摘要:
设计了一款用于全固态Marx发生器的半导体开关驱动电路。该驱动电路输出侧采用储能电容与P-N双MOSFET管结构，可完成对固态Marx脉冲发生器功率回路开关管快速同步的导通关断控制，并具有死区时间调节与负压关断功能。此外，该驱动电路配合串芯磁环二次侧反向接线方案，可实现用同一信号对功率回路充、放电两路开关管的控制。实验证明，采用该款驱动电路的半桥型全固态Marx脉冲发生器可稳定输出幅值24kV的脉冲方波，输出脉宽可在300
ns～10
μs之间自由调节，上升沿和下降沿均在40
ns以内。
传统的Marx脉冲发生器采用气体开关作为受控开关，在放电工作状态下电极击穿气体形成放电回路使得气体开关导通。由于开关过程中存在电弧与热效应，气体开关电极容易损坏且无法稳定达到较高的开关频率。另外气体开关体积笨重，限制了Marx脉冲发生器的功率密度。全固态Marx脉冲发生器采用金属氧化物场效应管（MOSFET）或绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为受控开关，与气体开关型Marx脉冲发生器相比在可靠程度、使用寿命、功率密度以及能效等方面都有显著的提升。由于MOSFET的高频性能优于IGBT，产生高频脉冲的全固态Marx脉冲发生器常以MOSFET作为受控开关。
虽然全固态Marx脉冲发生器产生脉冲的功率回路拓扑结构基本固定，但如何尽可能提升其在输出功率、工 作频率以及输出脉冲波形质量等方面的表现仍是全固态Marx脉冲发生器的核心研究方向。高频全固态Marx脉冲发生器输出幅值、工作频率以及脉冲宽度主要受到MOSFET驱动模块的限制，驱动模块的电压隔离等级、驱动能力、响应速度、同步性能以及抗干扰能力，是决定全固态Marx脉冲发生器输出能力的重要指标。
目前，主流的驱动方案分为两类：有源驱动和无源驱动。有源驱动方案中光隔离驱动最为常见，高压侧的高频高压脉冲产生的电磁干扰无法影响到光信号，这使得光隔离驱动方案具有极好的同步性与抗电磁干扰性。Zhang Xuan等提出的碳化硅（SiC）MOSFET栅极驱动器实现了高隔离电压（＞20 kV），并消除了耦合功率级和控制级的寄生电容，从而抑制了高压SiC器件开关瞬变中高dv/dt引起的控制信号失真。但光隔离驱动方案中，每 一级Marx都需要光纤收发器、隔离电源模块以及驱动芯片，电路较为复杂，也增加了成本和体积。
在无源驱动方案中，磁隔离方案最为常见。与光隔离驱动器相比，磁隔离驱动方案利用磁场耦合同时传输驱 动信号和能量，不需要额外的隔离供电模块，隔离电压由初级绕组和次级绕组的绝缘能力决定。因此磁隔离是近 年研究热点，学者提出了多种磁隔离驱动电路。由于磁芯伏秒积限制，隔离变压器输出的驱动脉冲宽度有限。Rao Junfeng等提出新型磁隔离驱动电路，对小型隔离变压器输出的窄脉冲整形之后再驱动半导体开关，使驱 动信号的最大脉冲宽度不再受磁芯饱和限制。然而，由于隔离变压器漏感的存在，驱动脉冲的上升/下降沿缓慢， 导致固态Marx输出的高压脉冲上升时间变慢。Hyun-Bin Jo等提出的驱动电路工作时，变压器输出的正脉冲 先对电容充电，经过一定延时后，电容对主开关的栅极充电。由于电容和栅极之间不存在漏感，因此驱动脉冲具有 快速上升时间。然而，该电路关断时驱动信号没有负压，Marx工作时具有高dv/dt和di/dt，若Marx的结构为半桥或全桥，则可能导致开关直通短路损坏。
本文提出一种新型磁隔离驱动电路，不仅驱动信号的最大脉冲宽度不受磁芯饱和限制，而且引入延迟导通电路，变压器的输出脉冲先对电容充电，再由电容向主开关栅极充电，从而加快驱动脉冲上升沿；还具有负压关断能力，提高了驱动电路对功率回路中高频高压脉冲引起的电磁干扰的抑制能力。
1、负压关断驱动电路工作原理
