基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高壓電氣工程與電力電子領(lǐng)域，涉及一種高功率脈沖發(fā)生裝置，特別是一種基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)重復(fù)頻率Marx發(fā)生器具有輸出脈沖電壓高、功率大、重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著元器件技術(shù)、脈沖形成技術(shù)和絕緣技術(shù)的快速發(fā)展，固態(tài)重復(fù)頻率Marx發(fā)生器取得的巨大技術(shù)進(jìn)步使得脈沖功率技術(shù)在重復(fù)頻率、壽命、緊湊性和可移動(dòng)性等方面得到新的發(fā)展，并拓展了脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用范圍，其研究成果也將推動(dòng)高功率微波技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)高功率探地雷達(dá)、遠(yuǎn)距離微波拒止武器等新概念武器系統(tǒng)的研究，同時(shí)此項(xiàng)技術(shù)在核物理、力口速器、環(huán)保和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用。
[0003]如圖1所示給出一種典型的MARX裝置，包括三級(jí)全控開(kāi)關(guān)級(jí)，充電器件和隔離器件均為電阻，全控開(kāi)關(guān)為功率開(kāi)關(guān)器件，例如IGBT開(kāi)關(guān)或MOS管，當(dāng)輸入電壓在IN端輸入5kV直流電壓，在充電階段，三個(gè)全控開(kāi)關(guān)M1-M3全部關(guān)閉，三個(gè)電容均充電至5kV。充電完成后，同時(shí)打開(kāi)三個(gè)全控開(kāi)關(guān)，由于電容兩端電荷守恒，同時(shí)隔離器件阻抗較大，第一級(jí)全控開(kāi)關(guān)級(jí)的電容電荷抬升BI點(diǎn)電壓，進(jìn)一步使02點(diǎn)電壓升高，在不計(jì)損耗的情況下，02點(diǎn)電壓升高至10kV，同理03點(diǎn)電壓提升至15kV，相對(duì)5kV的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了在輸出端得到3倍輸入電壓的輸出電壓。
[0004]Marx發(fā)生器是一種對(duì)電容器并聯(lián)充電串聯(lián)放電產(chǎn)生高功率脈沖的電路，常用的Marx發(fā)生器使用電阻作為充電和隔離元件，使用氣體開(kāi)關(guān)作為控制元件，該種結(jié)構(gòu)在大功率裝置上使用時(shí)，由于有電阻的熱損耗，會(huì)降低整機(jī)系統(tǒng)效率，在重復(fù)頻率較高的裝置中，氣體開(kāi)關(guān)由于電弧不能迅速消散，不能滿足其高重復(fù)頻率要求。近年來(lái)隨著電力電子半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展和成熟，使得采用IGBT等固態(tài)開(kāi)關(guān)構(gòu)建的Marx發(fā)生器得到了快速發(fā)展，其在開(kāi)關(guān)速度、功率容量等方面也得到了很大提升，但由于固體半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)單管研制水平有限，其工作電壓和通流能力只到千伏、千安量級(jí)，要使Marx發(fā)生器能夠輸出更高電壓，必須將大量的開(kāi)關(guān)串聯(lián)組合使用。如果開(kāi)關(guān)全部使用全控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，各只開(kāi)關(guān)之間的同步，動(dòng)靜態(tài)均壓，驅(qū)動(dòng)隔離供電，驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離，分布參數(shù)等都會(huì)制約裝置的容量。另外，由于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的固有特性，在使用電容器的Marx線路中，關(guān)斷過(guò)程中的電流拖尾特別嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有Marx裝置輸出高壓時(shí)由于全控開(kāi)關(guān)同步性存在離散差異，造成裝置容量受限的技術(shù)缺陷，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器。
