馮宗明,馮元偉，李洪濤，丁明軍

(中國工程物理研究院流體物理研究所,綿陽621900)

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20kV固態(tài)Marx脈沖調制器研制

馮宗明,馮元偉，李洪濤，丁明軍

(中國工程物理研究院流體物理研究所,綿陽621900)

摘要：闡述了20 kV固態(tài)Marx脈沖調制器的設計原理、結構特點及驅動控制方法。該系統(tǒng)由8級模塊串聯(lián)而成，每級模塊的儲能電容、高壓充電和固態(tài)開關驅動供電均采用高壓硅堆隔離，Marx模塊采用兩只獨立控制的高壓絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)對模塊的儲能電容實現(xiàn)充電和放電。IGBT驅動電路采用高壓硅堆隔離供電、光纖傳輸觸發(fā)脈沖和高性能IGBT驅動模塊TD350設計構成。驅動電路具備完善的欠壓、過流和過壓保護功能。Marx模塊采用插拔式結構，維護快捷簡便。脈沖源在無強化散熱措施條件下，輸出方形高壓脈沖幅度大于20 kV，脈沖寬度為10 μs，脈沖前后沿均為300 ns，重復頻率可達1 kHz。

關鍵詞：脈沖調制；固態(tài)Marx；高壓硅堆；同步觸發(fā)；脈沖截尾

重復頻率方波高壓、高功率脈沖調制技術是脈沖功率最具活力和應用前景的研究領域之一[1]。高性能指標的重復頻率方波高壓脈沖對X射線自由電子激光(X-rayfreeelectronlaser,XFEL)射頻加速器速調管驅動、脈沖電場滅菌、電光開關調制等研究領域具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的線性調制器采用氣體開關、脈沖形成線和脈沖變壓器升壓變換技術，形成方波高壓脈沖。該技術很難在可靠性、脈沖寬度、使用壽命以及廉價性等方面滿足現(xiàn)代射頻加速器和工業(yè)級脈沖電場滅菌裝置發(fā)展的要求。功率半導體技術的進步為固態(tài)脈沖調制技術發(fā)展奠定了基礎，雖然，目前商品化單只絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)開關的最高額定電壓僅為6.5kV、最高通態(tài)電流僅為1.2kA，但是，采用合理設計的拓撲結構，將數(shù)以百千(或萬)計的固態(tài)開關實現(xiàn)按時序同步驅動，則完全可以輸出數(shù)百千伏、高功率、高性能指標的方波高壓脈沖[2-3]。除簡單的串、并聯(lián)形式外，高功率重復頻率固態(tài)方波脈沖調制技術，還有較先進的感應電壓疊加(inductivevoltageadder，IVA)型和Marx型固態(tài)調制技術，這兩類脈沖調制技術各有特點[4]。重復頻率固態(tài)Marx方波脈沖調制技術具備傳統(tǒng)氣體開關Marx發(fā)生器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的固有特點。采用固態(tài)開關實現(xiàn)傳統(tǒng)Marx電壓倍增的難點在于各Marx單元脈沖高電壓懸浮隔離觸發(fā)技術及固態(tài)開關的隔離驅動供電技術無法突破[2]。目前，重復頻率固態(tài)Marx單元的隔離多采用電感或電阻，Marx模塊的觸發(fā)供電多采用感應耦合技術和光纖傳輸觸發(fā)脈沖，當輸出脈沖幅度為百千伏時，多級感應耦合隔離供電系統(tǒng)將非常龐大。作為一種緊湊型固態(tài)Marx原理性探索實驗裝置，本文闡述了基于高壓硅堆實現(xiàn)Marx模塊隔離和驅動供電隔離的固態(tài)Marx方波脈沖調制器，分析其拓撲原理、設計方法和研制結果。該調制器在2kΩ負載上輸出方波脈沖幅度為20kV、脈沖寬度為10μs、前后沿為300ns，脈沖頂降4%。在無強化散熱措施條件下，爆發(fā)式輸出脈沖頻率可達1kHz。

