具有重频故障自诊断的多级marx电路及脉冲功率系统的制作方法

1.本实用新型属于脉冲功率电路技术领域，更具体地，涉及一种具有重频故障自诊断的多级marx电路及脉冲功率系统。


背景技术：

2.脉冲功率技术首先把电能以较低的功率存储起来，然后通过开关、传输回路等在很短的时间内把能量释放给负载，从而在负载上获得很高的脉冲功率。部分脉冲功率技术是由于国防需要而发展起来的，包括：轨道炮、电磁隐身技术、探地雷达、冲击雷达、电磁对抗等。脉冲功率技术对脉冲功率系统有着极致的特性需求，需要上升前沿陡、脉宽窄的快脉冲技术。
3.雪崩晶体管abjt(avalanche bipolar junction transistor)，是一种应用于ns级和ps级脉冲功率系统的新型超高速、快前沿半导体脉冲功率器件，它可以提供极高的开关速度，能产生具有亚ns级和甚至是ps级上升沿的高峰值功率脉冲。另外，基于abjt的marx电路不需要在每一级上进行重复触发导通abjt，只需要在第一级触发abjt，随后的abjt都会因为集电极-发射极两端电压超调使其过压击穿开通。因为abjt器件整体尺寸较小，由abjt组成的marx电路集成性好，且易触发控制，能够产生幅值远高于电源电压的脉冲，因此得到了国内外学者的广泛应用。
4.如图1所示，为传统marx电路。在实际应用过程中发现，基于abjt的marx电路在重频工作时，位于marx电路中第一级abjt在基极触发后，开通速度较慢，导致第二级的abjt出现慢速dv/dt触发，导致器件开通的区域较小，电流丝效应更明显，更易热损坏。第二级abjt热损坏成为短路点之后，由于marx电路结构的特殊性，又会导致第三级abjt的触发的dv/dt降低，热损坏现象会由第二级持续扩散至后续级。所以在marx电路产生重频脉冲的过程中，如何及时避免热损坏现象从第二级逐级传递使器件逐级损坏的现状是个重要问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种具有重频故障自诊断的多级marx电路及脉冲功率系统，能及时避免热损坏现象从第二级逐级传递使器件逐级损坏的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种具有重频故障自诊断的多级marx电路，包括触发电路、故障检测电路和依次级联的多级marx电路，所述故障检测电路包括阈值比较器及用于给阈值比较器供电的直流电压源，每级mark电路均包括限流电阻、雪崩晶体管和电容；
7.其中，触发电路接地后，与一级marx电路中的雪崩晶体管的基极和阈值比较器的输出端相连；各级marx电路中的限流电阻的一端均与偏置电压vcc端相连，该限流电阻的另一端分别与本级marx电路中的电容的一端和雪崩晶体管的集电极相连，一级marx电路中的雪崩晶体管的发射极接地，除一级marx电路外的各级marx电路中的雪崩晶体管的发射极均
通过一脉冲负载电阻接地；除最后一级marx电路外的各级marx电路中的电容的另一端均与其相邻的后一级marx电路中的雪崩晶体管的基极和发射极相连，二级marx电路中的电容的一端与阈值比较器的一输入端相连，阈值比较器的另一输入端接地，最后一级marx电路中的电容的另一端通过负载电阻rl接地。
8.在其中一个实施例中，所述marx电路的级数为5～30级。
9.在其中一个实施例中，所述触发电路由驱动模块qd组成，用于提供0～15v的电压信号。
10.在其中一个实施例中，所述偏置电压vcc端为高压电源的输出端。
11.第二方面，本实用新型还提供了一种脉冲功率系统，包括上述所述的具有重频故障自诊断的多级marx电路。
12.本实用新型提供的具有故障自诊断的多级marx电路及脉冲功率系统，在重频工况下，通过在极易产生热损坏的第二级marx电路中的雪崩晶体管abjt2两端增加故障检测电路，在整个marx电路正常工作时不起作用，在重频脉冲过程中发现abjt2由于热损坏导致短路后第一时间切断整个电路的重频脉冲过程，有效阻止整个marx电路中由于abjt2热损坏并导致电路逐级损坏的不可逆过程，从而提高abjt3～abjtn在marx电路中的使用可靠性。
附图说明
13.图1是传统多级marx电路的电路原理图；
14.图2是图1中abjt2在重频脉冲工况下热损坏并形成短路之后的多级marx电路的电路原理图；
15.图3是本实用新型一实施例提供的具有故障自诊断的多级marx电路的电路原理图。
具体实施方式
