第 3 1 卷 第 1 期 2014 年 1 月 深 圳 大 学 学 报 理 工 版 JUNAL F SHENZHEN UNIVESITY SCIENCE AND ENGINEEING Vol. 31 No.1 Jan. 2014 光 电 工 程 / ptoelectronic Engineering> 一 种 纳 秒 前 沿 的 负 高 压 脉 冲 产 生 电 路 赵 鑫 1, 2, 张 东 方 3, 刘 进 元 3 1) 西 安 交 通 大 学 电 气 工 程 学 院, 西 安 710049; 2) 西 北 电 网 有 限 公 司, 西 安 710048; 3) 深 圳 大 学 光 电 工 程 学 院, 深 圳 518060 摘 要 : Marx 发 生 器 是 一 种 广 泛 应 用 的 高 压 脉 冲 电 源, 由 高 储 能 密 度 低 电 感 的 电 容 器 和 电 子 开 关 组 成, 利 用 电 容 充 放 电 方 式 产 生 高 压 脉 冲. 本 研 究 通 过 分 析 经 典 M arx 发 生 器 的 充 放 电 特 性, 提 出 一 种 基 于 功 率 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 管 ( metal-oxide-semiconductor field -effect transistor, MSFE' 凹 1 盯 I 方 法. 测 试 结 果 表 明, 该 电 路 在 所 加 直 流 电 压 为 1 500 V 时, 能 够 产 生 幅 度 为 2 倍 于 直 流 供 电 电 压, 下 降 沿 小 于 1 0 ns 的 负 高 压 脉 冲. 关 键 词 : 脉 冲 功 率 技 术 ; Marx 发 生 器 ; 电 子 开 关 ; 功 率 MSFE 凹 盯 r 1 I 中 图 分 类 号 : TM 8 盼 9 文 献 标 志 码 : A dωoi 七 : 1ωo. 3724/SP. J. 1 口 24 付 9.2014.01030 A design of negative high voltage nanosecond pulse circuit Zhao Xin 1,2, Zhang Dongfang 3, and Lin Jinynan 3t 1) School of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, P.. China 2) Northwest China Grid Company Ltd, Xi'an 710048, P.. China 3) College of ptoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.. China Abstract: Marx generator is widely used in the high-voltage pulse generation which consists of electronic switches and capacitors with low inductance and high energy density. The high voltage pulse is generated while the capacitors charge and discharge through the electronic switches. The charging and discharging characteristics of classic Marx generator is simulated in this paper while the power metal-oxide-semiconductor field -effect transistors are used as the electronic switches. Tests show that the circuit can produce a negative high voltage pulse, the amplitude of which is twice that of the applied DC voltage of 1 500 V and the falling time is less than Ins. Key words: pulse power technology; Marx generator; electronic switch; power