基于MARX原理的脈沖功率源技術

1、目錄目錄1. 固態(tài)開關應用于脈沖功率的幾個關鍵技術問題固態(tài)開關應用于脈沖功率的幾個關鍵技術問題 2. 固態(tài)開關脈沖電壓疊加技術固態(tài)開關脈沖電壓疊加技術3. 固態(tài)開關脈沖壓縮和陡化技術固態(tài)開關脈沖壓縮和陡化技術4. 大電流固態(tài)開關在脈沖功率應用發(fā)展趨勢大電流固態(tài)開關在脈沖功率應用發(fā)展趨勢1. 固態(tài)開關應用于脈沖功率固態(tài)開關應用于脈沖功率幾個關鍵技術問題幾個關鍵技術問題固態(tài)開關應用于脈沖功率的優(yōu)勢固態(tài)開關應用于脈沖功率的優(yōu)勢可靠性高，穩(wěn)定1使用壽命長2附加設備少，基本免維護3較高的重復頻率4新型半導體脈沖功率器件的特性比較新型半導體脈沖功率器件的特性比較現有的半導體開關參數現有的半導體開關參數器件

2、類型器件類型電壓電壓電流電流額定頻率額定頻率額定功率額定功率上升沿上升沿脈寬脈寬SCR6 kV3.5 kA300 Hz100s MW500 A/s10 msGTO4.5 kV3 kA500 Hz10s MW1 kA/s1 msIGCT6 kV6 kA1 kHz100s MW2 kA/s1 msBJT1.2 kV800 A10 kHz1 MW1 kA/s1 sMOSFET1.2 kV50 A1 MHz100 kW2 kA/s200 nsIGBT3.3 kV400 A20 kHz100s kW1 kA/s600 nsSIT1.2 kV300 A100 kHz10s kW1 kA/s500 nsSI

3、TH1.5 kV300 A10 kHz10s kW500 A/s1 sMCT3 kV2 kA20-100 kHz10s kW1 kA/s500 nsThyristorGTO固態(tài)半導體器件作為脈沖功率系統(tǒng)主開關存在的問題上升沿慢上升沿慢通流能力有限通流能力有限單個器件耐壓低單個器件耐壓低脈沖電壓疊加脈沖電壓疊加技術技術固態(tài)開關幾個關鍵技術問題固態(tài)開關幾個關鍵技術問題脈沖壓縮與陡化脈沖壓縮與陡化技術技術脈沖大電流技術脈沖大電流技術脈沖電壓疊加技術脈沖電壓疊加技術開關串聯全固態(tài)Marx感應電壓疊加脈沖變壓器脈沖放電半導體開關兩個重要參數半導體開關在脈沖功率應用的兩種方式半導體開關在脈沖功率應用的兩種

4、方式二、固態(tài)開關脈沖電壓疊加技術二、固態(tài)開關脈沖電壓疊加技術2-1、固態(tài)開關代替氣體開關的、固態(tài)開關代替氣體開關的產生脈沖電壓產生脈沖電壓固態(tài)開關：BJT、MOSFET、 IGBT 、SCR 、GTO、 IGCT2-1、固態(tài)開關直接串聯、固態(tài)開關直接串聯開關直接串聯存在的問題開關直接串聯存在的問題承受關斷時的直流高壓高壓擊穿危險，開關之間需加均壓保護同時觸發(fā)導通，同時關斷 2-1、通過二極管鉗位的固態(tài)開關串聯、通過二極管鉗位的固態(tài)開關串聯脈沖電壓疊加脈沖電壓疊加課后思考題：該電路如何工作？嵌位二極管如何設計？傳統(tǒng)氣體開關的MARX發(fā)生器基于基于MARX 原理的升壓電路原理的升壓電路充電時間常數

5、： Tc = R1+ n *R* n * C放電時要求：C* R = (1020) C/n * RL 氣體開關氣體開關MARX 發(fā)生器發(fā)生器并聯充電串聯放電氣體開關氣體開關Marx發(fā)生器發(fā)生器V0RLC1C2C3C4氣體開關氣體開關Marx發(fā)生器原理發(fā)生器原理V0RLC1C2C3C4固態(tài)開關固態(tài)開關Marx發(fā)生器發(fā)生器V0RLC1C2C3C4采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器FWHM 200 nsTrise 40 nsTfall 80 ns采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器V0RLC1C2C3C4+-+-+-+-采用采用MOSFE

6、T的的Marx發(fā)生器發(fā)生器V0RLC1C2C3C4+-+-+-+-采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器V0RLC1C2C3C4+-+-+-+-采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)生器MOSFET Gate Voltage采用采用MOSFET的的Marx發(fā)生器發(fā)

7、生器MOSFET Gate Voltage固態(tài)開關MARX發(fā)生器相關技術 驅動負載類型 輸出電壓極性 充電隔離 波形調節(jié) 開關驅動 短路保護 輸出波形特性固態(tài)開關固態(tài)開關Marx發(fā)生器負載能力發(fā)生器負載能力電阻 - C對R 放電電容 - C1對C2充電電感 - C 對 L 諧振 或 C驅動變壓器等離子體放電間隙（電弧放電）- 短路保護介質阻擋間隙負載 - 充電+放電截止負載單極性全固態(tài)單極性全固態(tài)Marx電路電路: 電感隔離電感隔離采用分布式限流電感進行充電、放電隔離采用集中式限流電感進行充電、放電隔離負脈沖電路正脈沖電路負脈沖電路分布式電感隔離分布式電感隔離Marx 發(fā)生器發(fā)生器集中式電感隔

