晶闸管自触发并联Marx发生器设计

邓珀昆，蔡厚智，龙井华，王 东，雷云飞，黄峻堃，王 勇，刘进元

深圳大学物理与光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 广东深圳 518060

脉冲功率技术通常使用储能元件将较低功率的能量储存，然后在极短时间内释放出来，从而产生超高功率脉冲[1-3]．脉冲功率技术是国防科技的重要技术基础，广泛应用于脉冲雷达、惯性约束聚变及时间展宽分幅相机等领域．近年来，该技术被逐渐应用于环境工程和医学工程，如水利工程、繁殖植物种苗及结石破碎等[4-5]．

随着惯性约束核聚变研究的深入，要求X射线分幅相机的时间分辨率小于30 ps，而目前实用X射线分幅相机时间分辨率为60～100 ps，无法满足上述要求[6]．2010年，美国Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)应用电子束脉冲展宽技术，成功研制出时间分辨率为5 ps的分幅相机[7]．该相机首先利用电子束脉冲展宽技术对电子束团进行时间宽度展宽，再用传统微通道板(microchannel plate, MCP)变像管对时间展宽后的电子束团进行测量，从而获得高时间分辨率[8]．然而，从光电阴极到MCP有一段长度为50 cm的漂移区，电子束团在漂移区运动时会在空间发散，影响了相机的空间分辨率．为防止电子束漂移时过度发散，需要长磁透镜对电子束进行约束，提高空间分辨率[9]．由于焦耳热效应，长磁透镜无法长时间工作在大电流环境，故需要采用大电流脉冲对其进行激励，使其产生强磁场[10]．

本研究采用Marx串联与并联相结合的电路结构，设计应用于长磁透镜的大电流脉冲发生器．传统Marx 发生器的核心思想是对多个电容进行并联充电，通过开关技术将其串联起来，对负载直接放电以获得高电压脉冲输出[11]．这种设计虽然可以提升输出电压幅度，在一定程度上提高电流幅值，但同时也会降低输出脉冲宽度[12]，难以获得时间宽度及电流峰值均较大的脉冲电流．采用多路Marx并联放电结构，可以通过减小电路等效内阻提高输出电压幅值[13]、增大等效电容增加输出脉冲宽度，并同时获得较大的时间宽度及峰值电流；并联结构还能起到分流保护的作用，降低流经每一路开关元件的电流．本研究Marx脉冲发生器选择大功率晶闸管作为开关元件，具有电流触发，阻断电压高，通流能力强，导通损耗小等特点[14]．设计上利用晶闸管电流驱动特性，将门极通过稳流电感以及限流电阻接地，当晶闸管阴极为负电位时自动导通．这种设计免去第1级外晶闸管的驱动电路，节省电路开发成本，压缩电路体积．本研究设计的大电流脉冲发生器，输出脉冲电流幅值为-1.1 kA、 宽度为2.68 ms，将其用于激励长磁透镜可获得0.6 T的磁场．

1 电路结构及原理

1.1 电路自触发原理

大电流脉冲发生器的电路结构如图1，模拟和测试所使用的负载为磁透镜的等效电感1.14 mH和等效电阻500 mΩ．在触发信号没有到来时，所有晶闸管处于关断状态，采用大小为HV的直流电源给各支路电容充电，当电容充满时，回路电流为0 A，电容两端电压与直流电源电压大小相等.

图1 大电流脉冲发生器结构示意Fig.1 Structure diagram of high current pulse generator

由于并联脉冲电路的脉冲产生机理相同，故先分析位于图1下方的第1条支路，如图2．当触发信号到来时，触发信号作用在第1级晶闸管S11的门极上，产生导通电流(如图2蓝线)，使S11导通．

图3为第1级开关导通回路．S11阳极和阴极之间的压降迅速从HV降到0 V，使第1级电容C11上端的电位也迅速降到0 V，下端因感应而产生-HV的电势．由于支路电阻R11取值较大，支路分流较小，可视为断开．则晶闸管、电容与负载等形成导通回路，如图3红线所示．

图2 第1级开关触发电流Fig.2 Triggering current of the first-stage switch

图3 第1级开关导通回路Fig.3 Conducting circuit of the first-stage switch

图4为第2级开关触发电流电路图．第2级晶闸管S12门极通过稳流电感L11和限流电阻R13与地相连；当C11下端电位降到-HV时，S12的门极与阴极产生压降，获得触发电流(如图4蓝线)，从而使第2级晶闸管导通，则第2级晶闸管S12导通回路如图5红线所示．

图4 第2级开关触发电流Fig.4 Triggering current of the second-stage switch

图6为第3级开关导通回路电路图．同理，第3级S13也导通．最终单条支路,3个电容串联，在输出回路产生幅值为-3HV的电压脉冲，放电回路导通，导通回路如图6红线所示．导通过程中，电容给负载电感和负载电阻放电．随着电容电量的消耗，电容两端电压逐渐减小至0 V，回路电流也逐渐减小至0 V，晶闸管重新关断，恢复至开始充电状态．