[0006]本發(fā)明所述基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器，包括多個(gè)級(jí)聯(lián)的全控開(kāi)關(guān)級(jí)，所述全控開(kāi)關(guān)級(jí)由充電器件、儲(chǔ)能裝置、隔離器件和全控開(kāi)關(guān)組成，所述全控開(kāi)關(guān)連接在儲(chǔ)能裝置的正向輸入端和負(fù)向輸入端之間；所述充電器件為高壓二極管； 還包括與級(jí)聯(lián)全控開(kāi)關(guān)級(jí)最后一級(jí)保持級(jí)聯(lián)關(guān)系的至少一個(gè)自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)，自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)之間的連接方式與全控開(kāi)關(guān)級(jí)之間的連接方式相同，所述自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)與全控開(kāi)關(guān)級(jí)的區(qū)別在于:全控開(kāi)關(guān)由自擊穿開(kāi)關(guān)替換，所述自擊穿開(kāi)關(guān)為開(kāi)關(guān)上的壓降大于門限值時(shí)，自動(dòng)擊穿導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)器件；
還包括與自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)保持級(jí)聯(lián)關(guān)系的負(fù)載輸出級(jí)，所述負(fù)載輸出級(jí)與自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)的區(qū)別在于:沒(méi)有隔離器件，自擊穿開(kāi)關(guān)與儲(chǔ)能裝置負(fù)向輸入端之間連接有負(fù)載；
各個(gè)自擊穿開(kāi)關(guān)的擊穿電壓門限值低于該級(jí)的輸出電壓額定值，并高于前一級(jí)的輸出電壓額定值。
[0007]優(yōu)選的，所述儲(chǔ)能裝置為PFN結(jié)構(gòu)，所述PFN結(jié)構(gòu)由N個(gè)電感和N+1個(gè)電容組成，N個(gè)電感串聯(lián)形成電感串，電感串一端點(diǎn)連接儲(chǔ)能裝置的正向輸入端，所述電感串的全部中間節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)端點(diǎn)與儲(chǔ)能裝置的負(fù)向輸入端之間均連接有一個(gè)電容，所述N為正整數(shù)。
[0008]優(yōu)選的，所述隔離器件為電感。
[0009]進(jìn)一步的，所述自擊穿開(kāi)關(guān)為氧化鋅自擊穿開(kāi)關(guān)或半導(dǎo)體自擊穿開(kāi)關(guān)。
[0010]優(yōu)選的，所述穩(wěn)壓二極管的反向恢復(fù)時(shí)間小于I微秒。
[0011]優(yōu)選的，所述全控開(kāi)關(guān)為功率IGBT或MOS管。
[0012]采用本發(fā)明所述的基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器，具有自擊穿開(kāi)關(guān)的自擊穿級(jí)和負(fù)載輸出安裝于裝置的后級(jí)，受控于前級(jí)電壓的疊加，發(fā)生自擊穿與關(guān)斷，與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)模塊共同作為開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)裝置的電壓疊加與停止，克服了采用全控開(kāi)關(guān)時(shí)時(shí)序難以控制，裝置容量降低的缺陷，提高了 MARX發(fā)生器的輸出電壓和輸出功率。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為傳統(tǒng)Marx發(fā)生器的一種【具體實(shí)施方式】不意圖；
圖2為本發(fā)明所述基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器的一種【具體實(shí)施方式】結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明所述PFN結(jié)構(gòu)和普通電容充放電曲線對(duì)比圖；
圖中附圖標(biāo)記名稱為:IN-輸入端01、02、03、04-高壓二極管，01、02-全控開(kāi)關(guān)，03、Q4-自擊穿開(kāi)關(guān)，L1、L2、L3-電感RLOAD-負(fù)載電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]傳統(tǒng)的MARX發(fā)生器采用R串聯(lián)、C并聯(lián)方式，以電阻作為充電器件和隔離器件，電容作為儲(chǔ)能原件，在電容兩端并聯(lián)開(kāi)關(guān)器件，充電時(shí)，開(kāi)關(guān)器件全部斷開(kāi)，對(duì)各個(gè)電容同時(shí)充電，充滿之后，將開(kāi)關(guān)器件打開(kāi)，由于充電器件和隔離器件的斷路作用，以及電荷守恒原理，迫使各級(jí)電容的電壓依次升高，最后在輸出級(jí)得到輸入電壓值整數(shù)倍的輸出高壓，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