8、離型集中式電感隔離型Marx 發(fā)生器發(fā)生器半導體開關隔離固態(tài)半導體開關隔離固態(tài)Marx發(fā)生器發(fā)生器 采用半導體開關進行充電、放電隔離正脈沖電路負脈沖電路變壓器隔離充電變壓器隔離充電Marx 發(fā)生器發(fā)生器雙極性全固態(tài)雙極性全固態(tài)H-半橋半橋和和H-全橋逆變式電壓疊加器全橋逆變式電壓疊加器雙極性全固態(tài)雙極性全固態(tài)H-半橋和半橋和H-全橋電路全橋電路半橋級聯電路全橋級聯電路多電平級聯式逆變器多電平級聯式逆變器雙極性全固態(tài)雙極性全固態(tài)Marx電路：半導體開關隔離電路：半導體開關隔離 半橋電路b)全橋電路隔離充電型全固態(tài)脈沖疊加器：單向脈沖隔離充電型全固態(tài)脈沖疊加器：單向脈沖 正向脈沖產生電路 負向脈沖

9、產生電路隔離充電型全固態(tài)脈沖疊加器：雙向脈沖隔離充電型全固態(tài)脈沖疊加器：雙向脈沖 半橋脈沖疊加器b)全橋脈沖疊加器-2500-2000-1500-1000-50005001000150020002500 50 100 150 Output Voltage (V)Time (50 ns/div) 隔離充電全固態(tài)雙向脈沖疊加器隔離充電全固態(tài)雙向脈沖疊加器全固態(tài)全固態(tài)Marx發(fā)生器驅動及短路保護發(fā)生器驅動及短路保護固態(tài)固態(tài)Marx 發(fā)生器波形調節(jié)發(fā)生器波形調節(jié) 電壓過沖和上升沿校正電壓過沖和上升沿校正基于基于IGBT的單極性全固態(tài)的單極性全固態(tài)Marx發(fā)生器發(fā)生器048121620 Load vol

10、tage (kV)Time (500ns/div)輸出電壓上升、頂降及下降沿的影響因素輸出電壓上升、頂降及下降沿的影響因素 頂降 開關速度+ 回路電感 驅動信號的同步性 回路雜散電感和分布電容 U = i t/C輸出脈沖電壓頂降與電容關系輸出脈沖電壓頂降與電容關系固態(tài)開關MARX發(fā)生器分布電容及波形截尾技術 分布電容既影響上升沿； 也影響下降沿！固態(tài)MARX發(fā)生器驅動介質阻擋放電固態(tài)開關MARX發(fā)生器波形截尾技術 Logo脈寬、幅值可調方波高壓脈沖脈寬、幅值可調方波高壓脈沖Logo雙極性半橋固態(tài)雙極性半橋固態(tài)Marx發(fā)生器電路分析發(fā)生器電路分析Logo雙極性半橋固態(tài)雙極性半橋固態(tài)MARX電路電

11、路Logo2: Negative switches1: Positive switches正負脈沖極性工作模式正負脈沖極性工作模式Logo充電開關及放電開關工作模式充電開關及放電開關工作模式Logo雙極納秒脈沖源雙極納秒脈沖源Lan Gao，etc. “All solid-state pulsed adder with bipolar high voltage fast narrow pulsed output” IEEE Trans.on Dielectrics and Electrical Insulation，June 2011, Vol. 18, No.3. pp775-782Logo

12、負載參數對輸出波形的影響負載參數對輸出波形的影響Logo獲得窄脈沖獲得窄脈沖移相控制技術移相控制技術Logo獲得窄脈沖的移相控制技術獲得窄脈沖的移相控制技術LogoLogo獲得較窄脈沖方波獲得較窄脈沖方波固態(tài)固態(tài)Marx發(fā)生器和磁開關結合的發(fā)生器和磁開關結合的脈沖壓縮與陡化技術脈沖壓縮與陡化技術磁脈沖壓縮的基本原理磁脈沖壓縮的基本原理電壓時間0多級磁脈沖壓縮電路磁脈沖壓縮電路中各級電容和負載上的電壓波形一級磁脈沖壓縮的數值計算一級磁脈沖壓縮的數值計算rs2rru()/(/)r0r0 02( )( )1 (1) t tLRRtttt Lv tv tVettV 假設：假設：輸入電壓上升時間1 s不

13、飽和電感1000 H飽和電感1 H負載電阻100 基于磁開關和全固態(tài)基于磁開關和全固態(tài)Marx的的脈沖壓縮與陡化電路：一級磁脈沖壓縮脈沖壓縮與陡化電路：一級磁脈沖壓縮優(yōu)點：優(yōu)點：1、開關損耗減少，軟開關工作狀態(tài)；2、減少開關過流損壞；3、脈寬壓縮缺點：缺點：1、增加了飽和電感二級磁脈沖壓縮二級磁脈沖壓縮實驗結果實驗結果048121620 CP=0.5 nFCP=0.67 nFCP=1 nF CP=2 nF048121620 048121620 048121620 Load voltage (kV)Time (500 ns/div)不同的銳化電容對負載電壓波形的影響(1)(2)(3)(4)重頻實驗結果重頻實驗結果051015202530R=2 kTime (500 ns/div)Votage on the resistor R (kV) 051015202530R=70 R=140 R=285 051015202530 051015202530 負載電阻對負載電壓的影