基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制

发布时间：2020-04-19 17:34

【摘要】：针对不同应用领域中负载阻抗的多样性,研制一种基于Marx和直线型变压器驱动源(LTD)拓扑的复合模式脉冲源。该脉冲源包含4个LTD模块,且每个LTD模块由1个3级Marx电路组成。其主要优点是可以降低对隔离电源模块、触发同步性的要求,负载适应能力强,并且可使脉冲装置小型化。首先对该脉冲源拓扑结构和参数进行设计和理论计算,并采用PSpice软件验证其可行性,最后研制复合模式脉冲源的样机并测试其性能。该脉冲源采用MOSFET作为主开关,二极管作为隔离元件,用含锁相环功能的现场可编程门阵列(FPGA)产生控制信号。该脉冲源的输出脉冲参数:幅值为0~8 kV,脉宽为60~160 ns,脉宽步进可达1 ns,重复频率为1 kHz,上升沿约10 ns。通过FPGA产生相移控制信号对该脉冲源的每级进行单独控制,可实现对输出脉冲上升沿和下降沿的灵活调节。脉冲源采用模块化设计,可以通过增加模块数量方便地提高最大输出电压。
【图文】：

结构框图,脉冲源,结构框图

3090电工技术学报2018年7月Keywords：Pulsegenerator,Marx,lineartransformerdriver,solid-stateswitch,field-programmablegatearray,phaselockedloop0引言近年来，随着脉冲功率技术的快速发展和应用领域的不断拓宽，脉冲源在生物电脉冲治疗[1,2]、食品加工[3]、水处理[4]、等离子体产生[5]等领域的需求日渐增大。不同脉冲功率应用对脉冲源的要求有所不同，但总体趋势是要求脉冲源具有更高的输出电压、更快的脉冲前沿和更高的重复频率，同时具有灵活的调节方式和较宽的适用范围。传统的脉冲源采用气体火花开关[6]、真空开关等器件作为脉冲形成电路的主开关，但由于此类开关的间隙恢复时间较长，使得其输出频率较低，且由于其不能可控关断从而很难产生方波脉冲和调节输出脉冲波形。近年来，，半导体固态开关器件[7,8]在脉冲功率领域得到了广泛应用。采用固态开关的脉冲源可以获得更高的重复频率[9]，并可通过改变控制方式得到多种波形[10]。脉冲源的基本原理是将较长时间储存的能量在较短的时间或较小的空间内释放[11]。脉冲的主要产生方式有微带传输线[12]、磁开关压缩[13]、Marx电路[14]、直线型变压器驱动源（LinearTransformerDriver,LTD）电路[11]等。这些模式的脉冲源都有各自的优缺点和适用范围。例如微带传输线脉冲源可以适用于大电流的方波脉冲输出，但其需要较长的传输线来产生较长脉宽的脉冲，并且其对于脉宽的调节只能通过改变传输线的长度来实现，不适用于需要灵活脉宽的应用。磁开关脉冲源虽可获得较窄的脉冲[15]，但磁压缩开关之间的相互配合却比较困难，导致磁开关脉冲源不能灵活调节输出脉冲参数，限制了其应用范围。Marx电路采用并联充电、串联放电的形式[14,16]，从而可实现高压脉冲的输出。Marx电路

输出波形,脉冲源,工作原理,电路

第33卷第13期王昌金等基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制3091图2复合模式脉冲源的电路Fig.2Thecircuitofthemixedpulsegenerator1.2工作原理如图3所示，在充电过程中，每个MOSFET处图3复合模式脉冲源基本工作原理Fig.3Basicworkprincipleofthemixedpulsegenerator于关断状态，外接高压直流电源通过二极管对所有电容进行充电。各电容电压均等于直流电源电压，即DC11121343====CCCCV=VVVV（1）式中，VDC为高压直流电源的输出电压；C11V为电容C11的电压，其余参数依此类推。如图3b所示，放电过程，所有MOSFET在同一时刻导通，所有二极管都处于反向截止状态，使得所有电容串联并对外放电。每个Marx模块输出的脉冲电压均作用于LTD电路中磁心的初级绕组上，再通过LTD电路中磁心的次级绕组叠加并输出至负载。最终的输出电压为outDCVmnV=（2）式中，m为每个LTD模块中Marx电路的级数；n为复合模式脉冲源含有的LTD的模块数目。在放电过程中，如果某级Marx电路的MOSFET没有正常导通，电流会流过与该MOSFET同级的二极管，从而对该未正常导通的MOSFET提供钳位保护，如图3c所示。同时，Marx电路的这种特性也可以用来实现对输出波形的灵活调节。复合模式脉冲源需要一个准确、灵活并且易于调节的控制系统。现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）不同于其他微处理器，其具有出色的并行执行能力，所以适用于进行时序控制。一些FPGA内部集成了锁相环（PhaseLockedLoop,PLL）[20]，其可以对时钟信号进行复杂操作，如倍频信号、分频信号及改变时钟的相位，以产生更加复杂的时钟信号，从而适用于输出灵活、多变的控制信号。该复合模式脉冲源的控制信号采用FPGA产生。该FPGA的时钟信号由一个50MHz的晶振产

【参考文献】