新型雙極性高壓快脈沖源的基本理論和實驗

趙 濤 張海燕 邵 杰 蔡 平

1（中國科技大學國家同步輻射實驗室 合肥230029）

2（中國科學院強磁場科學中心 合肥 230031）

大功率雙極性脈沖源在廢氣處理、食品殺菌、材料改性、PDP等很多領域有廣泛應用[1–8]。目前，此類脈沖源的結構復雜，脈沖邊沿不夠陡峭，效率較低[9–11]?；诠虘B器件的脈沖發生器因其效率高、控制靈活、體積較小等優點而廣受關注[1,12–14]，文獻[9]提出兩個多級結構結合起來以實現正或負的輸出脈沖，邊沿時間很快，但結構復雜，且其的固態器件是硬開關，效率低。文獻[1]對此作了改進，在一個拓撲中實現雙極性輸出，但結構依然復雜，且很難實現多個開關的同步?；诠虘B器件的脈沖發生器壽命長，工作穩定，通過對輸入方波微分或通過短路傳輸線可產生雙極性脈沖源，但須增加輸入方波電路，使電路復雜化[15]。在文獻[16, 17]中，為產生高壓輸出脈沖，還引入高壓直流電壓，也增加了電路的復雜性。文獻[10]給出了一種性能良好的大功率雙極性脈沖源，但功率器件工作于硬開關狀態。

在很多應用中需要陡峭的脈沖沿，陡峭的脈沖沿可抑制二次電子發射，從而減小能耗；在細胞試驗中，陡峭的脈沖沿能降低細胞死亡率。周期性矩形高壓脈沖用于KPT晶體反轉，要求脈沖上升沿陡峭，以利于電疇的快速形成，提高極化反轉質量[18]。

本文利用固態器件分布電容小的特性以及快恢復二極管的高速特性研制雙極性源，分析和仿真結果表明該脈沖源有如下特點：升壓比高、電壓應力小、結構較簡單、效率高、輸出脈沖邊沿陡峭、頻率較高、正負對稱，寄生電容和輸入電感的諧振可使開關器件軟開通。

1 基本結構與電路分析

該雙極性源由兩個boost變換器交錯并聯而成，圖 1是其基本結構。設濾波電容 C1、C2的電壓為UC。當 M1導通、M2斷開、D2續流時，負載 A端高出B端電位UC；反過來，負載端B高出A端電位UC；M1和M2均導通，則負載上無壓降。通過控制兩開關的切換，就能在負載上得到脈沖輸出。

圖1 雙極性源的基本結構Fig.1 Basic topology of the bipolar HV source.

為獲得高壓，占空比須很高。實際上，為獲得軟開關，電感電流必須反向，使M1和M2的寄生電容放電。如忽略寄生電容，這相當于脈沖源工作在電感電流不連續模式。有一種簡單的辦法計算輸出電壓，即考慮等效電阻。我們知道，對 boost變換器，續流二極管(D1或D2)的導通占空比為

D是主開關M1和M2的占空比，τL= L/(RT)。一個周期內的平均電導是[0×(T?D2T)+D2T/R]/T=D2/R，所以脈沖源等效到直流源的負載電阻為

因此，根據 boost變換器的增益公式，脈沖源的輸出電壓幅值是

2 軟開關

實際的脈沖源如圖2所示。由于功率管(MOS、IGBT等)都具有一定的寄生電容，可利用寄生電容實現脈沖源的軟開關功能，具體分析如下。

圖2 實際脈沖源Fig.2 The practical converter.

(1) t0?t1：t0時刻，M關斷，M2導通，此時二極管D1續流。濾波電容C1和寄生電容Cr1充電至UC。t1時刻充電結束，iL1(t1)=0，所以 Ucr1(t1)=UC，dUcr1(t1)/dt=0。

(2) t1?t2：由于耦合電感的作用，iL1反向，M1的寄生電容Cr1放電，M1、D1截至，M2導通。則有：

t2時寄生電容放電結束。必須指出，電路的分布電容有很大影響，這里未作考慮。

(3) t2?t3：寄生電容放電結束后，在電感電流的作用下，反向二極管保持導通因此電感電流將線性變化。選擇在寄生電容放電結束后驅動 MOS管導通，就能實現軟導通。

3 結果和討論

圖3為該雙極性源的仿真結果。仿真條件是：開關頻率20kHz，占空比D=0.98，電感 L= 50mH，負載500W。試驗條件是：輸入電壓10V，負載電阻500W，開關頻率20kHz，輸出電壓530V。實驗中，用互感器替代電感，利用互感能量加速下降沿的下降速度(圖2)。

圖3 雙極性源仿真結果 a,驅動電壓UGS1,UGS2；b, 管壓降UDS1,UDS2；c, 電感電流iL1, iL2；d, 輸出電壓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.

圖4(a)是實測的電阻兩端的輸出電壓脈沖，圖4(b)是展開后的輸出脈沖波形，前沿約50ns，脈沖高度約±530V，頂寬400ns，后沿約200ns。由圖5可知，主功率器件(M1和M2)實現了軟開通。

由于濾波電容是電解電容，容量很大，所以輸出脈沖的頂部較平坦。電解電容的使用也降低了整機的成本和體積。開關器件的軟開關不僅有助于降低能耗，更重要的是保護了其本身。這對延長脈沖源的壽命很有意義。

圖4 輸出(a)電壓, (b)脈沖Fig.4 The output voltage (a) and the expanded pulse (b).

圖5 軟導通(通道1：管壓降UDS1，通道2：UGS1)Fig.5 The soft turn-on (Ch 1: voltage on M1 UDS1 , Ch 2: drive voltage UGS1).

為了使脈沖頂部更平坦，整個系統的分布參數要小。實驗表明，分布電容的影響十分明顯。為減小這一影響，耦合電抗器應遠離放置。此外，輸出脈沖的后沿下降速度較慢，這主要是由電路本身的特點決定的。提高驅動脈沖的速度和功率，能在一定程度上提高邊沿速度。根據w的表達式，為使寄生電容盡快放電，互感器的電感量要小，而耦合系數要大。

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