为大于等于2的整数。
2.根据权利要求1所述MARX发生器，其特征在于，所述多级充放电路(1～n)中每一级的电路结构相同。
3.根据权利要求2所述MARX发生器，其特征在于，所述多级充放电路(1～n)中第一级电路包括第一储能电容C1、第一开关管S1、第一二极管D1和第一电阻R1；
所述第一储能电容C1的阳极和第一开关管S1的输入端相连，第一储能电容C1的阴极和第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极接第一电阻R1以及下一级充电电路中第二储能电容C2的阴极，第一开关管S1的输入端经二极管D2a与下一级电路中的第二储能电容C2的阳极相连，第一开关管的控制端和第一二极管D1的负极相连，第一开关管S1的输出端与第一电阻R1串联。
4.根据权利要求3所述MARX发生器，其特征在于，当所述开关管为IGBT时，所述第一储能电容C1的阳极和第一开关管S1的集电极相连，第一储能电容C1的阴极和第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极接第一电阻R1以及下一级充电电路中第二储能电容C2的阴极，第一开关管S1的集电极经二极管D2a与下一级电路中的第二储能电容C2的阳极相连，第一开关管的栅极和第一二极管D1的负极相连，第一开关管S1的发射级与第一电阻R1串联。
5.根据权利要求3所述MARX发生器，其特征在于，当所述开关管为MOSFET时，所述第一储能电容C1的阳极和第一开关管S1的漏极相连，第一储能电容C1的阴极和第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极接第一电阻R1以及下一级充电电路中第二储能电容C2的阴极，第一开关管S1的漏极经二极管D2a与下一级电路中的第二储能电容C2的阳极相连，第一开关管的栅极和第一二极管D1的负极相连，第一开关管S1的源极与第一电阻R1串联。
6.根据权利要求1所述MARX发生器，其特征在于，所述负载为容性负载或电路发生短路等故障状态导致瞬态电流增大的情况。
7.根据权利要求3所述MARX发生器，其特征在于，所述开关管S1～Sn为电压驱动型半导体开关管。
8.根据权利要求7所述MARX发生器，其特征在于，所述开关管为IGBT、MOSFET或三极管。
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