陡化前沿Marx发生器的阻抗特性

·脉冲功率技术·自触发驱动的全固态Marx 发生器*饶俊峰， 李恩成， 王永刚， 姜　松， 李　孜（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）摘 要： 随着全固态高压脉冲发生器在材料改性、生物医学和工业等领域上的广泛应用，全固态脉冲发生器正朝着小型化、智能化和模块化方向发展。

为了进一步减小电源的体积、降低成本，提出了一种自触发驱动的正极性全固态Marx 发生器的拓扑。

只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断，通过级间电容对相邻级的放电管门极自动充电和放电，使其依次导通和关断。

这种拓扑使得Marx 发生器中的多个开关管的驱动电路简单很多，无需提供隔离供电的多路驱动电源，且避免了开关的动态、静态均压问题。

基于这种拓扑搭建了一台17级的正极性Marx 发生器样机，且电压幅值和脉宽都连续可调，在10 kΩ纯阻性负载上输出10 kV 、重复频率100 Hz 的正极性高压脉冲，脉冲前沿约为328 ns 。

样机体积小巧、工作稳定，验证了该方案的可行性。

关键词： 自触发驱动； Marx 发生器； 脉冲发生器； 脉冲功率中图分类号： TM832 文献标志码： A doi : 10.11884/HPLPB202133.200223Self-triggering all-solid-state Marx generatorRao Junfeng ， Li Encheng ， Wang Yonggang ， Jiang Song ， Li Zi（School of Mechanical Engineering , University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093, China ）Abstract ： With the wide application of all-solid-state high-voltage pulse generators in the fields of material modification, biomedicine and industry, all-solid-state pulse generators are developing in the direction of miniaturization, intelligence and modularization. To further reduce the volume and cost of the power supply, this paper proposes a positive self-triggering all-solid-state Marx generator topology. It only needs to provide an isolated signal to control the turn-on and turn-off of discharging switch in the first stage, and the gates of the adjacent-stage discharging switches will be automatically charged and discharged through the inter-stage capacitors, so that they turn on and off one by one. This topology makes the driving circuit of the multiple switches in the Marx generators much simpler and does not need to provide a multi-channel driving power supply with isolated power supplies, and also avoids the dynamic and static voltage balancing problems of the switches. Based on this topology, a 17-stage positive polarity Marx generator prototype is built, and the voltage amplitudes and pulse widths are continuously adjustable. It outputs 10 kV positive high-voltage pulses at a repetition frequency of 100 Hz over a 10 kΩ resistive load. The leading edge is approximately 328 ns. The prototype is small in size and stable in work, which verifies the feasibility of this topology.Key words ： self-triggering ； Marx generator ； pulse generator ； pulsed power高压脉冲放电产生的等离子体具有电子能量高、粒子浓度高、能量利用率高等优势[1]，在材料表面改性、杀菌、空气净化、废水处理等应用广泛[2-4]。

基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器高频高压微纳秒脉冲发生器是一种重要的脉冲电子设备，广泛应用于激光器、雷达、射频加速器等领域。