[0016]現(xiàn)有技術(shù)中的全控開(kāi)關(guān)多使用氣體開(kāi)關(guān)或固體開(kāi)關(guān)作為高壓開(kāi)關(guān)器件，由于固體半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)單管研制水平有限，其工作電壓和通流能力只到千伏、千安量級(jí)，要使Marx發(fā)生器能夠輸出更高電壓，必須將大量的開(kāi)關(guān)串聯(lián)組合使用。如果開(kāi)關(guān)全部使用全控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，各只開(kāi)關(guān)之間由于大批量生產(chǎn)存在的固有離散性，使開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間均存在差異，特別是在最后若干級(jí)，電壓是輸入電壓的十余倍或數(shù)十倍，開(kāi)關(guān)壓降的不同加劇了開(kāi)關(guān)時(shí)間的離散分布，開(kāi)關(guān)的不同步會(huì)導(dǎo)致電荷泄露，降低輸出電壓峰值，使MARX裝置的輸出功率不能達(dá)到預(yù)期，并容易發(fā)生開(kāi)關(guān)損壞，帶來(lái)裝置故障。
[0017]針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明所述的基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器，基于全控開(kāi)關(guān)與自擊穿開(kāi)關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器，包括多個(gè)級(jí)聯(lián)的全控開(kāi)關(guān)級(jí)，所述全控開(kāi)關(guān)級(jí)由充電器件、儲(chǔ)能裝置、隔離器件和全控開(kāi)關(guān)組成，所述全控開(kāi)關(guān)連接在儲(chǔ)能裝置的正向輸入端和負(fù)向輸入端之間；還包括與級(jí)聯(lián)全控開(kāi)關(guān)級(jí)最后一級(jí)保持級(jí)聯(lián)關(guān)系的自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)，所述自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)與全控開(kāi)關(guān)級(jí)的區(qū)別在于:全控開(kāi)關(guān)由自擊穿開(kāi)關(guān)替換，所述自擊穿開(kāi)關(guān)為開(kāi)關(guān)上的壓降大于門限值時(shí)，自動(dòng)擊穿導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)器件；還包括與自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)保持級(jí)聯(lián)關(guān)系的負(fù)載輸出級(jí)，所述負(fù)載輸出級(jí)與自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)的區(qū)別在于:沒(méi)有隔離器件，全控開(kāi)關(guān)與儲(chǔ)能裝置負(fù)向輸入端之間連接有負(fù)載；各個(gè)自擊穿開(kāi)關(guān)的擊穿電壓門限值低于該級(jí)的輸出電壓額定值，并高于前一級(jí)的輸出電壓額定值。
[0018]如圖2所示給出采用兩級(jí)全控開(kāi)關(guān)級(jí)和I個(gè)自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)、I個(gè)負(fù)載輸出級(jí)的一個(gè)Marx裝置，充電電壓從輸入端IN輸入，通過(guò)充電器件Dl，對(duì)第一級(jí)進(jìn)行充電，PFN結(jié)構(gòu)沿作為隔離器件的電感LI通道形成充電回路，儲(chǔ)存能量；充電電壓為第一級(jí)全控開(kāi)關(guān)級(jí)充電的同時(shí)，通過(guò)充電器件D2對(duì)第二級(jí)全控開(kāi)關(guān)級(jí)進(jìn)行充電，第二級(jí)全控開(kāi)關(guān)級(jí)的儲(chǔ)能裝置PFN結(jié)構(gòu)沿電感L2、LI形成充電回路，儲(chǔ)存能量；同理，充電電壓為后續(xù)的自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)和負(fù)載輸出級(jí)的儲(chǔ)能裝置PFN結(jié)構(gòu)充電，充電時(shí)，全控開(kāi)關(guān)Ql和Q2均斷開(kāi)，同時(shí)自擊穿開(kāi)關(guān)級(jí)和負(fù)載輸出級(jí)的自擊穿開(kāi)關(guān)由于兩側(cè)電壓未完成升壓，與輸入電壓一致，自擊穿開(kāi)關(guān)的擊穿電