16.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
17.图1是传统多级marx电路的电路原理图，如图1所示，充电过程中，整个marx电路由高压电源dc通过限流电阻rx(1～n)对脉冲放电电容c(1～n)充电，使得abjt(1～n)工作在临界雪崩区。marx电路工作过程中，首先是由触发电路qd触发abjt1开通，电容c1通过abjt1放电形成回路c1-abjt1-rs2-c1，在限流电阻rs2上产生负脉冲，使得在abjt2上产生慢速dv/dt的电压斜坡，abjt2两端超过一定耐压值，随后过压开通，使得电容c2与c1串联放电，形成回路c2-abjt2-c1-abjt1-rs3-c2，在限流电阻rs3上产生负脉冲，使得在abjt3上产生快速dv/dt的电压斜坡，abjt3两端超过一定耐压值，过压开通，随后依次开通剩余abjt(4～n)，使得电容c(1～n)串联放电，最终在负载rl上产生电压脉冲，完成一次脉冲放电。重复脉冲时，由于abjt2重复地由慢速dv/dt触发，导致器件局部开通，形成具有破坏性的电流丝，没有足够的自然散热时间，使得abjt2在重频脉冲工况下极易热损坏，使得基于abjt的marx电路不具备重频工况下的可靠性。
18.图2是图1中abjt2在重频脉冲工况下热损坏并形成短路之后的多级marx电路示意
图，如图2所示，由于abjt2集电极和发射极端形成短路，造成放电电容c2两端形成等电位，电容c2并不能充电。充电过程中，整个marx电路由高压电源dc通过限流电阻rx(1，3～n)对脉冲放电电容c(1，3～n)充电，使得abjt(1，3～n)工作在临界雪崩区。此时触发电路qd在没有外界干扰的情况下继续触发abjt1基极，abjt1开通后，瞬态放电工况下，电容c2相当于短路，限流电阻rs2与rs3相当于并联，电容c1通过abjt1放电形成回路c1-abjt1-rs2(rs3-c2)-c1，在限流电阻rs2和rs3上产生负脉冲，使得在abjt3上产生慢速dv/dt的电压斜坡，abjt3两端超过一定耐压值，随后过压开通，使得c3与c2、c1串联放电，形成回路c3-abjt3-c2-c1-abjt1-rs4-c3，在rs4上产生负脉冲，随后依次开通剩余abjt(4～n)，使得电容c(1～n)串联放电，最终在负载rl上产生电压脉冲，完成一次脉冲放电。
19.图3是本实用新型一实施例提供的具有故障自诊断的多级marx电路的电路原理图，如图3所示，该多级marx电路由触发电路qd、故障检测电路和依次级联的多级marx电路组成。
20.其中，触发电路由驱动模块qd组成，能提供0～15v的电压信号，该触发电路接地后连接abjt1和阈值比较器uth的输出端。
21.故障检测电路并联在位于marx电路中的第二级，由小型直流电压dc2供电和阈值比较器uth组成。
22.多级marx电路(1～n级marx电路)由abjt(1～n)、脉冲负载电阻rs(2～n)、限流电阻rx(1～n)、电容c(1～n)和负载电阻rl组成。其中，各级marx电路中的限流电阻的一端分别与高压电源dc1的输出端(偏置电压vcc端)相连，该限流电阻的另一端分别与本级marx电路中的电容的一端和雪崩晶体管的集电极相连，一级marx电路中的雪崩晶体管abjt1的发射极接地，除一级marx电路外的各级marx电路中的雪崩晶体管的发射极均通过一脉冲负载电阻接地，除最后一级marx电路外的各级marx电路中的电容的另一端均与其相邻的后一级marx电路中的雪崩晶体管的基极和发射极相连，最后一级marx电路中的电容的另一端则通过负载电阻rl接地。具体地，marx电路的级数可根据脉冲峰值的需求级联效率，优选为5～30级。
23.在本实施例中，触发电路用于重复接收故障检测电路中uth传回的检测信号并判断是否继续触发abjt1，由于在多级marx电路中，abjt2出现频繁热损坏现象，所以用故障检测电路中的阈值比较器uth进行重复检测abjt2的集电极电压，检测集电极耐压正常则给触发电路qd传输高电平，检测集电极耐压异常则传输低电平阻止触发abjt1。其余级marx电路在abjt1被触发的情况下，abjt1～abjtn依次开通，直至c1～cn串联放电并最终在负载r
l
上产生电压脉冲。
24.具体地，本实施例提供的具有故障自诊断的多级marx电路的工作原理为：
25.充电过程中，整个marx电路由高压电源dc通过限流电阻rx(1～n)对脉冲放电电容c(1～n)充电，使得abjt(1～n)工作在临界雪崩区。