1拓撲原理

基于高壓硅堆隔離的20kV固態(tài)Marx脈沖調制器拓撲結構，如圖1所示。該Marx模塊電容充電、模塊間放電隔離以及開關驅動供電隔離均為高壓硅堆，其特點是無磁芯，克服了磁芯飽和限制輸出脈沖寬度等問題，同時，可以減小系統(tǒng)的體積和質量。

圖1中，左列Z1-Z15為放電IGBT，右列Z2-Z16為充電IGBT，C1-C8為Marx模塊電容，D1-D8為充電及脈沖隔離高壓硅堆，D9-D16為開關驅動供電隔離高壓硅堆，DC/DC1-DC/DC9為開關驅動供電直流變換模塊，模塊將360V直流電源變換為15V的IGBT驅動供電電源，C9-C16為直流變換模塊沖擊保護電容。Marx并聯(lián)充電電壓為3kV高壓組件。Marx模塊由一對充放電IGBT和一只模塊儲能電容組成。在脈沖間隙期內，右列IGBT觸發(fā)導通，各個模塊電容充電至直流高電壓。觸發(fā)脈沖到達時，先關斷模塊的充電IGBT，再同步觸發(fā)放電IGBT導通，所有模塊電容串聯(lián)對負載電阻放電，控制放電IGBT同步關斷時間，可以在負載電阻上得到要求寬度的方波高壓脈沖。在開關放電期間，左列高壓硅堆可防止模塊電容經內回路泄放電，并為模塊提供了高壓旁路，在單元放電開關延遲驅動(或不驅動)條件下，高壓硅堆對放電開關的旁路作用，可有效保護放電開關。

圖120 kV固態(tài)Marx調制器拓撲原理圖Fig.1Topology schematic diagram of 20 kV Marx modulator

采用IGBT開關可以比MOSFET提供更大的通態(tài)電流(提高輸出脈沖功率)，但是，IGBT受柵極存儲電荷的影響，關斷過程較慢，輸出脈沖后沿拖較長(達數(shù)微秒)。該拓撲結構的另一個特點是可以對輸出脈沖后沿進行截尾、銳化。在放電開關未完全關斷之前，開啟充電開關，實現(xiàn)對輸出脈沖截尾。通過控制充電IGBT相對于放電IGBT關斷的延時時間，為單元Marx儲能電容提供泄放回路，銳化輸出脈沖后沿，使輸出脈沖前后沿基本一致，可同時達到數(shù)十至數(shù)百納秒量級。

在輸出脈沖間隙時間內，充電IGBT處于觸發(fā)導通狀態(tài)，輔助直流電源V1(圖中為360V)通過右列硅堆對低壓電容器充電至恒定值，該電壓經DC/DC變換得到15V直流電源，作為Marx單元觸發(fā)控制供電電源。右列高壓硅堆在脈沖輸出期間為各個Marx模塊低壓供電電源提供隔離、保護。

2系統(tǒng)設計

2.1開關的選擇及Marx參數(shù)確定

系統(tǒng)輸出脈沖幅度為20kV，根據(jù)目前高壓IGBT額定電壓等級，將Marx的模塊數(shù)定為8級，每級模塊輸出電壓幅度為2.5kV。IGBT采用IXYS公司的IXEL40N400作為模塊充放電，最高漏極電壓為4kV，漏極電流為40A，開啟速度滿足要求。模塊電容容量與負載電流脈寬、輸出方波脈沖頂降要求有關。經計算和仿真實驗確定，Marx模塊電容不小于750nF，實際模塊電容選用了1μF/4kV聚丙烯電容。由于Marx模塊電容每次脈沖輸出只工作在部分放電狀態(tài)，因此，極大地提高了Marx模塊電容器的使用壽命。

2.2時序控制

20kV固態(tài)Marx調制器驅動時序，如圖2所示。外觸發(fā)脈沖到來時，經延時td1后，首先，關斷充電IGBT，閉合放電IGBT，輸出方波高壓脈沖；然后，在給定的脈沖寬度tw后，關斷放電IGBT，延時td2后，再閉合充電IGBT，為下次輸出脈沖創(chuàng)造條件。減小延時時間td2，可實現(xiàn)輸出脈沖尾部銳化。為確保Marx輸出脈沖高電壓期間各模塊單元的隔離，調制器采用光纖傳送充放電觸發(fā)脈沖。