1.1、全固态Marx工作原理
全固态Marx脉冲发生器的基本结构如图1所示。它由n级组成，每级由储能电容Ci、二极管Di，充电开关管Sci、放电开关管Sdi组成。在充电工作模式下，充电开关管Sc0至Scn同时导通，放电开关管Sd1至Sdn保持断开状态，电容C1至Cn并联充电，如图1中绿线所示。
电容充电完成后，充电开关管Sc1至Scn断开，经过较短死区时间后，脉冲发生器进入放电工作模式。在放电工作模式中，充电开关管Sc0至Scn保持关断状态，放电开关管Sd1至Sdn闭合，电容C1至Cn串联放电，如图1中橙色线所示。放电结束后放电开关管Sd1至Sdn关断，脉冲发生器进入下一个充电周期。此时，充电开关管Sc0至Scn闭合，与负载之间形成截尾回路，负载上的电荷经过截尾回路进行快速泄放，从而获得陡峭的脉冲下降沿，如图1中蓝线所示。
功率开关管采用磁隔离驱动，如图1所示。串芯磁环的 一次侧为单匝高压电缆，与全桥控制模块的输出端相连，磁环二次侧与本文提出的新型栅极驱动电路相连。on/off控制信号脉冲由全桥控制模块产生后，通过串芯磁环隔离耦合至栅极驱动电路，经栅极驱动电路处理后控制Sci与Sdi的导通和关断。
1.2负压关断快速栅极驱动电路工作过程
图2为栅极驱动电路的具体结构，同一级Marx的充电
开关管Sci与放电开关管Sdi由同一个磁环进行控制。Sci和Sdi的驱动信号极性相反，因此与Sci和Sdi驱动电路相连的两
个绕组同名端相反，以从同一磁环的原边获得两个极性相反的控制信号。因为充电开关管的驱动电路与放电开关管的驱动电路工作过程完全对称，故以放电开关管驱动电路的工作过程为例进行研究。TX1接收由全桥控制模块产生的on/off脉冲控制信号，on/off脉冲对储能电容C3、C4进行充电，之后电容C3、C4经M1与M2两个mosfet管对功率开关管的栅源极输出正向导通电压与负向关断电压。其具体的工作过程分为7个阶段，如图3所示。
（1）工作过程1：on脉冲给C3、C4充电：
如图3（a）所示，全桥电路产生正向脉冲，并耦合到磁环二次侧TX1。电容C3、C4经过由二极管D2、D4以及电阻R3构成的回路，进行充电。Da3、Da4分别为15V和10V的稳压管，可以将C3、C4的充电电压钳位在稳压值。
（2）工作过程2：M1延时导通
在工作过程1中，由于电流流过电阻R1，在R3两端产生电压，该电压施加在三极管Q1的基极，当超过Q1的导通阈值时，Q1导通。因此，在进行工作过程1的同时，正脉冲一方面经二极管D2、D5、三极管Q1给电容C3、C4充电，另一方面经二极管D2、电阻R2、三极管Q1对电容C1进行充电，如图3（b）所示。
（3）工作过程3：栅极驱动电路正向输出
电容C1经过程2充电至M1导通的阈值电压时，M1导通。电容C3经M1、以及C2和R5的并联支路对Sdi的栅源极正向充电，令开关管导通，如图3（c）所示。同时，磁环二次侧的正向脉冲也对开关管的栅源极充电，因此可以获得更短的动作时间。
（4）工作过程4：off脉冲给C3、C4充电
如图3（d）所示，TX1接收来自全桥信号发生模块的off脉冲，off脉冲经由二极管D1、D3、D6对储能电容C3、C4进行充电。
（5）工作过程5：M1快速关断，M2滞后导通
在进行工作过程4的同时，由于二极管D3导通，C1和M1栅源极电容上的电荷由回路①快速泄放，M1断开。同
时off脉冲经电阻R5、稳压管Da1、二极管D6构成的回路对M2的栅源极电容充电，使M2导通，如图3（e）所示。
Da1为5 V稳压管，可以抑制来自on/off控制信号的负压扰动，只有大于−5 V的负压信号才可击穿Da1对M2的栅极进行充电。M2的典型导通阈值电压为1.6V，则只有当负压信号大于−6.6V时，M2才会导通。由此可见，Da1也可以延后M2的导通时间，防止M1与M2同导通。Da2为15V稳压管，用来限制M2的栅源极电压。
