当前，高压脉冲电源广泛应用于轨道交通、军事武器以及生物电磁学等各个领域，随着电力电子器件的优化，脉冲功率技术的发展势头火热，对该系统设计的要求重点集中于高重频，高幅值，快前沿三大方面。其中 Marx 脉冲发生器的结构简单，在输出频率和脉冲宽度的调节上表现出较强的灵活性，且易于小型化和模块化设计，高度符合当前脉冲功率发生器发展的主流方向，具有重要应用价值和研究意义。
本文以 Marx 脉冲发生器为核心，对比介绍了典型 Marx 拓扑结构的优缺点，提出了采用二极管隔离，RLC 谐振充电的改良型 Marx 电路，详细分析了其工作原理并对参数进行设计，利用 PSPICE 软件仿真验证了延缓输出上升沿的三大因素，其中包括功率开关管本身特性，开通时间一致性以及电路中的寄生参数，并针对其为陡前沿
输出带来的影响提出了相应的解决办法。首先本文采用实验室自研 3300 V 耐高压 SiC MOSFET，提高了单级 Marx 脉冲发生器的储能电压，有效降低了级数，解决了传统Marx 级数过高带来的充电过程电压跌落，系统结构冗长引起的输出幅值难以倍增，上升沿变缓等问题，且针对 Marx 单级储能电压提高，本文提出了全桥逆变倍压整流电路用以处理现阶段传统高增益 DC-DC 变换器供电电压较低，无法满足单级 Marx充电电容高压供电的难题，并通过 PSIM 仿真验证了其可行性。其次，由于开关管开通时间的一致性直接影响 Marx 脉冲发生器的输出前沿，本文深入优化设计了纳秒级可调的同步驱动电路，其中包括驱动电路稳压模块设计，低延时的串芯磁环输出，施密特与非门结合可调电位器实现驱动的无级可调，实现了多级 Marx 脉冲发生器开关管的同步驱动。同时，为确保开关管在不同电位下的持续导通，本文采用高位自取能方式解决其驱动供电问题。除此之外，本文在电路寄生参数方面做了优化，按电压等级划分 PCB 板布线区域，提出了两级 Marx 电路单板正反面对应位置上下器件电流方向相反的布局，弱化放电回路中的自感现象，减小电流环路面积，相邻板级采用了低寄生电感的多级模块并联压接结构，降低回路杂散电感，有效提高系统的动态响应，实现脉冲陡前沿输出。
最后通过搭建 4 级 Marx 脉冲发生器系统实验样机验证上述设计的可行性，实验结果表明经优化设计后的 Marx 脉冲发生器可实现上升时间仅为 25 ns，峰值 5.2 kV的低级数高压输出。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
脉冲功率技术（Pulsed Power Technology）的基本工作机理是利用储能元件将能量进行储存和压缩，然后利用开关的瞬时导通在短时间内将能量快速释放于负载实现高压脉冲输出。该技术主要包含充电电源，功率开关管，储能元件，隔离驱动四个部分，典型的功率脉冲系统组成框图如图 1.1 所示。
脉冲功率技术因其特有的瞬时性、高功率性、可重复性而具有其独特的应用价值[1]。早期的脉冲技术重点应用于高功率激光武器，核爆炸模拟等国防项目领域，经过将近一个世纪左右的深入研究和发展，人们对其电路结构不断改良和优化，其应用范围不再仅仅局限于军事系统，而是日益扩大到环境，工业，医疗领域，具体体现在脉冲发生装置下电离产生的低温等离子可以加速工业废气的氧化提高空气质量；吸附水中杂质，抑制藻类生长；材料表面改性，放射性物质清理；肿瘤治疗，体外击碎结石等等。
