一种基于磁感应均流并联开关的尾切Marx发生器

本发明涉及脉冲功率源，具体涉及一种基于磁感应均流并联开关的尾切marx发生器。

背景技术：

1、近年来，脉冲功率技术广泛运用于食品加工、微藻处理、等离子体反应、水中放电等领域。在这些应用场景，由于其低阻抗负载特性，除了高电压的脉冲输出需求，也需要能够产生大电流。其脉冲发生器也正向着更大功率趋势发展。同时为满足低成本、短脉宽、高重频的大规模工业化应用需求，对脉冲源及其开关器件提出了更高要求。产生高压脉冲的典型方法包括磁压缩、blumlein脉冲形成线、线性变压器驱动器(ltd)、marx等。前者磁压缩结构复杂，blumlein脉冲形成线需要阻抗匹配；后者ltd可以产生大电流脉冲输出，而由于其效率低、体积大且脉宽受磁芯限制，大规模工业化运用难以实现。相较于以上脉冲产生方法，全固态marx电路具有结构简单、参数灵活可调、可多模块堆叠等优势，可满足更多的场景需求，有着更为广阔的运用前景。marx可通过多模块堆叠实现高电压输出，但其输出电流受限于所使用的开关器件。目前，商用的单个sic mosfet额定电流仍非常有限，提高全固态marx发生器的额定输出电流是一个需要解决的难题。

2、现有的marx级间并联方案可以在低阻抗负载上输出高电流脉冲。但其模块并联的方案增加了脉冲发生器体积和结构的复杂度，同时其并联的模块之间也未采取均流措施，模块间存在的电流不平衡对整个脉冲发生器的稳定运行带来极大的挑战。而相比之下，sicmosfet并联是一种提高marx脉冲发生器输出电流和功率更简单、高效的解决方案。然而，由于器件之间的参数存在分散性，回路寄生参数缺乏一致性，两个或者多个sic mosfet并联时，不同并联开关支路不可避免地会存在电流不均衡的现象，包括导通后的静态电流不均衡，以及开关动态过程中产生的瞬态电流不均衡。保证sic mosfet并联均流是发生器的长期稳定运行的前提，也是目前尚未解决的挑战。

3、现有的marx级间并联方案可以在低阻抗负载上输出高电流脉冲。但其模块并联的方案增加了脉冲发生器体积和结构的复杂度，同时其并联的模块之间也未采取均流措施，模块间存在的电流不平衡对整个脉冲发生器的长期可靠稳定运行带来极大的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于磁感应均流并联开关的尾切marx发生器，包括：控制信号产生模块、光电隔离驱动模块、固态开关驱动模块、磁感应均流模块、尾切marx发生器输出模块和负载。

2、所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号。

3、所述光电隔离驱动模块用于消除尾切开关和固态开关的高电位悬浮。

4、所述固态开关驱动模块接收到开关控制信号后，控制尾切marx发生器输出模块中各尾切开关管和固态开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。

5、所述磁感应均流模块用于消除固态开关间的不均流。

6、所述尾切marx发生器输出模块用于生成脉冲信号，并将脉冲信号输入负载。

7、所述尾切marx发生器的电路拓扑如下所示：

8、记直流电源vdc正极所在的一端为a端，负极所在的一端为b端，b端接地。

9、所述尾切开关bs1-bsn均采用mosfet开关，且栅极均悬空。

10、所述a端连接二极管d1的阳极，二极管d1的阴极连接电容c1后连接至b端。

11、所述二极管d1的阴极连接磁感应均流并联开关模块micb1后连接至尾切开关bs1的漏极，尾切开关bs1的源极连接至b端。

12、所述二极管di的阴极连接电容ci后连接尾切开关bsi的源极，其中，i＝2,3,...,n，n为正整数。

13、所述二极管di的阴极连接磁感应均流并联开关模块micbi后连接至尾切开关bsi的漏极。

14、所述尾切开关bsi的源极连接尾切开关bsi-1的漏极。

15、所述二极管di的阳极连接二极管di-1的阴极。

16、所述尾切开关bsn的漏极连接负载rl后连接至尾切开关bs1的源极。

17、进一步，所述尾切marx发生器还包括上位机。

18、所述上位机生成电路参数，并传输至控制信号产生模块，使控制信号产生模块生成开关控制信号。

19、进一步，所述尾切marx发生器的工作过程包括并联充电阶段、串联放电阶段、尾切开关工作阶段。

20、进一步，当尾切marx发生器工作在并联充电阶段时，磁感应均流并联开关模块micbi处于断开状态，闭合尾切开关bs1-bsn，直流电源vdc通过二极管d1-dn、尾切开关bs1-bsn向电容c1-cn充电。