在選定Marx模塊單元開關IGBT條件下，為得到盡可能小的脈沖前后沿，應當使所有模塊充電IGBT和放電IGBT同時驅動。器件商提供的每只高壓IGBT開關性能是存在差異的，為確保所有模塊單元的IGBT同步驅動，設計了相應的精密延時控制電路，確保各個模塊單元同步充放電。Marx各個模塊充放電觸發(fā)脈沖分別采用兩個1分8光纖分光器進行分配，實現(xiàn)各模塊充放電光觸發(fā)脈沖的同步控制。

圖2模塊觸發(fā)控制時序Fig.2Timing diagram of Marx cell control

圖3顯示了放電IGBT驅動延時原理，實驗測試IGBT的開關延時最大偏差約40ns，調制器放電驅動電路采用了8個步長5ns、延時總長100ns的精密延時電路，用于校正各個模塊IGBT的開關延時差異。充電IGBT驅動延時原理與放電相同。

圖3放電IGBT驅動延時原理Fig.3Timing driver for discharging IGBTs

2.3驅動保護電路、故障指示

20kV固態(tài)Marx調制器充、放電共有16只高壓IGBT，其驅動電路原理，如圖4所示。

圖4驅動原理框圖Fig.4Block diagram of IGBT control driver

從調制器拓撲原理圖1可知，每級模塊的放電IGBT和下一級模塊的充電IGBT共地，可采用一只低壓DC/DC變換器供電，為提高模塊可靠性，將本級的放電IGBT、模塊電容和下一級的放電IGBT及驅動電路做在一塊印制電路板上。

調制器的IGBT驅動電路采用了法意半導體公司的TD350電路[5-6]，該電路具備完善的推挽驅動、過流保護、去飽和箝位、過壓保護、低電平箝位以及故障顯示等功能，而且具備故障排除，顯示自動消除，箝位保護自恢復等功能。每個模塊充放電IGBT各由一片TD350驅動。當出現(xiàn)故障、柵極低電平箝位保護時，相應的紅色LED故障指示燈同時亮起，該功能使得模塊及系統(tǒng)調試、運行維護極為方便。

2.4絕緣、模塊結構設計

Marx采用電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電技術實現(xiàn)脈沖高電壓。分析圖1可知，在放電期間，各模塊依靠高壓硅堆隔離，處于不同的脈沖高電位。固態(tài)Marx每個模塊的放電IGBT與下一級充電IGBT處于共地狀態(tài)，為方便隔離供電驅動，將模塊放電IGBT、模塊電容和下一級模塊充電IGBT集中設計在一塊可插拔式PCB板上作為一個模塊。如圖5所示，模塊與外部接線采用插槽結構，8個模塊的PCB板插槽固定在兩根尼龍絕緣導軌上，各個模塊電容的充電硅堆、輔助電源充電硅堆、低壓電容以及模塊間的連接線均位于插座下方。該結構極大地方便了固態(tài)Marx調制器調試、檢修、更換維護，降低了系統(tǒng)的故障維護時間。

圖520 kV固態(tài)Marx調制器插拔式模塊結構Fig.5Push/pull structure of the 20 kV solid-state Marx modulator

3實驗

根據(jù)Marx拓撲原理可知，輸出脈沖的前沿與所選擇放電開關特性及各放電開關驅動的同步性相關，在所有放電開關特性完全一致及嚴格同步驅動的條件下(該狀態(tài)實際很難完全滿足)，輸出脈沖前沿最小也只能達到單只開關放電脈沖前沿。經測試,在輸出電流10A、電壓2.5～3kV條件下，單只IBGT開關輸出方波脈沖前沿為190～230ns。整個調制器系統(tǒng)的脈沖前沿應大于單只開關的脈沖前沿，這是由于各開關特性的分散性及延時差異所致。實驗校正后，8個模塊放(充)電開關的延時偏差在5ns以內，模塊電容充電2.7kV，2kΩ負載上輸出脈沖幅度達到20kV，輸出脈沖前沿220～260ns，實測波形如圖6所示。

圖620 kV固態(tài)Marx調制器輸出脈沖Fig.6Output voltage pulse of 20 kV solid-state Marx modulator