当前，国家倡导产业技术“绿色化”发展，如何合理利用现有技术高质量，高效的解决上述问题已经不可置否的成为了脉冲功率技术发展的主流方向，对脉冲功率系统设计的要求集中于高重频，高幅值，快前沿三大方面。以闸流管、火花间隙等气体开关为主的传统脉冲电路，由于连续状态下弧光放电会对电极存在不可逆损伤，故该类开关的使用寿命短且仅适用于百赫兹以下的低频脉冲电路。上世纪末，在国家大力推进微电子产业创新发展的背景下，以碳化硅、氮化镓、氧化锌，金刚石为代表的第三代半导体材料开始崭露头角，由于第三代半导体材料在禁带宽度，导热率，抗辐射能力上具有显著优势，门级可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）、电力晶体管(Giant Transistor，GTR)、场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET），绝缘栅双级晶体管（Insulated-gate Bipolar Tranaistor，IGBT）等固态开关应用而生。特别是在功率脉冲电路中，半导体开关所特有的快开通，耐高压，长寿命等特点对系统输出的上升时间，电压幅值，重复频率和脉冲宽度有着决定性的作用，为突破以往因器件造成的功率脉冲发生器级数多，上升沿较缓的瓶颈，充分发挥器件本身的优势，对脉冲功率系统拓扑的优化和改良具有广阔的发展前景和重要研究意义。
1.2 课题国内外发展与研究现状
1.2.1 脉冲功率技术概述
脉冲功率的特点主要体现在高电压变化率（dv/dt）和高电压幅值两大部分。目前，高电压电源在工业、环境、医疗和军事等领域应用较广且对其灵活性和高效性提出了更高的要求。针对不同的应用中，诸如上升和下降时间、脉冲宽度、重复频率、电压能级等脉冲特性变化存在明显差异。目前脉冲功率形成技术包括主要有脉冲变压器升压型、多固态开关串联型、加法式高压脉冲叠加型、Blumlein 传输线型、Marx 型五种。
（1）脉冲变压器升压型
脉冲变压器升压型功率形成技术实质是先把直流电压经过电路处理转化为双极性方波，通过变压器将该波形提高相应倍数，使输出达到所需电压范围，其电路结构如图 1.2 所示。
20 世纪初期，国外相关研究人员就已成功搭建了高压脉冲实验样机，初步实现12 kV 的脉冲电压输出。到 21 世纪初，美国同样利用该工作原理将输出脉冲电压幅值提高至 30 kV；同期，Rocher 等人研制的一款升压型脉冲发生器将频率提高至百千赫兹级别。但在该电路结构中，变压器的体积过大不利于系统的小型化，故其通常用于大型工业场合。
（2）多固态开关串联型
由于单个固态开关的耐压值较低，不足以承受几十千伏的脉冲电压输出，为均衡电压该类脉冲发生器采用高压直流电与多个固态开关管串联，利用开关管的瞬时导通实现脉冲输出，其拓扑结构如图 1.3 所示。
该方式具有重复频率高，小体积，长寿命等特点，但其对固态开关导通时间的一致性要求较为严苛，一旦出现单个开关导通延时，电路中的串联开关管则会由于电压分配不均发生击穿。
（3）加法式高压脉冲叠加型
加法式高压脉冲发生器的工作原理是将多个脉冲变压器输出等级较低的脉冲信号借助次级变压器线圈连接起来而叠加，使得在负载两端获得高压脉冲[2]，图 1.4 为其对应拓扑结构。该脉冲发生器的前级储能环节互补干扰，易于模块化设计，但变压器的存在使得输出脉冲的脉宽受限。
（4）Blumlein 传输线型
传统的 Blumlein 传输线型功率脉冲发生器如图 1.5 所示，早在二十世纪中期Blumlein 传输线型变压器技术已经被广泛应用于脉冲功率领域，其内部结构主要包括高压电源，限流电阻，开关管，以及两条线宽，长度和材质完全相同的传输线。前期开关管断开时，高压电源，限流电阻与传输线形成充电回路，开关管闭合后，Blumlein线上存储的能量将以电压波的形式来回折返，最终在负载两端形成稳定的脉冲方波。该方式适用于大功率场合，具有低损耗，小体积，宽频带等优点，但其输出脉冲受波阻抗匹配影响较大。
（5）Marx 型
Marx 型电路是最为常见的放电式脉冲形成电路，相较于其他脉冲发生器，其成本低，高性能，结构简单，更易实现。基本工作原理是开关断开，各级电容并联，电源对电容进行充电；开关闭合，电容串联放电输出瞬时高压脉冲，随着级数的增加，由于电容器串联后相应的时间常数减小，不同电容器的放电时间缩短。图 1.6 为典型的电阻型 Marx 电路原理图。
