改进的Marx发生器设计优化

Marx发生器有着非常简单的电路，它不使用任何脉冲变压器也不需要很高的输入电压就能产生高压脉冲，如图3-104所示。因此，在实验室中它被广泛用作为脉冲发生器。不过，Marx发生器的火花开关有一些缺点：寿命短和工作频率低。尤其是Marx发生器需要特殊的触发装置以精确触发开关。

现在，我们可以考虑用IGBT来替代火花开关的作用，并用boost转换器阵列来组成脉冲发生器，如图3-105。

图3-104 Marx发生器

该脉冲发生器不需要脉冲变压器和高压直流电源，而且具有以下特性：上升时间短、波峰平整、高重频、易于形成高电压脉冲以及便于用boost转换器阵列进行扩展。因此，这个电路用作高压脉冲发生器非常可靠也很合适。此外，通过使用串联IGBT，可以减少线路电感，也允许通过增加输入电压来减少所需元件。我们可以通过使用一些简单的均压电路使串联的IGBT在更高的电压等级下工作。

图3-105 IGBT作开关的boost转换器阵列电路结构

a）正脉冲电路 b）负脉冲电路

整个电路结构是由IGBT、电容、电感和二极管各n个组成的，显然这是一个boost阵列。通过改变地和负载的位置可以将其设计为正脉冲或负脉冲发生器。当输出脉冲的占空比比较低（≤0.01）时，我们可以忽略电容boost电压的放电电流。在电感电流连续的情况下，第n个电容上的电压可以这样表示：

式中，D为占空比；T_on为脉宽；T_s为脉冲周期；U_cn和U_cn-1分别为第n个和第n-1个电容的电压。

因此，第n个电容的电压是

式中，n为boost转换器的个数。

在电感电流连续的情况下，第n个电容的电压为

式中，L为电感的感抗；U_cn-1为U_cn的输入端电容电压；I_o为平均输出电流。

图3-106显示了当电感电流连续时输出电压的升压比。应当注意的是当占空比足够小的时候，升压比是接近于1的。因此，在小占空比的时候，输出电压基本是输入电压的倍数。

图3-106 电感电流连续时输出电压的升压比

注：D为占空比，U（D）为升压比

同时，如果boost转换器的个数增加了，线路电感也会增大，而输出脉冲的上升时间也会相应的增加，这是应该避免的。这里，我们可以应用串联的IGBT模块以增大输入电压，减少转换器和器件的个数。

图3-107 发出正脉冲时电路的工作状态和波形

a）状态1 b）状态2 c）状态3 d）波形

如图3-107所示是发出正脉冲时电路的工作状态和相应的波形。为简化说明，假设所有的器件都是理想的，且由于脉冲占空比小于0.01，boost转换器的升压可以忽略。

整个电路的工作可以分成3个状态：

状态1：电路中没有电流流动。电容电压保持为输入电压值，二极管和IGBT是关断的。因此，器件上所加电压都是输入电压，不需要高压隔离。

状态2：这时所有IGBT导通，电容串联。输出电压加在负载上，其值与串联电容电压值的和成比例。这样，输出端存在高电压，因此需要在脉冲周期将输出端与低压端隔离。

状态3：IGBT关断后，输入电压通过电感、二极管向电容充电。(www.xing528.com)

这3种状态是在假设所有参数理想的前提下提出的。但是，在实际电路中，驱动信号的延时会导致开关上电压的差异。幸运的是，电路结构本身能将这个问题解决。这是由于相同的串联电容和二极管与IGBT并联，提供了钳制电压，从而提供了过电压保护。

该电路由于开关开通的时候产生高压脉冲，因此需要对电路进行严格的隔离。因为采用了半导体元件，与普通的脉冲发生器不同，该发生器有寿命长和频率高特点。

该发生器还有一个很重要的特点就是电路能够进行稳定的钳位工作，提供过电压保护。每个开关的过电压能自然地被其所并联的电容所钳制，如图3-108。如果开关上的电压超过了电容电压，二极管会自动开通将开关电压钳制为电容电压。因此，门极驱动电压的不一致和开关的不同特性不会导致器件的过电压击穿。另外该电路还有以下优点：

图3-108 电路的钳位工作示意图

a）电路示意图 b）等效电路图

1）不需要脉冲变压器或高压直流源；

2）脉冲电压值由驱动信号可调；

3）便于改变脉冲极性。

输出电流的最大值应当小于开关的脉冲电流承受值。如果几千伏的输出电压加到一个短路负载上，则会在几微秒或几亚微秒内有极大的电流流过负载。因此，应当基于短路电流能力来选取开关。

对于小功率系统，在频率为1kHz、输入电压为300V的情况下使用连续电流40A、短路电流200A的开关。因此选用600V／50A的IGBT。

对于大功率系统，最大的连续脉冲电流和短路电流分别为300A和1000A。因此，选用1200V／400A的IGBT。

建立一个1.8kV／40A脉冲发生器的小功率电路来验证电路原理。选用6个600V／50A的IGBT单独使用，如图3-109。1kHz工况下脉宽1～5μs。电感值尽量小以保证连续电流。

图3-109 小功率实验电路

图3-110所示是开关电压和门极电压的实验波形，可见有0.5μs的延时，但由于有电压钳位，所以影响很小。图3-111所示是高压脉冲波形。

图3-110 IGBT的开关电压和驱动信号

图3-111 不同脉宽下的输出高压脉冲波形

a）1μs脉冲 b）5μs脉冲

使用串联的IGBT来建立大功率系统。最大脉冲等级是20kV、300A、5μs和1kHz。图3-112显示了实验电路和器件参数。总共使用了16个IGBT。如图3-113所示，为了增加开关的电压等级，应用均压电路将两个IGBT串联使用。IGBT的串联将在后文讨论。图3-114是高压脉冲的波形图。脉宽为5μs，电压为20kV，电流300A，上升时间小于1μs，频率为1kHz。

图3-112 大功率实验电路

图3-113 串联IGBT及其均压电路

图3-114 输出电压和电流波形