MSFET; negative high voltage pulse; nanosecond rising time eceived: 2013-09-23; Accepted: 2013-12-09 Foundation: National High-Tech esearch and Development Program of China (201 ***019) t Corresponding author: Professor Liu Jinyuan. E-mail: ljy@szu.edu.cn Citation: Zhao Xin, Zhang Dongfang, Liu Jinyuan. A design of negative high voltage nanosecond pulse circuit [J J. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2014, 31 (1) : 30-34. (in Chinese)
第 1 期 赵 鑫, 等 : 一 种 纳 秒 前 沿 的 负 高 压 脉 冲 产 生 电 路 31 脉 冲 功 率 技 术 是 把 较 小 功 率 的 能 量 以 较 长 时 间 输 入 到 储 能 设 备 中, 将 储 存 的 能 量 通 过 器 件 进 行 压 缩 与 转 换, 然 后 在 极 短 时 间 ( 最 短 可 为 纳 秒 ) 以 极 高 功 率 密 度 向 负 载 释 放 的 电 物 理 技 术. 目 前 脉 冲 功 率 技 术 除 应 用 在 核 爆 炸 模 拟 受 控 核 聚 变 实 验 和 强 流 粒 子 束 加 速 器 等 重 要 防 科 技 领 域 外, 还 广 泛 用 于 等 离 子 体 注 入 烟 气 脱 硫 污 水 处 理, 以 及 极 限 条 件 下 材 料 电 学 性 能 研 究 及 改 性 等 工 业 领 域 [ 山 J. Marx 发 生 器 以 高 储 能 密 度 和 低 电 感 的 电 容 器 组 为 主 体 构 架, 利 用 电 容 充 放 电 的 方 式 产 生 指 数 衰 减 型 高 压 脉 冲 [ 叫, 其 不 仅 可 用 于 电 力 系 统 中 冲 击 电 压 试 验 研 究 设 备, 而 且 可 作 为 高 压 脉 冲 功 率 源, 用 于 脉 冲 功 率 技 术 高 能 物 理 及 电 工 学 等 领 域 [ 5J 目 前 采 用 Marx 结 构 脉 冲 发 生 器 的 开 关 元 件 主 要 选 用 高 压 火 花 隙 与 绝 缘 栅 型 双 极 性 晶 体 管 ( insu late d gate bipolar transistor, IGBT ) [ 6 ], 采 用 这 些 元 件 能 获 得 很 高 脉 冲 电 压, 但 脉 冲 前 沿 时 间 比 较 慢. 本 研 究 采 用 开 关 时 间 小 于 1 0 ns 的 功 率 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 管 (metal-oxide-semiconductor field -effect transistor, MSFET) 作 为 开 关 元 件, 为 获 得 更 高 的 输 出 脉 冲 电 压, 将 4 只 功 率 M SFET 串 联 作 为 单 元 开 关 使 用, 研 制 一 种 纳 秒 级 前 沿 的 负 高 压 脉 冲 发 生 器. 1 电 路 原 理 及 结 构 分 析 1.1 经 典 Marx 发 生 器 Marx 发 生 器 是 一 种 利 用 电 容 充 放 电 的 高 压 装 置, 其 能 模 仿 雷 电 及 操 作 过 电 压 等 过 程, 因 此, 常 用 于 绝 缘 冲 击 耐 压 及 介 质 冲 击 击 穿 与 放 电 等 试 验. 经 典 M arx 发 生 器 通 常 指 电 阻 隔 离 型 M arx 电 路, 又 称 为 冲 击 电 压 发 生 器. 其 基 本 工 作 原 理 是 储 能 电 容 先 并 联 充 电, 后 通 过 开 关 技 术 改 变 电 路 结 构 使 电 容 串 联 同 时 放 电, 从 而 使 电 压 倍 增 来 获 得 较 高 的 脉 冲 电 压. 其 基 本 电 路 结 构 如 图 1.?" 司 n + U C 1 SW 1 C2S~; ru 43 CSWIz-? 