综合以上几种脉冲发生器形成电路，多固态开关串联式脉冲形成电路的结构简单，选用开关器件不同，最终输出脉冲宽度，上升沿快慢也会有明显的差异，而且初级系统需要提供超高压直流电来保证脉冲幅值的大小，一般的电力电子器件无法满足耐压需求，这无疑增加了电路成本；脉冲变压器升压型电路和加法式高压脉冲叠加型电路的输出脉冲宽度受限于变压器磁芯伏秒特性，并且其体积较大，不利于小型化设计；在多级 Blumlein 传输线脉冲系统中，除第一级单元外，后级的每个小单元将会与地之间形成通路，故而其工作过程复杂繁琐[21]，波阻抗匹配难度较大极易造成输出脉冲电压波形的畸变；相较于以上四种脉冲形成电路，Marx 型发生器其不仅结构简单，单级包含器件较少而且在输出频率和脉冲宽度的调节上灵活较强，易于小型化和模块化设计，高度符合当前脉冲功率发生器发展的主流方向值得人们重点关注和研究。
1.2.2 Marx 脉冲功率发生器的国内外发展与研究现状
针对 Marx 功率脉冲技术的研究，最早由二十世纪初期德国科学家 Erwin Otto Marx 提出，采用了火花间隙开关，两端电压达到一定值后自动击穿空气导通，触发电容串联放电，但由于开关的局限性，其主要被用来能模仿雷电及操作过电压等重复频率相对较低的实验场合。
二十世纪末期到二十一世纪初期，对高压脉冲发生器的主要应用领域扩展为污水处理方向，上海海事大学静电研究所孙明等人分析了不同脉冲峰值电压，重复频率对降解偶氮类染料废水的影响[22]；清华大学电机工程与应用电子技术系的张弛等人对双极型脉冲放电降解水中五氯酚做了相关实验，实现了在峰值电压范围为 0~100 kv，重复频率 300 Hz 以下，脉宽为 500~1000 ns 的双极型脉冲输出，加速了污水中有机物的降解。
2010 年，上海复旦大学光电研究所刘克富等人提出了一种基于全固态 Marx 脉冲发生器的新型双极高压调制器拓扑结构[13]，用于产生快速窄脉冲。结合了传统单极全固态 Marx 调制器的优点，电路采用了双开关型拓扑结构，利用磁环变压器将充电电路与高压脉冲输出进行隔离，在 2 kHz 重复频率下，8 级 Marx 串联可输出上升时间53 ns，幅值为 2 kV 的双极性脉冲电压。2014 年，为提高输出脉冲电压幅值该光电研究所又提出了用于介质阻挡放电脉冲等离子体的重复高压全固态马克思发生器，该实验利用 FPGA 产生控制信号，变压器隔离栅极驱动电路，实现了 36 级 Marx 串联输出上升沿 200 ns，幅值 30 kV 的脉冲电压[14]。同年，在陡化输出脉冲上升沿上又提出了由 Marx 发生器、脉冲形成线（PFL）和磁开关（MS）组成的全固态高压矩形脉冲发生器，对其进行了 PSPICE 仿真和实物搭建，最终在负载为 50Ω 的电阻上输出上升时间 46 ns，12.5 kV 的高压脉冲[15][14]，但该方式不仅需要精准计算电感感值，而且还要考虑磁开关和脉冲形成线的匹配，设计难度较高。
随后，葡萄牙里斯本大学 L. Lamy Rocha，J. Fernando Silva 等人研制一种光电隔离驱动的 Marx 发生器。驱动信号传输到光纤发射机，由光纤发射机将电信号转换为光信号，由驱动芯片驱动半导体开关实现功率放大[15]。一个开关对应一个控制信号，控制信号数量巨大。而且光电转换时间较长，极易导致各级开关导通不同步，输出脉冲上升沿较缓。
近几年，随着电力电子器件的不断优化，Marx 电路的高电压，窄脉宽，快上升沿输出成为当前的重点研究课题。2016 年南京工业大学设计了基于 Marx 电路的纳秒级高压脉冲电源系统[7]，该系统使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为主电路开关管，实现了 25 级 Marx 串联输出 10 kV，上升沿 50 ns 的高压脉冲，其能有效处理工业废水中的杂质，在环境保护领域应用前景广阔。
2019 年中国科学院电工研究所韩静等人提出了级联型高压重频微秒脉冲电源