本文将介绍一种基于Marx脉冲电路和脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器设计。

一、Marx脉冲电路Marx脉冲电路是一种常见的高压脉冲发生器，能够产生高压、高能量的脉冲。

它由若干个串联的阻抗元件和开关元件组成，如图1所示。

当开关元件关闭时，阻抗元件串联起来，电荷能够储存在阻抗元件中；当开关元件打开时，储存的电荷会通过阻抗元件放电，从而产生高压脉冲输出。

Marx脉冲电路能够产生高压脉冲的原因在于它的串联结构，使得每个阻抗元件都能够充分利用储存的电荷，从而提高了输出的脉冲电压。

Marx脉冲电路还能够实现脉冲的叠加，通过合理设计阻抗元件和开关元件的数量和参数，可以实现多级串联，从而产生更高压的脉冲输出。

二、脉冲变压器脉冲变压器是一种能够实现高压升压的装置，通常在高压脉冲发生器中用于提高输出脉冲的峰值电压。

脉冲变压器的工作原理是利用电磁感应，当输入端施加脉冲电压时，通过变压器的电磁感应作用，能够将输入端的脉冲电压升高到输出端。

脉冲变压器的设计需要考虑因子包括匝比、铁心材料、绝缘材料等，以及变压器的绕组结构和绝缘保护等。

通过合理设计这些因子，可以实现高效的高压升压效果，将输入端的脉冲电压升高数倍甚至数十倍。

三、高频高压微纳秒脉冲发生器的设计在具体实现中，需要考虑Marx脉冲电路和脉冲变压器之间的匹配，尤其是在高频、微纳秒级脉冲输出的情况下，对变压器的响应特性和频率特性都有较高要求。

还需要考虑脉冲输出的稳定性和可控性，以及脉冲变压器的绝缘和耐压等性能。

基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器高频高压微纳秒脉冲发生器在科学研究和工业应用中扮演着重要角色。

它可以产生微纳秒级的脉冲信号，具有高频高压的特点，适用于多种领域的实验和应用。

基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器是一种常见的实现方式，下面将对其原理和应用进行详细介绍。

我们来了解一下Marx发生器。

Marx发生器是一种高压脉冲发生器，由数个串联的电容器和开关元件组成。

在工作时，每个电容器通过开关元件连接到下一个电容器，最终形成一个串联的电容电路。

当一定的电压施加到这个电路上时，每个电容器都会被充电，并在达到一定电压时通过开关元件放电，产生高压脉冲。

Marx发生器可以产生很高的脉冲电压，常用于工业领域和科学研究中。

接下来，我们来介绍一下脉冲变压器。

脉冲变压器是一种专门用于产生高压脉冲的变压器，它能够将输入的低电压高频信号转换成高电压的高频信号输出。

脉冲变压器通常由多级绕组和铁芯组成，通过耦合和变压作用实现电压的提升。

将Marx发生器和脉冲变压器结合起来，就得到了基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器。

其工作原理为：Marx发生器产生高压脉冲信号，然后通过脉冲变压器将这个高压脉冲信号转换成更高压的高频脉冲信号输出。

这种方式可以在保持高压的同时实现高频高压的输出，适用于需要微纳秒级高频脉冲的实验和应用。

1. 高频高压输出：通过脉冲变压器的作用，可以将Marx发生器输出的高压脉冲信号转换成更高压的高频脉冲信号，满足一些特定领域对高频高压信号的需求。

2. 微纳秒级脉冲：Marx发生器本身就能够产生微纳秒级的脉冲信号，结合脉冲变压器后，更加满足微纳秒级脉冲的需求，适用于一些精密的实验和应用。

3. 可定制化：基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器可以根据不同的需求进行定制，可以调整输出的脉冲频率、脉冲宽度和输出的高压电压等参数。

第12卷 第1期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1．12，No．1 2014年2月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Feb．，2014文章编号：2095-4980(2014)01-0089-05同轴结构快Marx发生器设计及实验甘延青a,b，宋法伦a,b，卓婷婷a,b，张 勇a,b，秦 风a,b，龚海涛a,b，金 晓a,b (中国工程物理研究院 a.应用电子学研究所；b.高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621999)摘 要：设计了一种紧凑型同轴结构快前沿Marx发生器，该发生器采用3.3 nF陶瓷电容器作为储能电容，用螺旋形空芯电感作为充电电感，通过各级气体火花开关迅速放电在负载上产生电压脉冲。

为使整个Marx发生器结构紧凑，将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构，并放置在一个密封的金属圆筒内，通过充氮气和六氟化硫的混合气体来绝缘。

