基于marx電路的固態(tài)開關(guān)脈沖功率源pulsed current source based on

1、基于固態(tài)MARX疊加器的緊湊型脈沖雙極性電流源設(shè)計(jì)高功率電子學(xué)課題組2022/9/15內(nèi)容提要復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.81應(yīng)用背景及理論分析2電源電路設(shè)計(jì)3控制方式及波形補(bǔ)償4實(shí)驗(yàn)結(jié)果全固態(tài)脈沖電流源 應(yīng)用背景復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8高壓脈沖電流源被廣泛應(yīng)用于科研、國防及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如電火花加工、等離子體放電、激光器電源、脈沖電磁干擾源、加速器踢軌（kicker）電源以及特種材料制備改性等。傳統(tǒng)高壓脈沖電流源通常采用分立器件實(shí)現(xiàn)脈沖高壓輸出，例如高壓電容器、高壓傳輸線、高壓充電源以及高壓氫閘流管等。2H的電感負(fù)載上得到雙向電流脈沖利用Marx疊加器輸出電壓的

2、任意可控性實(shí)現(xiàn)對電感負(fù)載上電流波形的調(diào)制電流脈沖上升/下降沿為300ns，波形平頂2s，電流峰值1kA全固態(tài)脈沖電流源 理論分析復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8全固態(tài)脈沖電流源 理論分析復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8IGBT模塊構(gòu)成10級全橋疊加器單元，每級耐壓1200V第1級通過0-1000V可調(diào)直流電源直接供電，可單獨(dú)調(diào)節(jié)；第2-9級通過高頻諧振電源隔離供電，各級電壓保持一致全固態(tài)脈沖電流源 電路設(shè)計(jì)復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8以正向電流脈沖為例上升階段平頂階段下降階段全固態(tài)脈沖電流源 控制方式復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8電流上升階段開關(guān)S

3、bi，Sdi同時開通，輸出幅度為U的正脈沖電感負(fù)載上電流線性上升U的幅度決定了電流的上升速度全固態(tài)脈沖電流源 控制方式復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8電流平頂階段開關(guān)Sbi關(guān)閉，Sdi保持導(dǎo)通，和Sai中的反向并聯(lián)二極管構(gòu)成了續(xù)流通路其效果相當(dāng)于使負(fù)載電感兩端短路，在不考慮能量損失的情況下可以認(rèn)為電流的幅度不發(fā)生變化全固態(tài)脈沖電流源 控制方式復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8電流下降階段所有開關(guān)都關(guān)斷，Sbi和Sdi的反向并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流此時電感兩端相當(dāng)于被加以-U的電壓，電流快速下降全固態(tài)脈沖電流源 控制方式復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8上升-平頂-下降三段式

4、控制方式?jīng)]有考慮能量損耗需要對損失的能量進(jìn)行補(bǔ)償全固態(tài)脈沖電流源 控制方式復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8平頂電流下降電路中存在能量損耗上升沿過沖在開關(guān)關(guān)斷之后系統(tǒng) 分布電容繼續(xù)提供能量下降沿過沖二極管反向恢復(fù)過程 導(dǎo)致回路不能馬上關(guān)斷全固態(tài)脈沖電流源 波形補(bǔ)償復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8平頂補(bǔ)償平頂階段繼續(xù)向電感中注入少量電流，使理論上的電流幅值繼續(xù)緩慢上升，以補(bǔ)償實(shí)際電流的下降全固態(tài)脈沖電流源 波形補(bǔ)償復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8上升沿過沖補(bǔ)償逐級關(guān)斷使轉(zhuǎn)折點(diǎn)變緩下降沿過沖補(bǔ)償在電流到達(dá)拐點(diǎn)前的很短時間內(nèi)給二極管強(qiáng)加以反向電壓，補(bǔ)償其反向恢復(fù)時間全固態(tài)

5、脈沖電流源 波形補(bǔ)償復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8全固態(tài)脈沖電流源 控制時序復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8狀態(tài)0：空閑狀態(tài)電路中所有的開關(guān)斷開狀態(tài)1：上升狀態(tài)開關(guān)Sbi、Sdi導(dǎo)通，輸出正向電壓脈沖，負(fù)載電感上電流線性上升；狀態(tài)2：上升轉(zhuǎn)折補(bǔ)償逐級關(guān)斷開關(guān)Sbi使電流上升斜率相對緩慢變化，這個狀態(tài)無法在時序圖中呈現(xiàn)；狀態(tài)3：平頂狀態(tài)。對于相同的9級脈沖疊加器，此時Sbi已全部關(guān)閉，僅留下Sdi，和Sai的反并聯(lián)二極管構(gòu)成低阻抗電流的通路；對于補(bǔ)償級，開關(guān)狀態(tài)不發(fā)生變化，儲能電容繼續(xù)向負(fù)載提供能量以補(bǔ)償電路中的損耗，保證電流平頂；全固態(tài)脈沖電流源 控制時序復(fù)旦大學(xué) 高功率

6、電子學(xué)課題組 2013.8狀態(tài)4：下降狀態(tài)關(guān)閉所有IGBT，電流通過IGBT的反向并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，此時等效于對負(fù)載電感加負(fù)電壓，電流線性下降；狀態(tài)5：下降沿過沖補(bǔ)償在電流下降到接近零點(diǎn)時，接通Sbi，在每一級內(nèi)部形成一個電流通路，提前為二極管提供反向偏壓，保證其快速截止，消除反向過沖。全固態(tài)脈沖電流源 實(shí)驗(yàn)結(jié)果復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8負(fù)載電壓與電流的對應(yīng)關(guān)系正負(fù)1kA電流輸出波形全固態(tài)脈沖電流源 實(shí)驗(yàn)結(jié)果復(fù)旦大學(xué) 高功率電子學(xué)課題組 2013.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案具有可行性。在不改變電路硬件上，通過靈活地改變Marx疊加器的輸出波形，可以方便地調(diào)整電流脈沖的上升/下降時間以及波形平