上 C SWFZ n-l T '-An 负 载 图 1 Marx 发 生 器 基 本 路 Fig.l Basic circuit of 岛 larx generator 1.2 调 制 开 关 的 器 件 选 择 脉 冲 功 率 技 术 的 核 心 器 件 是 调 制 开 关, 开 关 元 件 的 参 数 和 特 性 对 脉 冲 的 上 升 时 间 与 幅 值 等 会 产 生 直 接 影 响. 传 统 大 功 率 调 制 器 一 般 采 用 真 空 电 子 管 作 为 脉 冲 开 关, 在 效 率 寿 命 和 重 频 等 方 面 受 到 限 制. 半 导 体 器 件 具 有 效 率 高 体 积 小 及 寿 命 长 的 优 点, 弥 补 了 这 些 不 足. 随 着 半 导 体 器 件 的 发 展, 尤 其 是 M SFET 和 IGBT 大 功 率 固 态 器 件 的 逐 步 成 熟, 功 率 半 导 体 开 始 被 广 泛 用 于 高 功 率 脉 冲 电 源 [ 7J 功 率 M SFET 以 其 抗 干 扰 能 力 强 易 驱 动, 尤 其 是 开 关 频 率 高 稳 定 性 好, 被 广 泛 用 于 超 快 脉 冲 的 研 究 中. 本 设 计 要 求 纳 秒 级 前 沿, 选 用 功 率 M SFET 也
32 深 圳 大 学 学 报 理 工 版 第 3 --L 1 卷 正 基 于 此. 由 于 一 般 功 率 M SFET 的 击 穿 电 压 小 于 1 kv, 叶 因 此, 单 个 功 率 M SFET 调 制 器 的 承 载 电 压 幅 度 不 JF 会 超 过 1 kv, 这 就 限 制 了 充 电 电 容 的 电 压. 将 功 率 MSFET 按 一 定 方 式 串 联, 可 使 电 容 得 到 更 高 的 电 压, 故 级 联 后 的 调 制 器 就 可 获 得 较 高 的 电 压 脉 冲. 1.3 驱 动 电 路 提 高 脉 冲 的 前 沿 时 间, 关 键 在 于 快 速 开 启 和 关 断 调 制 开 关. 而 开 关 的 频 率 快 慢 取 决 于 功 率 MS FET 的 导 通 和 截 止 时 间. 在 分 析 功 率 MSFET 输 入 和 输 出 特 性 的 基 础 上, 为 使 电 路 快 速 触 发 导 通, 必 须 有 能 提 供 足 够 大 输 出 电 流 的 驱 动 电 路. 驱 动 电 路 采 用 推 挽 式 驱 动 方 式, 由 一 对 NPN 和 PNP 型 MS FET 组 成, 根 据 互 补 管 的 容 量, 可 提 供 0.5 ----2.0 A 的 源 ( 拉 ) 电 流 及 灌 电 流 [ 8], 其 电 路 如 图 2. 大 电 流 驱 动 可 以 提 高 开 关 速 度, 增 加 驱 动 功 率 [ 8J 此 外, 功 率 M SFET 管 采 用 射 极 跟 随 的 工 作 方 式 避 免 饱 和, 导 通 时 较 大 的 驱 动 电 流 输 出, 关 断 时 为 栅 极 电 容 提 供 低 电 阻 的 放 电 路. N 川 Z I t ~Vl I 飞 图 2 Fig. 2 1.4 二 级 脉 冲 电 路 GND 推 挽 式 驱 动 电 路 Driver circuit M 2 M 4 TI 第 1 级 功 率 MSFET 串 联 脉 冲 电 路 如 图 3 左 半 部 分. 其 中, 电 阻 起 均 压 作 用, 稳 压 二 极 管 起 保 护 作 用, 电 感 起 稳 定 输 入 电 压 与 电 路 电 流 的 作 用, 电 容 起 同 时 导 通 功 率 M SFET 的 作 用. 号, 其 电 路 原 理 为 : 未 触 发 时, 4 T 凡 是 触 发 信 个 串 联 的 功 率 MSFET 因 并 联 的 电 阻 相 等 而 使 其 漏 - 源 间 电 压 相 hr 制 W-K HFH U, 卢! J a 叫 ω D 4 3 2 第 2 级 电 路 1c4 200pF nlro Z J f 问 u C 6 AV pii 470pF C 7 330pF T 1 1 触 发 脉 冲 输 入 第 1 级 电 路 D Q C 9 2 - 一 tf2 脉 冲 输 出 f o 470μH 0 Fig.3 图 3 2 级 电 路 原 理 图 Schematic diagram of 2-stage circuit