图6 第3级开关导通回路Fig.6 Conducting circuit of the third-stage switch

1.2 电路放电等效模型

在晶闸管导通放电过程中，若支路限流电阻选取适当，则电阻分流较小，与主输出回路电流相比可以忽略，电阻所在分支视为断开．因此，图1中的晶闸管导通放电时，可等效为如图7的回路．其中，L为负载等效电感；R为负载等效电阻；U(t)为输出电压；I(t)为输出电流；C为各级串联电容串联与各并联支路并联后的等效电容值，即当电路串联为n级，有m个并联分支，每个电容值为C0时，

(1)

图7 脉冲发生器放电等效电路图Fig.7 Pulse generator discharge equivalent circuit diagram

设充电直流电源电压为U0， 则输出电流I(t)可表示为[15]

(2)

(3)

由式(2)可见，在输出负载参数固定的情况下，输出电流幅值与充电直流电压、储能电容值呈正相关．而输出电流脉冲半高宽与式(2)中的sin(ωt) 有关，当ω越小时，脉冲宽度越大，电流激励时间越长，故可以选择提高等效储能电容值的方式提高脉冲宽度．

2 模拟结果及分析实验

2.1 输出电压和电流波形

使用Protues仿真软件，搭建3级串联3路并联Marx脉冲发生器电路，在负载电阻500 mΩ、负载电感1.14 mH、充电直流电压600 V及储能电容1 500 μF条件下，测量电路产生的输出电压与电流脉冲波形，搭建电路结构如图8．采用型号为70tps12的晶闸管作为脉冲发生器的开关元件．该器件具有高达1.2 kV的断态重复峰值电压，正向浪涌电流为1 400 A．串联回路的单级充电电压为600 V，储能电容选用1 500 μF的电解电容．

图8 三级串联2路并联自触发Marx发生器仿真电路Fig.8 Simulation circuit of three-stage series and two-stage parallel self-triggering Marx generator

图9为Marx脉冲发生器输出电压与电流波形．其中，输出电压幅值为-1.7 kV、半高宽(full width at half maximum, FWHM)为1.22 ms；输出回路电流峰值为-1.1 kA、半高宽为 2.68 ms．为观察电路自触发过程，对各级电容下极板电压进行采样，得到各级晶闸管导通时脉冲前沿以及峰值变化曲线，如图10．由图10(a)可见，第1、2级晶闸管的导通时间相差750 ns，第2、3级晶闸管的导通时间相差931 ns．由图10(b)可见，各级电容输出电压逐级递增，且相差接近600 V，与理论分析结果相符．

2.2 充电电压与输出电流关系

在3级串联3路并联Marx脉冲发生器电路中，负载电阻为500 mΩ，负载电感为1.14 mH，改变充电直流电压，可获得不同直流电压下的电流波形．图11为输出电流脉冲的峰值和半高宽随充电直流电压的变化曲线，其中，电压由100 V增加到1 100 V．由图11(a)可见，当充电直流电压增大时，输出电流脉冲的峰值也在增大，当储能电容为1 500 μF、充电电压达570 V时，输出电流脉冲峰值达到1 kA，平均脉冲宽度为2.67 ms；当储能电容为1 000 μF时，充电电压则需要达到680 V，输出电流脉冲峰值才能达到1 kA，平均脉冲宽度为2.17 ms．由图11(b)可见，两条曲线没有发生大幅度变化，表明脉冲宽度与电压大小无关．

因此，在储能电容一定的条件下，充电直流电压值与输出电流脉冲峰值呈正相关，与式(2)的结论一致；脉冲宽度与式(2)中的三角函数项相关，而在负载电感和负载电阻固定的情况下，此项仅与储能电容相关，故电压改变无法改变脉冲宽度．

图9 脉冲发生器输出电压和电流波形Fig.9 Pulse generator output voltage and current waveforms

图10 各级晶闸管导通时脉冲前沿以及峰值变化曲线Fig.10 Pulse front and peak value curves of thyristors at all levels during conducting

图11 不同电压下输出电流峰值及FWHM变化曲线Fig.11 Output current peak value and FWHM under different voltages

2.3 储能电容值与输出电流关系

采用3级串联3路并联的Marx脉冲发生器电路，通过改变电路中储能电容值，分别测量输出电流脉冲的峰值与宽度．图12为输出电流脉冲的峰值和半高宽随储能电容值从200 μF增至1 500 μF的变化曲线．从图12(a)可见，当储能电容值提高时，输出电流脉冲的峰值增大，当直流电压为1 000 V、储能电容达到430 μF时，输出电流脉冲峰值达到1 kA；当直流电压为600 V，充电电压则需要达到1 200 μF时，输出电流脉冲峰值才能达到1 kA．由图12(b)可见，储能电容值与输出电流脉宽呈正相关，不同电压条件下，脉冲宽度曲线高度重合，进一步说明脉宽与充电直流电压值无关．