通過逐漸減小充電脈沖，脈沖后沿隨充電時間的縮短而減小，可以清晰地看見輸出脈沖截尾過程，如圖7所示。在2kΩ負載下，測量輸出脈沖后沿為270～320ns，遠小于單只IGBT開關所得到的方波脈沖后沿(1～2μs)。 另外，充電時間不能過小，實驗發(fā)現(xiàn)，當td2小于250ns時，各級Marx模塊單元有可能出現(xiàn)放電開關或充電開關過流保護故障。因開關過流，驅動電路將柵極低電平鉗位保護，同時，故障指示燈閃爍，系統(tǒng)進入故障狀態(tài)(低級充電開關過流保護影響高級模塊開關驅動供電)。因此，放電脈沖尾部減小是受開關特性及模塊單元截尾放電回路阻抗特性限制的。

(a)td2=4.8 μs

(b)td2=2.5 μs

(c)td2=0.8 μs圖7脈沖后沿隨充電延時時間的變化關系Fig.7Pulse tail changes with charge delay time td2

低級充電IGBT對高級模塊充電和輔助供電具有控制功能。系統(tǒng)上電過程設計：先加載觸發(fā)電源，然后加載開關輔助供電電源，最后加載直流充電高壓和驅動觸發(fā)脈沖。在所有充放電開關驅動供電正常下，開啟重復頻率觸發(fā)脈沖。在2kΩ負載電阻上，測量得到1kHz輸出脈沖，如圖8所示，受3kV高壓充電模塊功率限制，該輸出脈沖幅度在20kV和10kV狀態(tài)下均逐漸減小，如圖8(a)、圖8(b)所示；當充電電壓減小至500V時，輸出脈沖幅度可穩(wěn)定在4kV，如圖8(c)所示。

(a)U=3 kV

(b)U=1.2 kV

(c)U=500 V圖81 kHz頻率下輸出脈沖幅度隨充電電壓的變化關系Fig.8Pulse amplitudes vs. voltages at 1 kHz

4小結

基于高壓硅堆隔離的固態(tài)Marx實現(xiàn)了無磁芯設計，脈沖寬度理論上不受磁芯伏秒數(shù)限制，在減小質量的同時，提高能量轉換效率，在解決好開關散熱條件下(強制風冷或水冷)，可以在數(shù)十千赫高重復頻率下工作。

硅堆隔離充電的20kV固態(tài)Marx調制器具有輸出脈沖前后沿和脈沖寬度可控、開關模塊保護、故障檢測顯示、維護快捷方便等特點，其拓撲結構合理、設計原理可行，該技術可以為數(shù)百千伏XFEL驅動速調管調制器以及產業(yè)化高壓滅菌方波脈沖調制器研制所借鑒。

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收稿日期：2015-09-14；修回日期：2016-01-10

作者簡介：馮宗明(1964- )，男，四川綿陽人，高級工程師，碩士，主要從事重復頻率脈沖電源技術研究。 E-mail:fzm8521@126.com

中圖分類號：TN216

文獻標志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)020402(6)

Designofa20kVSolidStateMarxPulseModulator

FENGZong-ming,FENGYuan-wei,LIHong-tao,DINGMing-jun

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

A20kVsolid-stateMarxpulsemodulatorisdeveloped.Themodulatoriscomposedofeight-stageMarxmodulesinseries,eachofwhichadoptstwoindependentlycontrolledinsulatedgatebipolartransistors(ICBTs)forcharginganddischargingtoitsenergystoragecapacitor.Ittakeshighvoltagesiliconstackforcapacitorchargingisolationandswitch-drivenisolationforeachstageoftheMarxmodule.Withpush/pullPCBstructure,theMarxmodulesareeasytomaintenanceandreplacement.Experimentalresultsshowthatthe20kVsolid-stateMarxmodulatorcangenerateoutputpulsewithvoltagemorethan20kV,pulsewidthof10μs,raise/falltimeof300nsataloadof20kΩ.Withoutstrengthencool,thepulserepetitionrateisupto1kHzinburstmode.

Key words：pulse modulate;solid state Marx;HV-Diode;synchronize driver;pulse tailor