26.整个marx电路工作在重频工况下，电源dc1与dc2正常供电，当abjt2处于正常耐压状态时，阈值比较器uth检测abjt2集电极端电压为正常耐压之后，输出高电平到触发电路qd，由触发电路qd接收阈值比较器uth输出端的高电平信号并做判断之后，触发abjt1，使得abjt1开通之后，电容c1通过abjt1放电形成回路c1-abjt1-rs21-c1，在rs2上产生负脉冲，使得在abjt2上产生慢速dv/dt的电压斜坡，abjt2两端超过一定耐压值，随后过压开通，使
得c2与c1串联放电，形成回路c2-abjt2-c1-abjt1-rs3-c2，在rs3上产生负脉冲，使得在abjt3上产生快速dv/dt的电压斜坡，abjt3两端超过一定耐压值，过压开通，随后依次开通剩余abjt(4～n)，使得电容c(1～n)串联放电，最终在负载rl上产生电压脉冲，完成一次脉冲放电。当abjt2长期由abjt1产生的慢速dv/dt触发并重复开通工况下，形成热积累造成热损伤并形成短路后，dc2通过rx2并不能给abjt2供电，阈值比较器uth检测到abjt2的集电极端电压异常，不能耐压，uth输出端输出低电平到触发电路qd，触发电路qd接收信号并作出判断，及时停止触发abjt1并开始报警。
27.本实施例提供的具有故障自诊断的多级marx电路，在重频工况下，通过在极易产生热损坏的第二级marx电路中的雪崩晶体管abjt2两端增加故障检测电路，在整个marx电路正常工作时不起作用，在重频脉冲过程中发现abjt2由于热损坏导致短路后第一时间切断整个电路的重频脉冲过程，有效阻止整个marx电路中由于abjt2热损坏并导致电路逐级损坏的不可逆过程，从而提高abjt3～abjtn在marx电路中的使用可靠性。
28.本实用新型还提供了一种脉冲功率系统，包括上述的具有故障自诊断的多级marx电路。
29.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有重频故障自诊断的多级marx电路，其特征在于，包括触发电路、故障检测电路和依次级联的多级marx电路，所述故障检测电路包括阈值比较器及用于给阈值比较器供电的直流电压源，每级mark电路均包括限流电阻、雪崩晶体管和电容；其中，触发电路接地后，与一级marx电路中的雪崩晶体管的基极和阈值比较器的输出端相连；各级marx电路中的限流电阻的一端均与偏置电压vcc端相连，该限流电阻的另一端分别与本级marx电路中的电容的一端和雪崩晶体管的集电极相连，一级marx电路中的雪崩晶体管的发射极接地，除一级marx电路外的各级marx电路中的雪崩晶体管的发射极均通过一脉冲负载电阻接地；除最后一级marx电路外的各级marx电路中的电容的另一端均与其相邻的后一级marx电路中的雪崩晶体管的基极和发射极相连，二级marx电路中的电容的一端与阈值比较器的一输入端相连，阈值比较器的另一输入端接地，最后一级marx电路中的电容的另一端通过负载电阻rl接地。2.根据权利要求1所述的具有重频故障自诊断的多级marx电路，其特征在于，所述marx电路的级数为5～30级。3.根据权利要求1所述的具有重频故障自诊断的多级marx电路，其特征在于，所述触发电路由驱动模块qd组成，用于提供0～15v的电压信号。4.根据权利要求1所述的具有重频故障自诊断的多级marx电路，其特征在于，所述偏置电压vcc端为高压电源的输出端。5.一种脉冲功率系统，其特征在于，包括权利要求1～4任意一项所述的具有重频故障自诊断的多级marx电路。

技术总结
本实用新型公开了一种具有重频故障自诊断的多级marx电路及脉冲功率系统，该多级marx电路包括触发电路、故障检测电路和多级marx电路，故障检测电路包括阈值比较器及用于给阈值比较器供电的直流电压源，每级mark电路均包括限流电阻、雪崩晶体管和电容，触发电路接地后连接一级多级marx电路中的雪崩晶体管的基极和故障检测电路中阈值比较器的输出端。本实用新型通过在极易产生热损坏的第二级marx电路中的雪崩晶体管ABJT2两端增加故障检测电路，能有效阻止整个marx电路中由于ABJT2热损坏并导致电路逐级损坏的不可逆过程，从而提高后级marx电路中ABJT3～ABJTn在marx电路中的使用可靠性。可靠性。可靠性。


技术研发人员：温凯俊 项卫光
受保护的技术使用者：武汉脉冲芯电子科技有限公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/8/19