單信號驅動的固態脈沖源

羅雨航,鄭 靜，楊 鴿，李恩成

(1.四川水利職業技術學院，四川 成都 611231；2.國網四川省電力公司攀枝花供電公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

固態脈沖源是一種儲能裝置，可以實現脈沖壓縮和電壓放大的功能，被廣泛應用于國防[1]、電力裝備[2]、絕緣材料[3]、等離子體放電[4]、生物醫學工程[5]等領域，特別是在生物工程領域，脈沖電場引起的電穿孔效應[6-8]已廣泛應用于腫瘤消融[9]、消毒殺菌[10]等領域。傳統脈沖電源是基于火花隙開關[11]，可輸出兆瓦級功率，主要應用于國防軍工領域。但由于火花隙開關具有重復頻率低、壽命短、效率低、體積大等缺點，造成系統龐大，較少應用于民用領域。隨著電力電子技術的發展，電力電子開關的應用促進小型脈沖電源的發展，同時全控性固態開關可使脈沖電源輸出的脈沖參數任意可調[12-15]，大幅提升輸出效率且操作簡單。傳統的固態脈沖電源通常采用高壓磁隔離驅動技術[16]，該技術可將驅動信號和功率部分進行隔離，避免脈沖電源在放電時沖擊驅動電路。但高壓磁隔離驅動需要較多的磁芯來完成多路隔離信號驅動，加大了系統的體積和質量，同時驅動電路復雜且不穩定。而采用光纖提供隔離同步信號的驅動方案隔離電壓高，同步性更好，但是成本也較高，且需提供多路隔離的驅動供電電源。因此，驅動穩定且結構簡單的高壓脈沖發生器將使得結構更加緊湊，節約成本。文獻[17]提出一種可靠的功率MOSFET堆疊方法，控制一個MOSFET，通過特定的電路結構使得后續MOSFET自動開通和關斷。這種方法可以使高壓脈沖發生器的驅動更為簡單，減少了體積和質量。但受驅動電路、控制型號、半導體開關差異等因素的影響，不同步的半導體開關的開通，容易引起過壓擊穿[18]。通常需要添加有源鉗位電路或RCD緩沖電路。傳統的有源鉗位電路反饋時間較長，文獻[19]采用了一種高速的反饋電路，將鉗位動作時間縮短到30 ns，從而減少過壓尖峰。

目前的串聯半導體開關技術，由于開通關斷不同步，在有源區工作時長不一致。文獻[20]提出了一種自觸發高頻納秒發生器，其主電路結構采取Marx電路，在遠離電源一級提供一路信號驅動開關的導通狀態，其余開關通過主電容對開關門極電容充電自行觸發導通，驅動電路簡單且無需磁芯隔離，大大縮減電源的體積和質量。因此，在此基礎上提出了一種單信號驅動的固態脈沖電源的拓撲結構，該結構只需要一路信號驅動第一級固態開關，其余開關通過主電容的充電分壓自行進行導通，系統即可實現對負載釋放脈沖高壓。該結構無需磁芯隔離驅動，除第一級開關外其余開關均不需單獨的驅動電路，大大縮減了系統的體積和質量，節約成本。

1 單信號驅動的固態脈沖源工作原理

圖1為單信號驅動的固態脈沖源的拓撲結構，以3級為例，每一級包含一個主電容，2個充電電阻和一個MOSFET開關。直流電源DC通過充電電阻對各級主電容進行并聯充電。當各級主電容達到額定電壓時，觸發開關Q1導通，電容C1經過Q1—Ctr1—Ciss1—C1回路對開關Q2的門極電容Ciss1進行充電。當電容Ciss1兩端電壓達到開關Q2的閾值電壓時，開關Q2自行觸發導通。同理，后級開關依次導通。當全部開關均可靠導通后，各級主電容C1、C2、C3串聯對負載放電。此時，如果提供關斷信號使第一級開關Q1切換到關斷狀態，各級主電容依然處于充電狀態；而第二級開關Q2的門極電容Ciss1無法形成充電回路，電容Ciss1停止充電且通過Ciss1—Ctr1—R2回路對電阻R2釋放電能。當Ciss1兩端電壓降到閾值電壓以下無法維持開關Q2導通，開關Q2自行關斷。同理，后級開關逐級關斷。當各級開關均關斷時，系統處于截止狀態，電源將不再對負載放電。

