基于marx电路的固态开关脉冲功率源pulsed current source based on

1、基于固态MARX叠加器的紧凑型脉冲双极性电流源设计高功率电子学课题组2022/9/15内容提要复旦大学 高功率电子学课题组 2013.81应用背景及理论分析2电源电路设计3控制方式及波形补偿4实验结果全固态脉冲电流源 应用背景复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8高压脉冲电流源被广泛应用于科研、国防及工业生产领域，如电火花加工、等离子体放电、激光器电源、脉冲电磁干扰源、加速器踢轨（kicker）电源以及特种材料制备改性等。传统高压脉冲电流源通常采用分立器件实现脉冲高压输出，例如高压电容器、高压传输线、高压充电源以及高压氢闸流管等。2H的电感负载上得到双向电流脉冲利用Marx叠加器输出电压的

2、任意可控性实现对电感负载上电流波形的调制电流脉冲上升/下降沿为300ns，波形平顶2s，电流峰值1kA全固态脉冲电流源 理论分析复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8全固态脉冲电流源 理论分析复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8IGBT模块构成10级全桥叠加器单元，每级耐压1200V第1级通过0-1000V可调直流电源直接供电，可单独调节；第2-9级通过高频谐振电源隔离供电，各级电压保持一致全固态脉冲电流源 电路设计复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8以正向电流脉冲为例上升阶段平顶阶段下降阶段全固态脉冲电流源 控制方式复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8电流上升阶段开关S

3、bi，Sdi同时开通，输出幅度为U的正脉冲电感负载上电流线性上升U的幅度决定了电流的上升速度全固态脉冲电流源 控制方式复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8电流平顶阶段开关Sbi关闭，Sdi保持导通，和Sai中的反向并联二极管构成了续流通路其效果相当于使负载电感两端短路，在不考虑能量损失的情况下可以认为电流的幅度不发生变化全固态脉冲电流源 控制方式复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8电流下降阶段所有开关都关断，Sbi和Sdi的反向并联二极管进行续流此时电感两端相当于被加以-U的电压，电流快速下降全固态脉冲电流源 控制方式复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8上升-平顶-下降三段式

4、控制方式没有考虑能量损耗需要对损失的能量进行补偿全固态脉冲电流源 控制方式复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8平顶电流下降电路中存在能量损耗上升沿过冲在开关关断之后系统 分布电容继续提供能量下降沿过冲二极管反向恢复过程 导致回路不能马上关断全固态脉冲电流源 波形补偿复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8平顶补偿平顶阶段继续向电感中注入少量电流，使理论上的电流幅值继续缓慢上升，以补偿实际电流的下降全固态脉冲电流源 波形补偿复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8上升沿过冲补偿逐级关断使转折点变缓下降沿过冲补偿在电流到达拐点前的很短时间内给二极管强加以反向电压，补偿其反向恢复时间全固态

5、脉冲电流源 波形补偿复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8全固态脉冲电流源 控制时序复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8状态0：空闲状态电路中所有的开关断开状态1：上升状态开关Sbi、Sdi导通，输出正向电压脉冲，负载电感上电流线性上升；状态2：上升转折补偿逐级关断开关Sbi使电流上升斜率相对缓慢变化，这个状态无法在时序图中呈现；状态3：平顶状态。对于相同的9级脉冲叠加器，此时Sbi已全部关闭，仅留下Sdi，和Sai的反并联二极管构成低阻抗电流的通路；对于补偿级，开关状态不发生变化，储能电容继续向负载提供能量以补偿电路中的损耗，保证电流平顶；全固态脉冲电流源 控制时序复旦大学 高功率

6、电子学课题组 2013.8状态4：下降状态关闭所有IGBT，电流通过IGBT的反向并联二极管进行续流，此时等效于对负载电感加负电压，电流线性下降；状态5：下降沿过冲补偿在电流下降到接近零点时，接通Sbi，在每一级内部形成一个电流通路，提前为二极管提供反向偏压，保证其快速截止，消除反向过冲。全固态脉冲电流源 实验结果复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8负载电压与电流的对应关系正负1kA电流输出波形全固态脉冲电流源 实验结果复旦大学 高功率电子学课题组 2013.8实验结果表明该方案具有可行性。在不改变电路硬件上，通过灵活地改变Marx叠加器的输出波形，可以方便地调整电流脉冲的上升/下降时间以及波形平