第 1 期 赵 鑫, 等 : 一 种 纳 秒 前 沿 的 负 高 压 脉 冲 产 生 电 路 33 等, 电 容 端 电 压 也 自 下 而 上 依 次 升 高 ; 触 发 信 号 先 使 M 1 导 通, D 1 端 电 压 拉 低, D 12 反 向 击 穿 ( 稳 压 值 高 于 M S 管 的 导 通 电 压 ), 与 之 并 联 的 M 2 栅 源 电 压 瞬 间 升 高 并 导 通, 这 样 依 次 导 通 M 3 和 吨, D 4 电 压 瞬 间 接 近 于. 由 于 电 容 两 端 的 电 压 不 能 突 变, C 8 的 另 一 端 1 即 产 生 一 个 负 高 压 脉 冲. 图 3 右 半 部 分 是 设 计 的 第 2 级 串 联 脉 冲 电 路, 其 中 凡 是 外 接 电 阻, HV 是 外 加 直 流 电 源, T 即 是 上 一 级 C 4 的 输 出 负 脉 冲, 其 余 和 第 1 级 类 似 的 电 阻 电 容 电 感 和 稳 压 二 极 管 起 同 样 作 用. 电 路 原 理 为 : T 信 号 是 直 流 信 号 时, 电 容 都 充 电, 容 量 与 所 并 联 的 电 阻 成 正 比 ; 当 它 变 为 负 脉 冲 时, D 2 1 将 被 反 向 击 穿, M 5 导 通, 民 的 电 位 被 拉 低 ( 接 近 S 5 电 位 ), D 22 也 因 承 载 反 向 电 压 而 反 向 击 穿, 同 样 M 6 导 通, 依 次 M7 和 M8 接 连 导 通, C 9 的 另 一 端 2 就 会 出 现 一 个 负 高 压 脉 冲. 2 电 路 仿 真 rcad 是 世 界 上 使 用 最 广 的 电 子 系 统 设 计 自 动 化 ( e le c tron i c design automation, EDA) 软 件, 相 对 于 其 他 E DA 软 件 而 言, 含 有 很 多 强 大 的 功 能 模 块. rcad Capture 在 一 个 简 单 直 观 的 原 理 图 编 辑 界 面 中 提 供 层 次 式 电 路 和 平 坦 式 电 路 两 种 原 理 图 绘 制 方 式, 可 以 快 速 直 观 地 完 成 原 理 图 设 计 与 绘 制. 元 件 信 息 系 统 ( c omp on ent information system, CIS) 与 Capture 原 理 图 输 入 技 术 相 结 合, 能 够 对 元 件 进 行 有 效 管 理, 减 少 设 计 师 查 找 元 件 内 容 和 维 护 元 件 数 据 的 时 间. CIS 还 可 以 让 外 部 源 数 据 与 原 理 图 设 计 数 据 同 步, 自 动 生 成 B M 报 表. rcad Capture 与 rcad PCB Editor 的 高 度 集 成, 可 以 实 现 原 理 图 与 电 路 板 之 间 的 同 步 交 互 式 布 局, 使 两 者 保 持 一 致. 在 发 生 任 何 的 引 脚 互 换 以 及 元 件 名 称 或 值 发 生 改 变 时, PCB 都 可 以 反 标 注 到 原 理 图 中. 为 验 证 M arx 固 态 脉 冲 调 制 器 电 路 原 理 的 正 确 性, 通 过 软 件 rc AD PSpice elease 10.5 对 电 路 进 行 仿 真 调 试 与 验 证. 当 所 加 直 流 电 压 为 1. 5 kv, 驱 动 电 路 所 加 单 次 脉 冲 宽 度 为 1 00 ns, 幅 度 为 10 V 时, 电 路 输 出 的 脉 冲 图 像 如 图 4, 显 示 幅 度 为 -3 kv. - 4 \ 剧 时 居 0.85-1. 00-2.00 E.. 圄 圄.. 画 噩 噩 liiiiiiili 噩 噩 噩 噩... 画 画 画 噩 噩 噩.. -.. - 噩 噩 -3.00 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 t/ μs Fig.4 图 4 2 级 Marx 发 生 器 仿 真 输 出 波 形 图 Simulation waveform output of2-stage Marx generator 3 电 路 测 试 实 际 测 试 条 件 为 脉 冲 幅 度 1 0 V, 脉 宽 100 ns, 所 加 直 流 电 压 1 500 V, 驱 动 电 路 电 源 10 V. 采 用 安 捷 伦 公 司 D S06 1 04 型 四 通 道 示 波 器, 以 及 Tek tronix 公 司 P6015A 衰 减 探 头 ( 衰 减 比 为 1 000 : 1) 进 行 测 试. 图 5 为 输 出 脉 冲 波 形. 可 见, 其 幅 度 约 为 - 3 kv, 脉 宽 约 为 1 3 0 ns. 脉 冲 下 降 沿 时 间 约 为 7 ns, 测 量 结 果 如 图 6.