[17][16]，将每级 Marx 模块化且采用光纤触发，实现了 40 级 Marx 电路输出 20 kv 脉冲电压；2020 年，重庆大学曾伟荣在脉冲电源技术领域采用了一种用于自触发高频纳秒脉冲的电路[4]，其主要通过级间电容的高势能获取技术代替复杂的隔离驱动电路，使得在 10 kHz 条件下，20 级串联 Marx 输出脉冲电压达到 15.3 kv，将上升时间缩短为近百纳秒；同年，为增强系统的抗干扰性，上海理工大学饶俊峰基于 SiC MOSFET功率器件提出多路 Marx 并联高压脉冲拓扑结构[3]，采用 6 路 4 级 Marx 并联结构，有效减小系统内阻和杂散电感，提高系统上升沿和带载能力，大大减少了功率开关的数量，压缩了实验样机的体积，达到 16 级 Marx 串联输出 10 kV，上升时间 230 ns 的幅值电压；2023 年该课题组设计了单级尺寸为 23 cm×10 cm×12 cm，24 级 Marx 串联输出 14 kV 纳秒级脉冲。
综上所述，我们可以发现当前仅仅凭借串联 Marx 电路难以实现陡前沿高压脉冲输出，现有的 Marx 脉冲发生器欲输出 10 kV 以上的幅值，通常需要几十级 Marx 串联，但一昧的增加 Marx 级数来提高脉冲幅值势必会出现电路冗长，布线复杂；充电过程电压跌落，电容不能充到预计电压以及放电时过多开关难以保证同时导通而造成驱动时间延长，甚至出现“台阶式”放电。但 Marx 电路本身特有的结构简单，易小型化，模块化设计仍是脉冲功率技术研究的大方向，因此采用各种方式如依靠磁开关技术压缩，改善驱动电路同步性，降低寄生参数等等来重点解决 Marx 输出电压上升沿缓慢的现象迫在眉睫。
1.3.1 功率器件对输出陡前沿脉冲的影响
Marx 脉冲发生器输出电压上升时间的理论值直接受限于开关管的导通时间，除此之外开关管导通电阻的大小和耐压值的高低也影响 Marx 脉冲电压输出效率和单级模块的充电电压，因此开关管的材料和类型的选择对 Marx 脉冲发生器而言至关重要。
过去 Marx 脉冲发生器中的功率开关普遍使用以 IGBT 为代表的 Si 基器件，但在开关速度上存在一定的局限性，现在随着半导体的急速发展，以碳化硅（SiC）为主的宽禁带半导体材料因其较大的禁带宽度，高击穿场强、高电子饱和速率、强抗辐射能力等特性开始被人关注[18]，甚至在特定应用场合逐渐取代 Si 基器件。其突出优势如下：
（1）较低的通态损耗：功率器件的通态损耗取决于其在对应回路中的导通电阻Ron，由 P=I2R 可知导通电阻越小相同电流下电路中的通态损耗越低，系统的能量转换效率越高。
（2）反向恢复特性好：SiC MOSFET 体二极管相比于 Si MOSFET 反向恢复时间trr和反向恢复电流 Irr 明显减小，恢复损耗大大降低。
（3）高功率密度：有利于提高 SiC 功率器件的开关频率，降低磁性元件的尺寸，减小体积，利于电路小型化设计。
（4）散热性能好：对比 Si 器件其具有更高的耐压值，SiC 器件本身具有的高导热性可以减少电路中散热器的使用，可以有效降低变换器散热器的体积。
受限于材料本身特性，表 1.1 为 IGBT（型号为 IGW25N120H3FKSA1）和 SiC MOSFET（型号为 SCT3160KLGC11）的基本参数对比。
由上表我们可以得出 SiC 器件相比于 Si 基器件而言具有突出优势，即 SiC MOSFET 的开关延时时间明显缩短，开关损耗降低，理论上器件的输出功率和集成度将越来越高[19]。SiC 器件在高频、大功率应用场合具有举足轻重的作用，因此在设计Marx 功率脉冲发生器时选用 SiC MOSFET 可以加快开关的导通速度，从而大大减小脉冲电压的上升时间；更利于优化电路性能，实现纳秒级输出指标要求。
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