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新型半导体脉冲功率器件的特性比较
器件类型 DSRD RSD SOS PCSS
脉冲峰值电压 20 kV 16 kV 250 kV 14 kV
脉冲峰值电流 100 A 150 kA 3 kA 250 A
器件串联数量 10 10 260 1
最高频率 600 kHz 100 Hz 1 kHz 1 kHz
脉宽
10 kHz 1 MHz 20 kHz
SIT
SITH MCT
1.2 kV
1.5 kV 3 kV
300 A
300 A 2 kA
100 kHz
10 kHz 20-100 kHz
10’s kW
10’s kW 10’s kW
1 kA/μs
500 A/μs 1 kA/μs
500 ns
1 μs 500 ns
+
+
C1 S41 S31 S42
C2
+
全桥级联电路
负载
b) 双极性全固态 Marx 发生器示意图 a) 半桥级联型电路 b) 全桥级联型电路
多电平级联式逆变器
双极性全固态Marx电路：半导体开关隔离
S2n
+ Can San Dan + Ca2 Sa2 Da2 + Ca1 Sa1 Da1 + VDC – S11 + Cb1 S21 Sb1 Db1 S12 + Cb2 S22 Sb2 Db2 负 载 S1n + Cbn S2n Sbn Dbn
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
固态开关MARX发生器相关技术
驱动负载类型 输出电压极性 充电隔离 波形调节 开关驱动 短路保护 输出波形特性
RB1
S21 S11
+ C1
S31 S41
全固态Marx发生器驱动及短路保护
•固态Marx 发生器波形调节
电压过冲和上升沿校正
基于IGBT的单极性全固态Marx发生器
+ C24 Sc24 Sd24 D24
20
+ C2 Sc2 Sd2 + C1 Sc1 – VDC + Sd1 D1 D2 负 载
电压
•0
•C* R >= (10~20) C/n * RL
气体开关MARX 发生器
•并联充电
•串联放电
气体开关Marx发生器
•V
0
•C1
•C2
•C3
•C4
•RL
气体开关Marx发生器原理
•V
0
•C1
•C2
•C3
•C4
•RL
固态开关Marx发生器
•V
0
•C1
•C2
•C3
•C4
•RL
采用MOSFET的Marx发生器
Scn Sdn Dn Cn
负 载
负脉冲电路
•变压器隔离充电Marx 发生器
双极性全固态H-半桥 和H-全桥逆变式电压叠加器
双极性全固态H-半桥和H-全桥电路
+
+
Ca1
S11 S21
Ca2
S12 S22
Can
+
S1n S2n
+
+
Cb1
Cb2
Cbn
+
半桥级联电路
负载
a)
S11 S21 S12 S22 S1n Cn S32 S4n S3n S2n
电流
300 Hz 500 Hz 1 kHz
额定频率
额定功率
100’s MW 10’s MW 100’s MW 1 MW 100 kW 100’s kW
上升沿
500 A/μs 1 kA/μs 2 kA/μs 1 kA/μs 2 kA/μs 1 kA/μs 10 ms 1 ms 1 ms 1 μs 200 ns 600 ns
RBn Trn
S2n S1n
+ Cn
S3n S4n
高频 交流 电源
RB2 + Tr2 Ca2 S12 RB1 + Tr1 Ca1 S11 + Cb1 S21 Tr1 + Cb2 S22 负 载 高频 交流 电源
Time (50 ns/div)
RB2 Tr2 S22 S12 + C2 S32 S42 负 载
S3n + Cn S4n
San Dan
S1n
S22 Sa2 Da2 S21 Sa1 Da1 + VDC – S11 + C1 S12 + C2
S32 S42 负 载
S31 S41
a)半桥电路
b)全桥电路
隔离充电型全固态脉冲叠加器：单向脉冲
RBn Cn Trn Trn
RBn Sdn +
C Dn n
+
负脉冲电路
负载
•分布式电感隔离Marx 发生器
•集中式电感隔离型Marx 发生器
半导体开关隔离固态Marx发生器
• 采用半导体开关进行充电、放电隔离
D1 VDC Sd1 C1 Sd2 D2 C2 Sdn Dn Cn
负 载
正脉冲电路
Sc1
Sc2
Scn
Sc1 VDC Sd1 D1
Sc2 C1 Sd2 D2 C2
开关直接串联存在的问题
高压击穿危险，开关之间需加均压保护 同时触发导通，同时关断 承受关断时的直流高压
2-1、通过二极管钳位的固态开关串联 脉冲电压叠加
课后思考题：该电路如何工作？嵌位二极管如何设计？
•传统气体开关的MARX发生器
基于MARX 原理的升压电路
•充电时间常数：
• Tc = R1+ n *R* n * C •放电时要求：
• 高重复频率 • 高峰值电流 • (具有关断能力)
• 电流上升沿快 • 有些不需要关断， 依靠电流自然关断， 触发结构可简化
二、固态开关脉冲电压叠加技术
2-1、固态开关代替气体开关的 产生脉冲电压
固态开关：BJT、MOSFET、 IGBT 、SCR 、GTO、 IGCT
2-1、固态开关直接串联
•-
•C2
•-
•C3
•-
•C4
•RL
采用MOSFET的Marx发生器
•V
0
•+ •-
•+
•+
•+
•C1
•-
•C2
•-
•C3
•-
•C4
•L
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
Sdn Dn Trn
RBn Trn Cn +
RBn
Sdn
Cn Dn +
Sdn Dn
高频 交流 电源
高频 RB2 C2 交流 电源 Tr2 Tr2
RB2 Sd2 + D2
C2
+ 负 载
Sd2 高频 交流 D2 电源
负 载
RB2 Sd2 高频 RB2 负 C2 C2 交流 载 + + D2 Tr2电源 Tr2
高频 交流 电源
Tr2
RB2 高频 交流 电源
RB2 + Tr2 Ca2 S12 + Cb2 S22 RB1 + + Ca1 S11 Cb1 S21 + Ca1 S11 + Cb1 S21 Tr1 Tr1 RB1 Tr1 S21 RB S31 + 1 S11 C1 S41 S21 S11 + C1 S31 S41 + 负 C a2 载 S12 + 高频 C b2 交流 电源 S 22 负 载 T RB2 高频 交流 电源 S22 RB2 + Tr2 S12 C2 S32 S42 S22 S12 +负 载 C2 S32 S42 负 载
Sd2 D2
负 载
RB1 C1 Tr1 Tr1
RB1 Sd1 + D1 C1
+
Sd1 D1 Tr1
RB1 Tr1 C1 +
RB1 Sd1 C1 D1 +
Sd1 D1
a)正向脉冲产生电路
a)负向脉冲产生电路
隔离充电型全固态脉冲叠加器：双向脉冲
RBn Trn Trn RBn + Can S1n + Cbn S2n + Can S1n + Cbn S2n Trn RBn S2n RBn S3n + Trn S1n Cn S4n S2n S1n + Cn S3n S4n
Load voltage (kV)
16 12 8 4 0
Time (500ns/div)
输出电压上升、顶降及下降沿的影响因素
• 顶降 • 开关速度+ 回路电感 • 驱动信号的同步性 • 回路杂散电感和分布电容
∆U = i ∆t/C
输出脉冲电压顶降与电容关系
固态开关MARX发生器分布电容 及波形截尾技术
load
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•1: Positive switches
•2: Negative switches
Ta1
充电开关及放电开关工作模式