图12(a)中2条曲线的增长率随储能电容值的增加不断减小，曲线趋于平缓．在200～400 μF段的平均增长率为46.7%，而在1 200～1 400 μF段的平均增长率下降到约8%，且不同电压条件下增长率变化趋势一致，表明通过增大储能电容值来增加脉冲发生器输出电流的方法具有一定局限性．

图12 不同电容下输出电流峰值与FWHM的变化曲线Fig.12 Output current peak value and FWHM under different capacitances

2.4 并联级数与输出电流关系

为测定不同并联级数对输出电流波形的影响，在单路为3级串联的条件下，实验测量1～5级并联电路的输出电流脉冲波形．图13为不同储能电容值条件下，脉冲发生器输出电流脉冲峰值和脉冲宽度随并联级数的变化曲线．可见，输出电流峰值与脉冲宽度均随电路并联级数的增加而逐渐提高，与改变储能电容值实验时的变化趋势相似，图13(a)和(b)中的曲线增长率均逐渐减小，这是由于改变并联级数等效于增加并联电容数量，从而增加了电路的等效电容值，故增加并联级数与增加储能电容值，对电路输出的影响相似．采用Marx并联结构，不仅可以减小输出回路内阻，提高带载能力，还可以提高输出回路的等效电容，提高输出电流值和脉冲宽度．

图13 不同并联级数输出电流峰值、FWHM变化曲线Fig.13 Output current peak value and FWHM under different parallel stages

2.5 脉冲激励磁透镜产生磁场

长磁透镜可以等效为一个螺线管，其结构如图14．其中，l为螺线管长度；r为螺线管的半径；z为管内某点与螺线管中心点o的轴向距离．通电时，螺线管在内部某一点产生的磁场强度为[16]

图14 磁透镜螺线管结构示意Fig.14 Schematic diagram of magnetic lens solenoid structure

(4)

其中，μ0为真空中的磁导率；n为螺线管单位长度匝数；I为激励电流大小．仿真实验中采用的磁透镜螺线管r=5 cm，l=50 cm，I取脉冲发生器输出电流峰值1.1 kA．依次模拟电流下降90%～60%时的磁场变化，根据式(4)计算得到不同位置的磁感应强度变化曲线，如图15(a)．可见，当激励电流为1 100 A时，磁透镜中心位置磁感应强度为0.68 T；在磁透镜5～45 cm内，磁感应强度高于0.60 T；当激励电流降至峰值的90%时，中心位置磁感应强度为0.61 T；在磁透镜10～40 cm内，磁感应强度高于0.60 T；当激励电流低于峰值的90%时，磁透镜内磁场总体低于0.60 T．

激励电流取脉冲发生器的输出电流脉冲，并在磁透镜的5～25 cm内取样，得到磁透镜不同位置磁感应强度随时间的变化曲线，如图15(b)．其中，磁透镜的中心位置为25 cm．可见，在15～25 cm内，磁场变化相近，且在0.9～2.3 ms，强度高于0.60 T，时间宽度为1.4 ms；在10 cm处，强度高于0.60 T的时间宽度降到1.2 ms；在5 cm处，磁场仅在峰值处达到0.60 T，与图12结果一致．

图15 磁透镜产生磁场强度变化曲线Fig.15 Magnetic field strength produced by magnetic lens

结 语

本研究设计一种可用于感性负载的Marx串并联脉冲发生器电路．电路为3级串联及3路并联结构，采用直流电源600 V充电，储能电容为1 500 μF．在负载电感为1.14 mH、负载电阻为500 mΩ时，输出幅值为-1.1 kA、宽度为2.68 ms的电流脉冲．分析电路自触发过程，第1、2级晶闸管的导通时间相差750 ns，而第2、3级晶闸管的导通时间相差931 ns．采用该电流脉冲激励长磁透镜产生持续时间为1.2 ms、强度高于0.60 T的脉冲磁场．研究影响输出电流峰值和脉冲宽度的因素．模拟结果表明，提高充电直流电压值可提高输出电流脉冲峰值，对脉冲宽度影响不大，这种方式受限于实际使用条件及所采用电容的耐压值；采用容值更高的储能电容不仅可以提高输出电流脉冲幅值，还能提高其脉冲宽度，但同样受制于实际采用的电容值；通过引入Marx并联结构方式，可弥补实际使用时的缺陷，提高电路带载能力．设计时应根据实际情况，将上述方式相结合，互相弥补缺点，以达到实际使用要求．