（6）工作过程6：功率开关管栅极能量泄放，栅极驱动电路反向输出
M2导通后，功率开关管的栅极电容经电容C2和电阻R5构成的并联支路，以及M2对储能电容C4放电，栅极电压迅速降为−10V，使得功率开关管快速关断。由于M2的栅极电荷不存在泄放回路，所以可以一直保持导通状态，C4能够一直对功率MOSFET的栅源极之间施加负向关断电压，如图3（f）中的实线所示。
（7）工作过程7：M2快速关断
当下个工作周期的on脉冲到来后，A点电位为负，M2栅源极电荷可由图3（g）中回路②快速泄放，M2快速断开。
2.提出的驱动电路实际设计考虑与优点
2.1死区时间
由以上分析可知，当on信号到来时，放电开关的驱动信号Vgs（Sdi）由负变为正，使放电开关导通；而当off信号到来时，Vgs（Sdi）由正变为负，使放电开关断开。由于充电开关的二次侧同名端与放电开关相反，因此当on信号到来时，充电开关的驱动信号Vgs（Sci）由正变负，使之断开；而当off pulse到来时，Vgs（Sci）由负变正，使之导通。
为防止充电管与放电管同时导通，必须设置死区时间。当全桥控制模块输出一个on信号后，由于三极管Q1与 电容C1的存在，M1要延时一段时间才导通，因此功率开关管的栅源极并不能立刻收到导通电压。而当off脉冲到来时，功率开关管的栅源极则会立刻收到一个负向关断信号。这种工作方式使得在相同初级绕组控制下的放电开关管栅极的导通信号会滞后充电开关管的栅极关断信号一定时间。同样的，放电开关管栅极的关断信号也会超前充电开关管的栅极导通信号一定时间。通过调节电阻R2，可以调节电容C1的充电速度，进而调节死区时间。
2.2为驱动电路提供充足的能量
为抑制静电干扰，需在功率开关管栅极并联电阻R5，其值通常为5～20kΩ。然而，R5会消耗C3和C4中的能量。C3和C4通过on/off脉冲充电，若on/off脉冲不能提供足够的能量，则会导致C3和C4的电压下降。当C3的电压低于一定值时，会导致功率开关管无法导通；而当C4的电压较低时，则驱动电路的关断负压较小，抗干扰能力下降。
由于磁芯伏秒积限制，on/off脉冲的脉宽有限，因此要给C3和C4提供足够的能量，只有提高on/off脉冲的频率。若on/off脉冲的频率同时提高，则Sci和Sdi的开关频率也将提高。但全固态Marx发生器中的开关通常工作在硬开关状态，开关损耗较大，因此提高开关频率会使开关的温度上升，甚至使开关过热而损坏。另一种思路是on/off的脉冲频率不同，on脉冲仅在输出高压脉冲时产生，以使放电开关管Sdi导通。除了在高压脉冲尾部产生off脉冲，使Sdi断开以外，在漫长的充电过程中，每隔一段时间就产生一个off脉冲，以给C3和C4充电，使其具有足够高的电压，并使Sci保持导通状态，给储能电容Ci充电，使Sdi维持关断负压，以提高抗电磁干扰能力。采用这种on/off脉冲时序，可使全固态Marx发生器工作在单次状态，也不用担心C3和C4没有足够的电压。
2.3快速驱动能力
功率开关管的开关速度受驱动电流影响，本文提出的磁隔离栅极驱动电路的输出电流不受漏感限制，因此可 以提高开关的导通/关断速度。当全桥控制模块产生on信号时，on脉冲首先对C3、C4进行充电，将全桥驱动模块输出的能量经过磁环变压器隔离后存储到功率开关管栅极驱动电路一侧的电容C3、C4中。on信号没有直接作用于功率开关管栅源极之间，而是通过C3、C4对功率开关管栅源极进行放电，这种方式大大缩短了能量的传输距离。同时，由于磁环变压器存在一定漏感，在驱动电路中同样存在部分杂散电感，on信号到来后，首先对储能电容C3进行充电。当经过一段时间后Q1导通，电容C3与磁环变压器漏感以及线路杂散电感同时对功率开关管的栅源极进行充电，使得功率开关管的栅源极电压快速上升，从而提高功率开关管的导通速度，以获得更快的输出脉冲上升沿。