采用理论及电路模拟的方法，分析了开关导通状态、分布电容、回路电感等因素对输出波形的影响。

Marx发生器的基本运行参数为：十二级Marx发生器在负载50Ω时输出电压150 kV，开路电压达240 kV，负载输出波形脉冲宽度25 ns，上升时间约10 ns，脉冲功率源能量为7.9 J。

关键词：脉冲功率技术；Marx发生器；同轴结构；小型化设计中图分类号：TN98；TM833文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201401.0089Design and experimental research on a coaxial configuration Marx generatorGAN Yan-qing a,b，SONG Fa-lun a,b，ZHUO Ting-ting a,b，ZHANG Yong a,b，QIN Feng a,b，GONG Hai-tao a,b，JIN Xiao a,b(a.Institute of Applied Electronics；boratory for High Power Microwave Technology，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China )Abstract：A compact, coaxial configuration and fast-rising time Marx generator is designed, which uses a 3.3 nF ceramic capacitor as energy storage capacitor, a spiral-shaped air core inductor as acharging inductor, and generates voltage pulses by a quick gas discharge on the loads. The Marx is fittedinto a tube with 14.5cm diameter and a total length of 47.7cm. The capacitors, charging inductors andspark gas switches are insulated with mixed gas of Sulfur hexafluoride(SF6) and Nitrogen(N2). Bytheoretical and circuit simulation, the influences of switch conduction states, distributed capacitance, loopinductance and stray capacitance on the output waveforms are discussed. The voltage output waveform onthe load(50Ω)of Marx generator is analyzed using the PSPICE, which shows that the output voltage is150 kV, the open circuit voltage is up to 240 kV, the pulse width of load output waveform is about 25 nswith 10ns rise-time, and energy of pulsed power source is 7.9 J. A lumped circuit description of the Marxthat well matches the experimental results is also given.Key words：pulsed power；Marx generator；coaxial configuration；compact在脉冲功率技术中，Marx发生器被广泛应用于各种高压脉冲的产生。

LCC串并联谐振充电高压脉冲电源设计摘要：为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲电源，将LCC串并联谐振变换器用作高压脉冲发生器的充电电源。

分析了LCC串并联谐振变换器在电流断续模式下的工作模态,给出了逆变器的参数设计原则。

用PSIM对高压脉冲电源进行仿真分析和实验分析，并验证了设计思想的正确性。

关键词：高压脉冲电源； LCC；谐振软开关；全桥逆变采用MARX发生器获取陡前沿高压窄脉冲的电路较复杂，而且陡化前沿有许多设计和工艺上的困难；采用电感断路的方式容易获取高压脉冲输出，但对电感的充电必须迅速，而且储能时间不能过长，电源需具备较高的内阻和较大的功率，而断路开关是其发展的瓶颈。

与电感储能装置相比，电容器的稳定且可重复的快速闭合开关要普及得多，电容器的能量保持时间远远大于电感储能装置，并且可以小电流充电降低对充电功率的要求。

充电电源的高效率和小型化主要由充电电路决定，传统高压功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲，因而大都比较笨重，且获得的脉冲频率范围有限，其重复频率难以调节控制、脉冲波形不稳定、可靠性低、成本高。

本文将LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源。

LCC串并联谐振变换器结合了串联谐振变换器抗短路特性和并联谐振变换器抗开路特性的优点[1]，在输出电压、输出电流强烈变换的场合有着良好的特性和较高的变换效率。

本文介绍了系统结构及LCC充电电路原理，以及采用通过仿真软件PSIM对LCC充电过程和发生器放电输出进行的仿真分析。

1 LCC谐振变换充电高压脉冲电源系统结构1.1 电源主电路结构和工作原理电路由工频整流滤波、功率因数校正电路PFC(Power Factory Correction)、LCC谐振变换器、高频整流、电容充电储能、电感缓冲隔离、IGBT全桥逆变及脉冲升压变压器等单元构成。

