文档介绍：用于等离子体注入的高频高压全固态脉冲功率源
刘克富吴异凡邱剑
复旦大学电光源研究所
******@fudan.
1 引言
随着脉冲功率技术的发展,Marx 发生器(如图1)目前已经远不是传统意义上仅仅作为进行耐压试验升压装置,在很多需要高功率脉冲的场合,都可以看到 Marx 发生器的身影。由于传统的Marx发生器通常使用气体开关,因而重复频率,稳定性和寿命方面都有很大局限,整个系统的效率也很低。随着近几十年来电力电子半导体固态开关器件的发展和成熟,国内外的很多研究人员开始研制采用半导体开关作为主开关的Marx发生器系统。
图1 传统Marx发生器结构
本课题所研制的固态 Marx 发生器产生的重频高压脉冲可应用于等离子源离子浸没式注入(Plasma Source Ion Immersion Implantation)研究,在其他应用领域如雷达电源,高功率微波源,快脉冲放电源也有着非常广泛的前景。等离子源离子浸没式注入的实验及理论论证,用高重复频率短上升沿的负高压脉冲放电,可以获得很好的效果。传统的高功率脉冲源的输出脉冲很难兼顾高压、高重复频率和快上升前沿的要求,并且使用寿命和稳定性也不理想,本文将充分利用 Marx 发生器和现代半导体器件在频带上的优势,旨在研制一台重频脉冲功率源,实现电压幅值最高-60kV,频率 500Hz,上升时间 800ns,负载脉冲电流25A 稳态电流 3A,脉冲宽度 20μs 到 100μs 的方波输出。
本文通过对该 Marx 发生器系统原理详细分析,设计出系统各部分的详细参数并选取了合适的器件;提出并改进了一种新颖的自取电IGBT 驱动电路;通过假负载测试给出了电源输出波形,并且将整套系统用于等离子源离子浸没式注入实验中,给出等离子体负载输出波形。
2 固态Marx发生器
一般情况下,n级Marx发生器由n个开关和电容,2n个隔离电阻组成。图2所示为所研制的4级Marx发生器示意图。半导体IGBT取代了气体开关,二极管和电感取代了隔离电阻。
工作状态
在充电模式下,所有IGBT 开关处于关断状态,电容器相当于通过二极管并联在一起。图 2 最右边是低压高频充电电源用 AC 表示,它通过高频升压变压器 T 将原方能量传输给副方,再经过高频高压整流桥整流成正向充电电压,正向电压通过大电感 L 往左边等效并联的电容器充电,此处电感 L 起到充电限流作用。
图2 固态Marx发生器
在放电模式下,假设高频高压充电电源 AC 不再工作,所有 IGBT 开关管瞬间同时开通将所有的电容器串联起来。在所有IGBT 开关导通时,其两端电压不断减小,此时电容电压通过 IGBT 开关管 S 将二极管 D 反向截止。20 级等效串联电容电压加载到负载上,负载上电压随着20个IGBT 两端电压的迅速减小而增加,负载电流也逐渐上升,当所有IGBT 开关管完全导通时,负载也获得全部电容串联电压-60kV。
IGBT驱动电路
本文中IGBT驱动电路最应当注意的是高电压隔离的问题且隔离电压需要大于60kV,还应注意 20个IGBT驱动的同时性问题。由于IGBT开关在开通或关断以后是不需要门极驱动提供能量的,所以它的驱动功率非常小,也就是门极输入电容所消耗的能量。因此可以采取每个IGBT 开关管驱动电源从各自的高