圖1 單信號觸發的固態脈沖源

1.1 充電模型

圖2為單信號驅動的固態脈沖源的主電容充電回路示意圖，直流電源DC經過充電電阻對各級主電容進行并聯充電，充電電阻可防止在系統放電時脈沖高壓沖擊直流電源，同時也可在放電時起到隔離作用。但由于充電電阻的存在限制了充電電流的大小，也限制了各級主電容的充電速度。通過設置直流電源DC的充電電壓可改變各級主電容兩端的電壓，進而可輸出不同幅值的脈沖高壓。

圖2 單信號的固態脈沖源的主電容充電回路

圖3為單信號驅動的固態脈沖源的單信號導通回路的示意圖。當導通信號觸發開關Q1開通時，由于主電容C1電容值遠大于開關Q2門級電容Ciss1的電容值，此時電容C1會充當直流電源對電容Ciss1進行充電，充電回路為C1—Q1—Ctr1—Ciss1—C1，如圖3(a)紅色實線所示。與此同時，電容C1經過C1—Q1—R1對電阻R1放電，但該回路與Ciss1充電回路是并聯關系，兩個回路獨立并不會互相影響。當Ciss1兩端電壓達到開關Q2的閾值電壓時，開關Q2自行導通。同理，開關Q2導通后，主電容C1和C2串聯等效為直流電源對Ciss2進行充電，Ciss2兩端電壓達到開關Q3的閾值電壓時，開關Q3自行導通。充電回路如圖3(b)紅色實線所示，充電路徑為C1—Q1—Ctr2—Ciss2—C2。同理，電容C1和C2并聯也會對電阻R4放電，但該回路與電容Ciss2充電回路為并聯關系，二者互相獨立。當開關Q1、Q2、Q3均觸發導通時，系統會進入放電狀態，此時可通過測試是否有輸出電壓來確定各級開關是否完全導通。

(a)一級自觸發導通回路

(b)二級自觸發導通回路圖3 單信號的固態脈沖源的單信號導通回路

1.2 放電模型

圖4為單信號驅動的固態脈沖源的放電回路示意圖。當各級開關全部導通時，系統進入放電狀態，主電容C1、C2、C3將會串聯對負載放電，實現電壓的疊加。通過改變DC直流電源的充電電壓可改變系統輸出脈沖電壓的幅值，通過調節開關Q1的導通信號脈寬，可使系統輸出不同脈寬的脈沖電壓。

圖4 單信號的固態脈沖源的放電回路

圖5為單信號驅動的固態脈沖源的第二級單信號關斷回路示意圖。提供信號觸發開關Q1關斷時，門極電容Ciss1和Ciss2都將停止充電，同時門極電容Ciss1和Ciss2都將分別對電阻R2和R4進行能量泄放，放電回路如圖中綠色實線所示。當門極電容Ciss1和Ciss2兩端電壓低于開關閾值時，開關Q2和Q3斷開，系統進入截止狀態。根據一階電路的零輸入響應原理，電阻R2和電阻R4的阻值決定了開關Q2和開關Q3的下降沿，阻值越大其下降沿越慢。但對系統輸出脈沖的下降沿幾乎沒有影響，這是由于開關Q1一旦斷開，整個系統對負載的放電回路就處于開路狀態。因此系統輸出脈沖的下降沿取決于開關Q1的信號。

圖5 單信號的固態脈沖源的自觸發關斷回路

2 仿真實驗

為驗證單信號驅動的固態脈沖源的工作原理，通過通用電路分析(PSPICE)仿真了10級電路拓撲，如圖6所示。直流充電源工作電壓設置為800 V，負載為500 Ω純電阻負載，每級主電容的容量為1 μF，各級開關的選型為CREE公司的C2M0080120D，耐壓1200 V，門極電容為950 pF，導通閾值電壓為3.2 V，門源極電壓范圍為-10～25 V。由于級數越大，驅動電容的充電電壓越大。因此根據電容分壓關系，隨著級數的增加，驅動電容Ctri的取值越小。Ctr1—Ctr9的電容取值依次為330 pF、160 pF、105 pF、80 pF、65 pF、55 pF、45 pF、40 pF、30 pF。驅動電容參數的選擇可參考文獻[21]。表1為仿真電路實驗參數。