电路工作过程：220 V交流通过整流滤波和PFC校正得到输出连续可调的直流，通过LCC串并联谐振逆变经高频升压后向储能电容C充电，经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。

晶闸管marx发生器电路及充放电特性晶闸管MARX发生器是一种高效且多功能的发生器，其具有现有发生器中所没有的一些特性。

晶闸管MARX发生器电路及充放电特性随着来技术的发展而得到显著的改进，因此受到了广泛的关注。

本文就晶闸管MARX发生器电路及充放电特性进行深入的研究。

首先，关于晶闸管MARX发生器电路，它主要由以下几个组件组成：晶闸管、晶体管、调节电压、继电器和电容。

晶闸管可以在充放电过程中承受巨大的功率，可以实现快速而有效的放电和充电。

晶体管可以控制晶闸管的放电和充电过程。

调节电压可以根据晶闸管的工作状态调整电压以实现最佳的充放电效果。

继电器可以连接晶闸管的各个端口，实现不同的放电和充电模式，以最大限度地提高发生器效率。

电容可以缓冲放电期间产生的电流波动，从而有效稳定电路的运行。

其次，晶闸管MARX发生器充放电特性主要有两种：充放电时间和充放电曲线。

充放电时间是指晶闸管在充放电过程中所花费的时间，这个时间需要经过一个精确的运行周期，使其可以尽可能快地充放电，以最佳的性能完成充放电任务。

充放电曲线是一种数据反映，它可以描绘出电压、电流、功率、能量等充放电过程中产生的变化。

最后，晶闸管MARX发生器具有优越的充放电性能，可以有效地提高系统效率。

它的关键在于精确的控制充放电时间以及设计出高效的晶闸管电路，使其可以尽可能快地发挥出最佳的性能。

该发生器的特点在于可以根据不同的需求，实现充放电控制的准确度和灵敏度，为系统带来极大的便利。

综上所述，晶闸管MARX发生器的发展把充放电特性和发生器性能进一步发挥出来，以满足用户的不同需求，充分发挥晶闸管发生器的功效。

未来，晶闸管MARX发生器将继续受到广泛关注，技术会持续发展，加速晶闸管在发电领域的普及。

第20卷第11期强激光与粒子束Vol.20,No.11 2008年11月HIGH POWER LASER AND PA R TICL E B EAMS Nov.,2008　文章编号:　100124322(2008)11219332041MV 紧凑型重频Marx 发生器绝缘设计和数值分析3徐　刚1,2,　张晋琪2,　张现福2,　杨周炳2,　孟凡宝2,　唐传祥1(1.清华大学工程物理系,北京100084;　2.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900) 摘　要:　通过分析六氟化硫气体在静态高电压和脉冲高电压作用下的绝缘特性对Marx 模块式开关结构和外筒尺寸进行了优化设计,着重优化设计了Marx 发生器中的两个关键绝缘部位———开关腔体结构和外金属筒与顶部电容绝缘距离,并通过数值模拟计算,分析了该区域的局部3维电场强度分布。

结果表明:最大场强均小于六氟化硫的沿面闪络和电击穿场强阈值。

对模块式开关腔和外筒尺寸进行优化得到的绝缘结构满足0.3MPa 下六氟化硫的绝缘要求。

关键词:　高功率微波;　Marx 发生器;　绝缘设计;　六氟化硫;　电场;　数值模拟 中图分类号:　TN78 文献标志码:　A 宽带高功率微波(HPM )辐射和效应是目前定向能研究的一个热点[1]。

