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系统并网技术
★ 4.0
基于带触发加速电路雪崩晶体管的高功率高重复频率纳秒Marx发生器
High Power and High Repetition Frequency Nanosecond Marx Generator Based on Avalanche Transistor With Triggering Acceleration Circuit
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 高压纳秒脉冲 Marx - 银行电路 雪崩双极结晶体管 触发加速电路 高脉冲重复频率 |
语言:
中文摘要
具有高脉冲重复频率(PRF)和窄脉冲宽度的高压纳秒脉冲在高功率应用中得到了广泛应用。基于雪崩双极结型晶体管(ABJT)的M×N级马克思发生器电路(MBC)兼具结构简单和输出幅度高的优点,使其成为满足上述需求的有效脉冲发生器。然而,由于第一级ABJT的可靠性较差,传统M×N级MBC的脉冲重复频率未能得到有效提高。在这项工作中,通过仿真和实验分析并解释了由缓慢电压斜坡触发的第一级ABJT的易损特性。在此基础上,提出了一种带有触发加速电路(TAC)的改进型4×12级MBC。通过提高TAC产生的电压斜坡的触发速度,有效提高了4×12级MBC中最易失效的ABJT的可靠性。此外,进一步分析了MBC - TAC中各元件对输出特性的影响,并验证了其高脉冲重复频率和高可靠性。4×12级MBC - TAC实现了5.1 kV的输出幅度、1.57 ns的上升时间、4.07 ns的脉冲宽度以及200 kHz的脉冲重复频率。对MBC - TAC的这项研究和改进为基于ABJT的MBC的应用提供了参考。
English Abstract
The high voltage nanosecond pulses with high pulse repetition frequency (PRF) and narrow pulse width are widely used in high power applications. The M×N-stage Marx-bank circuit (MBC) based on the avalanche bipolar junction transistors (ABJTs) combines the advantages of simple construction and high output amplitude, making it an effective pulse generator for the above requirements. However, PRF of traditional M×N-stage MBC is not improved effectively due to the poor reliability of ABJTs at 1-stage. In this work, the vulnerable properties of ABJT which is at first-stage and triggered by a slow voltage ramp are analyzed and explained by simulation and experiment. On this basis, a modified 4×12-stage MBC with a triggering acceleration circuit (TAC) is proposed. The reliability of the most failure-prone ABJT in 4×12-stage MBC is improved effectively by increasing triggering speed of the voltage ramp generated from TAC. Moreover, the influences of the components in MBC-TAC on the output characteristics are further analyzed and the high PRF and high reliability are verified. The 4×12-stage MBC-TAC achieves an output amplitude of 5.1 kV, a rise time of 1.57 ns, a pulse width of 4.07 ns, and a PRF of 200 kHz. This investigation and improvement of MBC-TAC provides a reference for the applications of MBCs based on ABJTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于雪崩晶体管的高频纳秒脉冲Marx发生器技术具有显著的潜在应用价值,特别是在功率电子器件测试、电磁兼容性验证以及先进电力电子系统开发等领域。
该技术实现了5.1 kV输出幅值、200 kHz重复频率和纳秒级脉冲宽度的突破,这对阳光电源在光伏逆变器和储能变流器的关键器件测试方面具有重要意义。高频纳秒脉冲可用于模拟IGBT、SiC MOSFET等功率半导体在极端瞬态条件下的行为特性,帮助我们优化器件选型和电路保护设计。特别是在储能系统的双向变流器开发中,这种高重复频率的脉冲测试能力可以加速产品可靠性验证周期。
技术层面上,该方案通过触发加速电路(TAC)有效解决了传统Marx电路中第一级晶体管可靠性差的瓶颈问题,这种改进思路与我们在逆变器拓扑优化中追求的"弱点强化"理念高度契合。然而,该技术目前仍处于实验室阶段,距离工业化应用存在明显差距。主要挑战包括:雪崩晶体管的一致性和长期稳定性问题、系统集成复杂度较高、以及成本效益在大规模测试应用中的可行性。
从战略角度看,阳光电源可关注该技术在三个方向的演进:一是作为内部研发测试平台的补充工具;二是探索在电能质量治理设备中产生特定波形的可能性;三是跟踪其在等离子体点火、脉冲功率等交叉领域的应用拓展,为氢能电解等新业务储备技术洞察。建议保持技术跟踪,待可靠性和成本指标成熟后再评估深度合作的可行性。