利用BJT开关的Marx型脉冲发生器

摘要：主要介绍了双极结型晶体管(BJT)的击穿特性，以及作为开关应用时的通断速度。根据实验结果可知，BJT的开关速度在20 ns以内，尤其在基射极短路的情况下，开关速度低于10 ns，是理想的开关元件。最后利用BJT作为开关设计了一个纳秒级Marx型负脉冲发生器，根据实验结果可知，输出脉冲幅值可达2．3 kV，宽度低于10ns，脉冲下降沿为3ns。关键词：脉冲发生器；双极结型晶体管；击穿特性1 引言 为生成脉冲等离子继而应用于各种场合，脉冲功率发生器有各种各样的形式，例如磁压缩脉冲发生器MPC、脉冲成形线路等。然而从设备小型化的角度出发，上述脉冲发生器受到各方面限制，并因此影响输出信号的宽度、上升沿或下降沿的压缩及可靠性。在此考虑到设备小型化的需求，设计开发了一种利用电容作为能量储存元件，BJT作为开关的Marx型脉冲发生器。该装置的特点是开关速度快，输出可调，脉冲上升沿或下降沿极短，可产生极强的脉冲电场冲击等。设备尺寸被大幅压缩，便于移动和携带。2 原理及设计2．1 Marx发生器原理 Marx发生器是一种典型的大功率脉冲发生装置，其主要开关部件是火花隙开关。然而，火花隙开关在高频动作时，其寿命和维护等问题变得很棘手，且不利于设备的小型化。 近年来，随着各类大功率开关器件的快速发展，例如大功率MOSFET，IGBT等都被选择在较低功率的环境下替代火花隙开关以达到设备小型化的目的。在此基于进一步小型化及延长寿命、提高可靠性的目的，选择BJT作为开关元件。然而，与火花隙开关相比，BJT的缺点是开关速度较慢。这是因为通常BJT工作时，基极电流控制集电极电流(载流子)，而BJT的开关速度受限于PN结中储存的载流子。为了解决此问题，利用BJT中的击穿现象，可将通常动作时微秒级的开关时间缩短到纳秒级，从而实现了高速开关的功能。 Marx发生器的基本原理如图1a所示。直流电压源Udc通过充电电阻向电容器并联充电。充电结束后，开关S1触发导通。开关S2，S3依次导通，各级电容串联对负载放电，输出电压为n倍的充电电压，其中n为电容串联级数，如图1b所示。

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到最后一级开关导通为止，充电的时间为： Tc=2nRC (1) 各级开关导通电压Uon的范围为UcUon2Uc，其中Uc为充电电压。放电时，Marx电路可等效为一个RLC串联电路，因此，此时电流值为：

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