3、实验结果分析
为验证提出的驱动电路的有效性，本文以图1所示拓扑为主电路，图3所示拓扑为驱动电路，研制了32级全固态Marx发生器原理样机，如图4所示。
3.1、驱动电路特性测试
分别对32级充、放电开关管的栅极驱动电路输出波形进行测量，发现各级驱动电路工作正常，输出波形几乎相同。图5是其中一级的驱动波形。Von/off为全桥脉冲信号发生模块输出的on/off控制波形，幅值为300V，由于磁
芯伏秒积限制，脉宽为300
ns，on/off脉冲死区时间为150ns。为了向功率开关管栅极驱动电路提供足够的能量，本文利用全桥模块每隔15μs产生一个负向off脉冲为驱动电路的储能电容C3、C4充电，保证栅极驱动电路拥有足够的能量维持功率开关管的导通或关断状态。在工作频率较低时，不会因没有足够的能量而导致C3、C4电压过低，
无法正常工作。
将图5中绿色虚线框中波形放大为图5，其中Vcgs为充电开关管的栅极驱动波形，正电压幅值可以维持在10V，
负电压幅值约为−10V，保证充电开关的可靠导通和关断。Vdgs为放电开关管的栅极驱动波形，导通电压幅值约为15V，关断电压幅值可以维持至−10V。
由图6可以看出，充电管的关断驱动电压和放电管的导通驱动电压在约0ns处相交，而放电管的关断驱动电压和充电管的导通驱动电压在约300ns处相交，相交处的电压都为-10V，保证了 充电管和放电管之间的死区时间，避免因开关直通而损坏。
为获得快速上升/下降沿，要求驱动波形具有良好的同步性。因此本文对放电开关驱动的同步性进行了测试， 对32级放电开关管栅极驱动电路每隔4级进行了测试，即第1、5、13、17、19、21、25、29、32级，结果如图7所 示。
由图7可知，所提出的栅极驱动电路具有较好的同步性，各驱动信号上升沿的最大同步误差均在5ns以内。
3.2、高压脉冲输出特性测试
驱动电路具有负压关断能力可以显著提升全固态Marx发生器的稳定性。当无关断负压时，驱动信号容易受到干扰，导致输出脉冲出现严重的抖动变形。设置FPGA控制信号，并调节充电电压，使全固态Marx发生器在空载条件下输出幅值为24kV、频率1kHz、脉宽300ns的脉冲。
如图8所示，可以得到稳定的高压脉冲，其脉宽为300ns，且具有陡峭的下降沿，脉冲上升时间为30ns，下降时间为40ns。将示波器显示的时间范围增大到3ms，可 以观察到重复频率输出波形，如图9所示。在重频模式下，本文研制的固态Marx发生器输出脉冲的重复频率为1kHz。
该全固态Marx发生器的输出脉冲宽度和幅值都可以连续调节。
图10是不同脉宽输出波形，脉宽由1.5μs逐渐增大到10.5μs。图11是不同幅值的输出波形，脉冲幅值由4kV逐渐增大到24kV。图10和图11的测试条件均 为空载。
4、结论
本文提出了一种用于全固态Marx脉冲发生器的新型栅极驱动电路，并得出以下结论：该款栅极驱动电路配合产生多个off脉冲的全桥控制模块，能够使栅极驱动电路获得足够驱动能量，在低频的工作状态下稳定运行。另外，该栅极驱动电路具有负压偏置维持、死区时间调节功能，配合串芯磁环二次侧反向绕线隔离方案，可以由同一信号完成对充、放电开关管的控制。本文设计的基于新型栅极驱动电路的24kV、1kHz重频高压Marx发生器由32级组成，并具有截尾功能，通过全桥型on/off控制脉冲信号发生模块与功率开关管栅极驱动电路相配合实现对发生器进行控制，实现了24 kV、1kHz的重复工作频率、300ns的最小脉宽、30ns的上升时间和40ns的下降时间。
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