21、进一步，所述尾切marx发生器工作在并联充电阶段时，电容c1-cn的电压与直流电源vdc输出电压相等，如下所示：

22、vdc＝vc1＝vc2＝...＝vcn (1)

23、式中，vc1-vcn为电容c1-cn的电压。

24、进一步，当尾切marx发生器工作在串联放电阶段时，磁感应均流并联开关模块micbi处于导通状态，断开尾切开关bs1-bsn，电容c1-cn与磁感应均流并联开关模块micbi形成串联回路，对负载rl放电。

25、进一步，所述尾切marx发生器工作在串联放电阶段时，负载rl上的脉冲幅值ul如下所示：

26、ul＝n*vc (2)

27、式中，vc为单个电容放电的电压，n为放电电容总数。

28、进一步，当尾切marx发生器工作在尾切开关工作阶段时，磁感应均流并联开关模块micbi处于断开状态，闭合尾切开关bs1-bsn，负载rl上的电荷经尾切开关bs1-bsn快速释放。

29、进一步，所述磁感应均流并联开关模块micbi的电路拓扑如下所示：

30、第一传输线和第二传输线对称的缠绕在磁环的两侧。

31、记第一传输线的一端为g端，另一端为h端。第二传输线的一端为i端，另一端为j端。

32、记磁感应均流并联开关模块micbi的电流输入端为k端，输出端为l端。

33、所述固态开关s1、固态开关s2均采用mosfet开关。

34、所述g端连接k端。

35、所述i端连接k端。

36、所述h端连接固态开关s1的漏极，固态开关s1的源极连接至l端。

37、所述j端连接固态开关s2的漏极，固态开关s2的源极连接至l端。

38、所述固态开关s1的漏极连接电容cds1后连接至固态开关s1的源极。

39、所述固态开关s1的漏极连接电容cgd1后连接至固态开关s1的栅极。

40、所述固态开关s1的栅极连接电容cgs1后连接至固态开关s1的源极。

41、所述固态开关s2的漏极连接电容cds2后连接至固态开关s2的源极。

42、所述固态开关s2的漏极连接电容cgd2后连接至固态开关s2的栅极。

43、所述固态开关s2的栅极连接电容cgs2后连接至固态开关s2的源极。

44、所述固态开关s1的栅极连接电阻rg1后连接至l端。

45、所述固态开关s1的栅极连接电阻rg2后连接至固态开关s2的栅极。

46、进一步，所述尾切marx发生器的脉冲输出电压电流幅值、脉冲宽度、脉冲频率均可调。

47、所述尾切marx发生器输出的电压幅值范围为500v-5kv。

48、所述尾切marx发生器输出的脉冲宽度范围为50ns-1000ns。

49、所述尾切marx发生器输出的脉冲频率范围为1hz-1khz。

50、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种基于磁感应均流(magneticinduction current balance micb)并联开关的尾切marx发生器。采用磁感应均流(magnetic induction current balance micb)技术，仅用一个耦合线圈有效抑制了脉冲产生过程中出现的开关瞬态和静态不平衡电流，解决了并联开关器件间不均流问题，实现marx发生器的更大脉冲电流输出，保证脉冲发生器大电流输出的可靠性和稳定性。

51、本发明的有益效果包括：

52、1.本发明通过sic mosfet开关并联更简单、高效地实现了marx发生器更大脉冲电流和功率的输出，电路拓扑结构简单、参数灵活可调、可多模块堆叠。

53、2.本发明采用的磁感应均流技术解决了并联开关器件间不均流问题，保证了并联sic mosfet脉冲发生器大电流输出的可靠性和稳定性。

54、3.本发明提出的基于磁感应均流并联开关的尾切marx发生器，其脉冲输出电压电流幅值、脉冲宽度、脉冲频率均灵活可调。