34 深 圳 大 学 学 报 理 工 版 第 3 1 卷 基 金 项 目 : 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ( 20 1 ***019) 作 者 简 介 : 赵 鑫 ( 1 9 84 - ), 男 ( 汉 族 ), 陕 西 省 西 安 市 人, 西 安 交 通 大 学 博 士 研 究 生. E-mail: zhaoxini2345@163.com 引 文 : 赵 鑫, 张 东 方, 刘 进 元. 一 种 纳 秒 前 沿 的 负 高 压 脉 冲 产 生 电 路 [ J J. 深 圳 大 学 学 报 理 工 版, 2014, 31 ( 1 ) : 30-34. 参 考 文 献 / eferences: [ 1 ] Hu Xiaotu. Experimental esearch of AC/DC Streamer Plasmas in Flue Gas Desulfurization [D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2007. (in Chinese) 胡 小 吐. AC/DC 流 光 放 电 等 离 子 体 烟 气 脱 硫 实 验 研 究 结 语 图 5 实 际 测 试 的 脉 冲 幅 度 图 Fig. 5 Measurement result of pulse amplitude 图 6 测 试 脉 冲 的 下 降 沿 图 Fig. 6 Measurement result of pulse falling time 本 研 究 运 用 Marx 基 本 原 理, 设 计 并 实 现 一 种 结 构 简 单 易 于 实 现 的 2 级 基 于 功 率 MSFET 的 固 态 脉 冲 调 制 器. 当 加 入 脉 宽 为 1 00 ns 的 触 发 脉 冲 时, 可 产 生 的 脉 冲 幅 值 最 高 达 -3 kv, 脉 冲 宽 度 100 ns 左 右, 且 可 以 得 到 幅 度 小 于 3 kv 的 负 高 压 脉 冲, 整 个 系 统 运 行 稳 定 可 靠, 达 到 设 计 要 求. 可 以 进 一 步 增 加 级 数 来 获 得 更 高 的 脉 冲 幅 度, 但 要 增 加 功 率 M SFET 保 护 电 路. 采 用 功 率 M SFET 作 为 脉 冲 发 生 器 调 制 开 关, 完 全 可 满 足 脉 冲 要 求 前 沿 比 较 快 的 中 小 功 率 应 用 场 合. [D]. 北 京 : 北 京 交 通 大 学,2007. [ 2 ] Yan Keping. A high-voltage pulse generator for corona plasma generation Application, 2002, 38 (3) : 866-872. [J]. IEEE Transactions on Industry [ 3] Gregory K, Stevenson P, Burke. Four-stage Marx generator using thyristors [J]. eview of Scientific Instruments, 1998, 69 (11): 3996-3997. [ 4 ] Wa 吨 Ying. High Power Pulse Power [M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1991. (in Chinese) 王 莹. 高 功 率 脉 冲 电 源 [ M ]. 北 京 : 原 子 能 出 版 丰 士, 1991. [ 5] Ze 吨 Zhe 吨 zho 吨. An Introduction to Practical Pulse Power Technology [M]. Xi'an: Shaanxi Science Publishing House, 2003. (in Chinese) 曾 正 中. 实 用 脉 冲 功 率 技 术 引 论 [ M ]. 西 安 : 陕 西 科 学 出 版 杜, 2003. [ 6 ] Zhang Bingren, Wa 吨 Yujie, Fan Zhaoxin. Design of Marx generator based on IGBT [J]. High Voltage Engineering, 2008, 34 (6) : 1184-1188. (in Chinese) 张 秉 仁, 王 玉 杰, 樊 兆 欣. 一 种 基 于 IGBT 的 Marx 发 生 器 的 研 制 [ J ]. 高 电 压 技 术, 2008, 34 ( 6 ): 1184 1188. [ 7 ] Kim J, yu M, Min B, et a1. High voltage pulse power supply using Marx generator & solid-state switches [C] II The 31st IEEE Industrial Electronics Society Conference. Carolina (USA): IEEE Press, 2005: 1244-1247. [ 8 ] Cheng Chuanyu. Design and Manufacture of Electronic Energy-saving Lamps and Electronic Ballasts [M]. Beijing: People's Posts and Telecommunications Publishing House, 2009: 164. 陈 传 虞. 电 子 节 能 灯 与 电 子 镇 流 器 设 计 与 制 造 [ M ]. 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社, 2009: 164. 中 文 责 编 : 方 圆 ; 英 文 责 编 : 卫 栋