新型双极性高压快脉冲源的基本理论和实验

赵 涛 张海燕 邵 杰 蔡 平

1（中国科技大学国家同步辐射实验室 合肥230029）

2（中国科学院强磁场科学中心 合肥 230031）

大功率双极性脉冲源在废气处理、食品杀菌、材料改性、PDP等很多领域有广泛应用[1–8]。目前，此类脉冲源的结构复杂，脉冲边沿不够陡峭，效率较低[9–11]。基于固态器件的脉冲发生器因其效率高、控制灵活、体积较小等优点而广受关注[1,12–14]，文献[9]提出两个多级结构结合起来以实现正或负的输出脉冲，边沿时间很快，但结构复杂，且其的固态器件是硬开关，效率低。文献[1]对此作了改进，在一个拓扑中实现双极性输出，但结构依然复杂，且很难实现多个开关的同步。基于固态器件的脉冲发生器寿命长，工作稳定，通过对输入方波微分或通过短路传输线可产生双极性脉冲源，但须增加输入方波电路，使电路复杂化[15]。在文献[16, 17]中，为产生高压输出脉冲，还引入高压直流电压，也增加了电路的复杂性。文献[10]给出了一种性能良好的大功率双极性脉冲源，但功率器件工作于硬开关状态。

在很多应用中需要陡峭的脉冲沿，陡峭的脉冲沿可抑制二次电子发射，从而减小能耗；在细胞试验中，陡峭的脉冲沿能降低细胞死亡率。周期性矩形高压脉冲用于KPT晶体反转，要求脉冲上升沿陡峭，以利于电畴的快速形成，提高极化反转质量[18]。

本文利用固态器件分布电容小的特性以及快恢复二极管的高速特性研制双极性源，分析和仿真结果表明该脉冲源有如下特点：升压比高、电压应力小、结构较简单、效率高、输出脉冲边沿陡峭、频率较高、正负对称，寄生电容和输入电感的谐振可使开关器件软开通。

1 基本结构与电路分析

该双极性源由两个boost变换器交错并联而成，图 1是其基本结构。设滤波电容 C1、C2的电压为UC。当 M1导通、M2断开、D2续流时，负载 A端高出B端电位UC；反过来，负载端B高出A端电位UC；M1和M2均导通，则负载上无压降。通过控制两开关的切换，就能在负载上得到脉冲输出。

图1 双极性源的基本结构Fig.1 Basic topology of the bipolar HV source.

为获得高压，占空比须很高。实际上，为获得软开关，电感电流必须反向，使M1和M2的寄生电容放电。如忽略寄生电容，这相当于脉冲源工作在电感电流不连续模式。有一种简单的办法计算输出电压，即考虑等效电阻。我们知道，对 boost变换器，续流二极管(D1或D2)的导通占空比为

D是主开关M1和M2的占空比，τL= L/(RT)。一个周期内的平均电导是[0×(T−D2T)+D2T/R]/T=D2/R，所以脉冲源等效到直流源的负载电阻为

因此，根据 boost变换器的增益公式，脉冲源的输出电压幅值是

2 软开关

实际的脉冲源如图2所示。由于功率管(MOS、IGBT等)都具有一定的寄生电容，可利用寄生电容实现脉冲源的软开关功能，具体分析如下。

图2 实际脉冲源Fig.2 The practical converter.

(1) t0−t1：t0时刻，M关断，M2导通，此时二极管D1续流。滤波电容C1和寄生电容Cr1充电至UC。t1时刻充电结束，iL1(t1)=0，所以 Ucr1(t1)=UC，dUcr1(t1)/dt=0。

(2) t1−t2：由于耦合电感的作用，iL1反向，M1的寄生电容Cr1放电，M1、D1截至，M2导通。则有：

t2时寄生电容放电结束。必须指出，电路的分布电容有很大影响，这里未作考虑。

(3) t2−t3：寄生电容放电结束后，在电感电流的作用下，反向二极管保持导通因此电感电流将线性变化。选择在寄生电容放电结束后驱动 MOS管导通，就能实现软导通。

3 结果和讨论

图3为该双极性源的仿真结果。仿真条件是：开关频率20kHz，占空比D=0.98，电感 L= 50mH，负载500W。试验条件是：输入电压10V，负载电阻500W，开关频率20kHz，输出电压530V。实验中，用互感器替代电感，利用互感能量加速下降沿的下降速度(图2)。

图3 双极性源仿真结果 a,驱动电压UGS1,UGS2；b, 管压降UDS1,UDS2；c, 电感电流iL1, iL2；d, 输出电压URFig.3 Simulation results of the bipolar HV source.a, drive voltage UGS1 and UGS2；b, voltages on M1 and M2；c, currents of the inductors；d, output voltage.

图4(a)是实测的电阻两端的输出电压脉冲，图4(b)是展开后的输出脉冲波形，前沿约50ns，脉冲高度约±530V，顶宽400ns，后沿约200ns。由图5可知，主功率器件(M1和M2)实现了软开通。

由于滤波电容是电解电容，容量很大，所以输出脉冲的顶部较平坦。电解电容的使用也降低了整机的成本和体积。开关器件的软开关不仅有助于降低能耗，更重要的是保护了其本身。这对延长脉冲源的寿命很有意义。

图4 输出(a)电压, (b)脉冲Fig.4 The output voltage (a) and the expanded pulse (b).

图5 软导通(通道1：管压降UDS1，通道2：UGS1)Fig.5 The soft turn-on (Ch 1: voltage on M1 UDS1 , Ch 2: drive voltage UGS1).

为了使脉冲顶部更平坦，整个系统的分布参数要小。实验表明，分布电容的影响十分明显。为减小这一影响，耦合电抗器应远离放置。此外，输出脉冲的后沿下降速度较慢，这主要是由电路本身的特点决定的。提高驱动脉冲的速度和功率，能在一定程度上提高边沿速度。根据w的表达式，为使寄生电容尽快放电，互感器的电感量要小，而耦合系数要大。

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