利用BJT開關(guān)的Marx型脈沖發(fā)生器

摘要：主要介紹了雙極結(jié)型晶體管(BJT)的擊穿特性，以及作為開關(guān)應(yīng)用時的通斷速度。根據(jù)實驗結(jié)果可知，BJT的開關(guān)速度在20 ns以內(nèi)，尤其在基射極短路的情況下，開關(guān)速度低于10 ns，是理想的開關(guān)元件。最后利用BJT作為開關(guān)設(shè)計了一個納秒級Marx型負(fù)脈沖發(fā)生器，根據(jù)實驗結(jié)果可知，輸出脈沖幅值可達2．3 kV，寬度低于10ns，脈沖下降沿為3ns。
關(guān)鍵詞：脈沖發(fā)生器；雙極結(jié)型晶體管；擊穿特性

1 引言
為生成脈沖等離子繼而應(yīng)用于各種場合，脈沖功率發(fā)生器有各種各樣的形式，例如磁壓縮脈沖發(fā)生器MPC、脈沖成形線路等。然而從設(shè)備小型化的角度出發(fā)，上述脈沖發(fā)生器受到各方面限制，并因此影響輸出信號的寬度、上升沿或下降沿的壓縮及可靠性。在此考慮到設(shè)備小型化的需求，設(shè)計開發(fā)了一種利用電容作為能量儲存元件，BJT作為開關(guān)的Marx型脈沖發(fā)生器。該裝置的特點是開關(guān)速度快，輸出可調(diào)，脈沖上升沿或下降沿極短，可產(chǎn)生極強的脈沖電場沖擊等。設(shè)備尺寸被大幅壓縮，便于移動和攜帶。

2 原理及設(shè)計
2．1 Marx發(fā)生器原理
Marx發(fā)生器是一種典型的大功率脈沖發(fā)生裝置，其主要開關(guān)部件是火花隙開關(guān)。然而，火花隙開關(guān)在高頻動作時，其壽命和維護等問題變得很棘手，且不利于設(shè)備的小型化。
近年來，隨著各類大功率開關(guān)器件的快速發(fā)展，例如大功率MOSFET，IGBT等都被選擇在較低功率的環(huán)境下替代火花隙開關(guān)以達到設(shè)備小型化的目的。在此基于進一步小型化及延長壽命、提高可靠性的目的，選擇BJT作為開關(guān)元件。然而，與火花隙開關(guān)相比，BJT的缺點是開關(guān)速度較慢。這是因為通常BJT工作時，基極電流控制集電極電流(載流子)，而BJT的開關(guān)速度受限于PN結(jié)中儲存的載流子。為了解決此問題，利用BJT中的擊穿現(xiàn)象，可將通常動作時微秒級的開關(guān)時間縮短到納秒級，從而實現(xiàn)了高速開關(guān)的功能。
Marx發(fā)生器的基本原理如圖1a所示。直流電壓源Udc通過充電電阻向電容器并聯(lián)充電。充電結(jié)束后，開關(guān)S1觸發(fā)導(dǎo)通。開關(guān)S2，S3依次導(dǎo)通，各級電容串聯(lián)對負(fù)載放電，輸出電壓為n倍的充電電壓，其中n為電容串聯(lián)級數(shù)，如圖1b所示。

到最后一級開關(guān)導(dǎo)通為止，充電的時間為：
Tc=2nRC (1)
各級開關(guān)導(dǎo)通電壓Uon的范圍為UcUon2Uc，其中Uc為充電電壓。放電時，Marx電路可等效為一個RLC串聯(lián)電路，因此，此時電流值為：