在近期发展的宽带H PM 辐射系统中,大部分系统都是通过Marx 发生器产生高压脉冲,经过脉冲压缩或直接辐射的。

例如德国DIEHL 公司研制的DS110和DS350系统,分别采用400kV 和1MV 的Marx 作为系统的脉冲功率源,直接馈入宽带天线进行辐射[1]。

为开展宽带HPM 技术研究,提出了研制1MV 紧凑型重频Marx 发生器,作为小型HPM 辐射系统的高压脉冲源,而Marx 自身结构的电绝缘要求是制约其小型化的主要因素之一,通过绝缘设计优化其结构尺寸,并进行3维电场数值模拟分析,不仅对设计能安全工作的Marx 发生器具有重要意义,而且对进一步Fig.1　Principle circuit of 1MV Marx generator图1　1MV Marx 发生器的电路原理图研制更为小型化的Marx 发生器提供一定参考。

晶闸管marx发生器电路及充放电特性
晶闸管MARX发生器是一种用来由一个低压电源产生高压脉冲的电路，可以为微波磁共振器等高能航空应用提供脉冲电源。

MARX发生器的特点是：它可以让低压的直流电源发出比额定电压高数倍的脉冲电压，而且脉冲上升时间很短，能达到数千伏特高压，瞬间放电功率达到数千瓦，具有高效率、可靠性好等特点。

MARX发生器电路结构简单，由n个堆叠的晶闸管、负载电容以及极性检测电阻组成，它可以从低压的直流电源中向负载中跨开的电容快速充电，而当晶闸管导通时，直流电压被完全放电，释放出强大的脉冲电压，从而达到功能需求。

由于MARX发生器的特殊性，它的充放电特性有些特殊，它的充放电特性不仅受低压电源的影响，而且还受负载电容和极性检测电阻的影响，具体来说就是：
首先，负载电容越大，电流越大，脉冲电压也就越大；其次，负载电容越小，则放电时间越短，脉冲上升时间越短；最后，极性检测电阻的大小会影响晶闸管开关的速度，也会影响脉冲上升时间。

因此，要实现MARX发生器最佳的充放电特性，就必须选择合适规格的低压电源、负载电容以及极性检测电阻，以充分发挥发生器能力，确保发生器的高效率、可靠性和脉冲电压的高准确度。

另外，MARX发生器还具有抗干扰能力强、装机结构简单等特点，因为它是采用不同晶闸管连接，可以把来自外部的干扰电压绝缘开，有效的抑制外界的干扰。

综上所述，晶闸管MARX发生器具有高效率、可靠性好、发出高压脉冲电压和抗干扰能力强等特点，是目前航空电子技术中的一种经济和可靠的电源解决方案，可以满足微波磁共振器和其他高能航空应用的发电要求。

要让MARX发生器正常工作，必须为它选择适当规格的低压电源、负载电容以及极性检测电阻，从而使其充放电特性得到最佳化，使发生器能够满足工作要求。

150 kV快前沿低抖动Marx发生器研制马成刚;李玺钦;李亚维;吴烈【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2015(027)004【摘要】研制了一种主要用于脉冲功率系统前级触发用的Marx发生器,介绍了其工作原理和主要参数.该Marx发生器采用单边充电技术路线和同轴紧凑型结构,高压脉冲采用柔性高压同轴电缆输出,在75 Ω匹配负载上获得了超过170 kV的高压脉冲输出,脉冲宽度超过200 ns,在140～160 kV工作区间内其前沿小于3 ns,抖动不超过1.5 ns.该Marx发生器工作范围宽,稳定可靠,很好地满足了高功率脉冲触发系统的要求.【总页数】4页(P192-195)【作者】马成刚;李玺钦;李亚维;吴烈【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TM836【相关文献】1.快前沿Mini-Marx发生器研制 [J],2.低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源研制 [J], 李玺钦;丁明军;吴红光;刘云涛;曹宁翔3.紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究 [J], 甘延青;宋法伦;卓婷婷;张勇;秦风;龚海涛;金晓4.快前沿mini-Marx发生器研制 [J], 梁川;曹科峰;章林文;张振涛;王晓;吴红光5.快前沿Marx发生器开关设计与测量 [J], 王嘉煜;何鹏军;张帆;田川因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。