摘 要

脉冲功率在工业等领域应用日趋广泛，固态Marx发生器—一种重要的产生脉冲功率的手段已经获得了普遍的认可和采用，但固态Marx发生器在容性负载下会出现开关器件和储能电容因电流过大而发生性能改变甚至损毁的问题。

本文阐述了典型的Marx发生器的电路结构，并分析了Marx发生器工作过程中可能出现的三种工作模态，并给出了三种状态下Marx发生器的简化电路模型。借助基本工作模式的原理特性进一步的分析了在容性负载下Marx发生器的整体工作特性，分析了容性负载工作条件下可能出现的瞬时电流过大的情况。对于这种情况，分析总结了现有的保护限流电路的特点，比较了不同处理方式的优缺点。

其次，本文通过分析MOSFET、IGBT的内部结构、工作原理，并介绍这两种器件的工作特性。结合电压驱动型器件的工作原理和输出特性，分析了一种能够快速响应且不会发生故障锁死的保护电路，能够轻松的应对容性负载或负载不确定的情况，对瞬间的过流可实现柔性可变的自主限制，同时在正常情况下也不会影响固态Marx的脉冲上升沿陡度等输出性能。

最后，给出了实际的Marx发生器的整体设计方法，为了验证该设计的可行性，搭建了实物平台进行验证。实验结果表明，本文所提出来的驱动及其保护电路在实际应用中，对电路能起到有效地保护而且对输出脉冲的上升沿几乎没有影响，具有很高的应用价值。

关键词：脉冲功率，固态Marx发生器，容性负载，过流保护，驱动电路

Abstract

Pulse power is increasingly used in industrial applications. Solid-state Marx generators—an important means of generating pulse power—have gained widespread acceptance and adoption, but solid-state Marx generators exhibit switching devices and energy storage under capacitive loading. Capacitor performance changes or even damage due to excessive current.

This paper describes the circuit structure of a typical Marx generator, and analyzes the three operating modes that may occur during the operation of the Marx generator, and presents a simplified circuit model of the Marx generator in three states. Based on the principle characteristics of the basic working mode, the overall operating characteristics of the Marx generator under capacitive load are further analyzed, and the transient current excess that may occur under capacitive load operating conditions is analyzed. For this situation, the characteristics of the existing protection current limiting circuit are analyzed and summarized, and the advantages and disadvantages of different processing methods are compared.

Secondly, this paper analyzes the internal structure and working principle of MOSFET and IGBT, and introduces the working characteristics of these two devices. Combined with the working principle and output characteristics of the voltage-driven device, a protection circuit that can respond quickly and does not malfunction is analyzed. It can easily cope with capacitive load or load uncertainty, and can be used for transient overcurrent. Achieving a flexible and variable autonomous limit, while under normal conditions does not affect the output performance of the solid-state Marx pulse rising edge steepness.

Finally, the actual design method of the actual Marx generator is given. In order to verify the feasibility of the design, a physical platform is built for verification. The experimental results show that the proposed driver and its protection circuit can effectively protect the circuit and have little influence on the rising edge of the output pulse. It has high application value.

Keywords: pulse power, solid-state Marx generator, capacitive load, overcurrent protection, drive circuit

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 脉冲功率技术概述 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 课题背景 6

1.4 本文研究内容 7

第2章 容性负载下固态Marx发生器特性分析 8

2.1 传统Marx发生器工作原理 8

2.2 容性负载下固态Marx发生器的特性 10

2.3本章小结 11

第3章 半导体功率开关器件的驱动与保护 12

3.1 电压驱动型开关器件工作原理 12

3.1.1 MOSFET内部结构以及工作原理 12

3.1.3 IGBT内部结构及其工作原理 13

3.2 电压型器件工作特性分析 15

3.2.1 MOSFET工作特性 15

3.2.1 IGBT工作特性 16

3.3 驱动保护电路分析 17

3.3.1 驱动电路工作原理 17

3.3.2 驱动电路参数设计方法 19

3.3.3 容性负载下的保护措施 20

3.4 本章小结 24

第4章 Marx发生器的设计及其实验分析 25

4.1 Marx发生器的设计 25

4.1.1整体电路设计 25

4.1.2 主拓扑参数设计 26

4.2 原理样机介绍 27

4.3 实验结果分析与总结 28

4.4本章小结 31

第5章 总结 32

致谢 33

参考文献 34

附录 36

第1章 绪 论

1.1 脉冲功率技术概述

脉冲功率技术，就是通过电力电子等技术，采用经济、可靠的方式缓慢的将一种形式的电能转换到高能量密度储能器中进行存储，然后通过快速开关器件等电子元件，将小功率长时间存储的能量，转换至短时间大功率的电物理技术。它的本质是把高密度能量的释放过程在时间轴上大幅度地压缩，这就可以得到在超短时长内输出很高的脉冲功率。其基本原理如图1.1所示。

图1.1 脉冲功率形成原理

20世纪30年代，研究人员Kingdon 和Tanis首次提出并尝试使用高压电容进行瞬时放电，形成us量级时间宽度的X射线，这就是人类历史上脉冲功率技术的最早的应用与实现，也被视为是现代功率脉冲技术的起源。紧接着，前苏联的研究人员成功研制了一种特殊的X射线管，并将X射线照相技术应用在军事上的弹道学以及爆轰学试验^[1]。最早在军事国防需求上，脉冲功率也主要用于模拟核武器效应。随着人类社会的迅捷发展进步，科技水平的大幅提升，国际局势也变得波诡云谲，因此各国之间为了能够获得足够的国际地位，大力发展自身的军事国防力量，对军事国防新型技术的需求也变得日新月异。在第二次世界大战这段时间内，多个国家企图将脉冲功率用于作战用的电磁炮。到了20世纪80年代，一方面是高能激光器、定向束能武器、电磁炮等军事应用需求的逐步扩大；另外一方面则是能源危机对人类社会造成的危机感，使得受控热核聚变研究得到了大力发展。都使得脉冲功率技术既有了发展的背景温床，又有了实际的应用需求能够展现脉冲功率技术的巨大发展潜力，同时随着应用场景对于性能要求的逐步提高，不断地提高脉冲能量、脉冲功率大小、脉冲上升沿速度、脉冲输出重复频率、稳定性、使用寿命，得到更低的脉冲顶降，也使得对相关研究人员提出了更高的研究目标，从而推动了脉冲功率技术朝着更高水平的方向发展，这一时期也是脉冲功率技术高速成长并成为一门独立科学的辉煌时期。

Marx发生器技术是一种产生高功率脉冲的重要技术手段，由Erwin Otto Marx在1924年提出，已经发展了近百年的时间。借助这一技术能进行人工闪电实验、模拟浪涌电压等^[2]。它是一种只需提供低等级直流电压作为能量输入，然后通过控制开关器件以形成不同的电流通路从而实现电容器的“并联充电，串联放电”的高压发生装置。