串联脉冲变压器的功率MOSFET转换20kV/500A/100ns脉冲发生器

众所周知，脉冲发生器需要非常短的脉宽和上升时间来尽量减少脉冲电晕反应器中的能量损耗。脉冲电源除去挥发性有机化合物、有害气体污染物磷灰石、氮氧化物和硫的条件是：脉冲电压为20～150kV；脉冲电流为500A到几kA；脉宽为50～200ns；频率低于10kHz。

一般情况下，有几种形式可以达到这样的脉冲电压、脉冲电流和脉宽。第一，采用升压变压器将低直流电压转换为高脉冲电压。然而，由于升压变压器有高的漏电感，在变压器的二次绕组中不能得到快的上升时间。因此，二次侧脉冲变压器应该加入磁脉冲压缩（MPC）技术来减少上升时间和脉宽，但MPC技术在效率和造价上不划算。第二，用固态开关串联和并联来分别获取高的脉冲电压和脉冲电流。由于不使用磁性材料，其效率很高且结构紧凑。但由于对应的电路拓扑需要串联功率元件之间的瞬态电压平衡，这种方法有其局限性，如加入MPC技术来减小脉宽和上升时间会更好。

本例中给出了由30个脉冲发生器模块（PGM）组成的MOSFET脉冲开关，该PGM能够产生700V／500A／100ns的脉宽，上升时间小于60ns。所有的PGM通过特别设计的脉冲变压器串联一起来获得20kV／500A／100ns的脉冲，重复率为20kHz。图3-42给出了脉冲发生器的方图，包括PWM整流器、充电开关S_c、电机块（PGM），其中PGM是关键部分。图3-43给出了应用PGM的应用电路，PGM与脉冲变压器串联来获得高的电压脉冲。MOSFET的一端与脉冲变压器的一段共地，可以减小特别设计脉冲变压器的漏电感和减小整个PGB的栅极驱动电路的复杂性。

图3-42 给定的脉冲发生器方图

图3-43 PGM电路图(www.xing528.com)

该脉冲发生器的工作模式可以分为充电模式（T₁和T₂）和脉冲发生模式（T₃和T₄），如图3-44所示。充电模式开始于充电开关S_c在t＝t₀时的开通。在T₁间隙内，电容C_p充电，同时由电压U_R，二极管VD_P，电感L_c，电容C_p和脉冲变压器的一次绕组组成的回路的回路电流对脉冲变压器进行消磁。当充电电流i_c（t）达到零时，T₁结束。在间隙T₂内，开关S_c在t＝t₁和t＝t₂之间关断，电流电压均为零。

当脉冲开关S_p在t＝t₂导通时，脉冲模式开始。在间隙T₃内，储存在电容C_p内的部分能量通过脉冲变压器转换到负载（等离子体反应器）上。在间隙T₂，充电开关S_c关断，使得PGB与PWM整流器隔离。如果要得到短脉宽，快速上升时间的脉冲，由电容C_p，开关S_p和脉冲变压器的组成的电流回路的漏电感要减到最小。当开关S_p关断时，T₄开始。由于存在因脉冲变压器漏电感中的存储能量而产生的尖峰电压，以及等离子体反应器中的发射能量，需要一个缓冲电路或是电压限制器来保护功率元件以防止过电压尖峰的出现，如图3-44。

图3-44给出了在T₄段时，钳位电路抑制了通过开关S_p的尖峰电压，钳位电压大小被能量回收电路控制。如果从钳位电容到直流电源的回收能量减小，钳位电压就会减小，反之亦然。甚至脉冲变压器在充电模式中消磁时，钳位电路也能帮助脉冲变压器消磁（T₄时间段内）。如果负载是电阻，开关S_p在关断时通过的尖峰电压非常小。但是如果负载是等离子体反应器，由于是电抗元件负载，开关S_p上将会有大的尖峰电压。图3-43a给出了由二极管和电阻组成的钳位电路，适用于实际工作中。然而，我们可以通过引进能量回收电路来提高效率，如图3-43b所示。所有的钳位电容通过一个额外电感和一个阻塞二极管与能量回收电路（ERC）连接。然后，通过升压转换器，回收能量被整流输出电容C_R吸收。ERC与所有的PGM共地。这意味着在不影响PGB布局的情况下，ERC可以置于整流块之上。在PGM中的所有MOSFET共地以得到栅极信号，这就表明给出的脉冲发生器需要一个单电源来应用于所有的栅极驱动电路。

图3-44 一个工作周期的波形