表1 實驗參數

圖6 單信號的固態脈沖源的仿真電路

為比較自觸發驅動電壓和第一級信號的電壓差異，測試了第一級開關Q1和第二級開關Q2的門源極電壓，測試結果如圖7所示。從圖中可明顯看出Q1的驅動電壓為完整的方波，幅值為20 V。而Q2的自觸發驅動電壓有一個明顯的欠阻尼震蕩，這是由于自觸發過程中Q2門極電容Ciss2充電回路中的電阻電容參數引起的，可在各級開關門源極并聯瞬態二極管得到一定的抑制。同時，從圖中可看出Q2自觸發驅動電壓幅值約為17.2 V，已達到開關Q2的閾值電壓，能可靠導通開關Q2。

圖7 開關Q1和Q2驅動電壓對比

為驗證單信號驅動的固態脈沖源可輸出不同幅值和不同脈寬的脈沖電壓，分別測試了DC直流充電源工作在500 V、600 V、700 V、800 V時的輸出電壓，如圖8(a)所示，此時第一級開關驅動信號脈寬為200 ns，負載為500 Ω。從圖中可明顯看出不同幅值的輸出電壓波形頂寬約為200 ns，這是由于電源對負載放電回路必須經過開關Q1，而后級開關由于門極串聯電阻導致開通速度變慢，會導致后級開關的脈寬變寬。因此脈寬最窄的開關Q1決定了電源輸出電壓脈沖頂寬。同時，可看出電源輸出5 kV、6 kV、7 kV、8 kV的脈沖電壓的上升沿分別約為81 ns、65 ns、54 ns、49 ns，輸出電壓越高上升沿越短，這是由于輸出電壓的幅值取決于直流充電源的工作電壓，工作電壓越大，各級主電容的電壓越大，自觸發回路電流越大，觸發上升沿越窄，促使電源對負載輸出的脈沖電壓上升沿越窄。如圖8(b)測試了該電源工作電壓在800 V，負載為500 Ω，第一級開關Q1的驅動信號脈寬分別為200 ns、400 ns、600 ns、800 ns的輸出脈沖電壓波形，從圖中可明顯看出各輸出脈沖波形頂寬接近開關Q1的驅動信號脈寬，進一步驗證了該電源可輸出不同脈寬的脈沖電壓。

(a)輸出不同電壓

(b)輸出不同脈寬圖8 單信號驅動的固態脈沖源脈寬可調和電壓可調波形

為驗證該電源可應用不同阻值負載的功能，測試了工作電壓為800 V，Q1信號脈寬為200 ns，負載分別為500 Ω和2 kΩ的輸出脈沖波形，如圖9所示。從圖中可明顯看出，負載為500 Ω和2 kΩ的輸出波形脈沖頂寬與Q1驅動信號脈寬保持一致，下降沿分別為352 ns和903 ns，負載阻值越大，下降沿越大，這是由于在相同幅值的電壓下，阻值越大，放電電流越小，因此負載越大輸出脈沖的下降沿越大。

圖9 不同阻值負載單信號驅動的固態脈沖源輸出波形

3 結 論

上面提出的單信號驅動的固態脈沖源只需單個驅動信號即可控制整套電源的開通和關斷，通過控制第一級開關的導通狀態，自行導通和關斷其余開關，極大簡化驅動電路，大幅縮減系統的體積和質量，最終輸出幅值高達8 kV、脈寬200～800 ns的脈沖電壓，對于生物醫學應用、腫瘤消融以及污水處理有重大意義。但該技術由于充電電阻的存在造成系統的充電速度較慢，充電損耗較大且輸出脈沖頻率會受到限制，今后將圍繞這些問題展開研究工作。