利用BJT開關的Marx型脈沖發生器

摘要：主要介紹了雙極結型晶體管(BJT)的擊穿特性，以及作為開關應用時的通斷速度。根據實驗結果可知，BJT的開關速度在20 ns以內，尤其在基射極短路的情況下，開關速度低于10 ns，是理想的開關元件。最后利用BJT作為開關設計了一個納秒級Marx型負脈沖發生器，根據實驗結果可知，輸出脈沖幅值可達2．3 kV，寬度低于10ns，脈沖下降沿為3ns。
關鍵詞：脈沖發生器；雙極結型晶體管；擊穿特性

1 引言
為生成脈沖等離子繼而應用于各種場合，脈沖功率發生器有各種各樣的形式，例如磁壓縮脈沖發生器MPC、脈沖成形線路等。然而從設備小型化的角度出發，上述脈沖發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。在此考慮到設備小型化的需求，設計開發了一種利用電容作為能量儲存元件，BJT作為開關的Marx型脈沖發生器。該裝置的特點是開關速度快，輸出可調，脈沖上升沿或下降沿極短，可產生極強的脈沖電場沖擊等。設備尺寸被大幅壓縮，便于移動和攜帶。

2 原理及設計
2．1 Marx發生器原理
Marx發生器是一種典型的大功率脈沖發生裝置，其主要開關部件是火花隙開關。然而，火花隙開關在高頻動作時，其壽命和維護等問題變得很棘手，且不利于設備的小型化。
近年來，隨著各類大功率開關器件的快速發展，例如大功率MOSFET，IGBT等都被選擇在較低功率的環境下替代火花隙開關以達到設備小型化的目的。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作為開關元件。然而，與火花隙開關相比，BJT的缺點是開關速度較慢。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的開關速度受限于PN結中儲存的載流子。為了解決此問題，利用BJT中的擊穿現象，可將通常動作時微秒級的開關時間縮短到納秒級，從而實現了高速開關的功能。
Marx發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充電。充電結束后，開關S1觸發導通。開關S2，S3依次導通，各級電容串聯對負載放電，輸出電壓為n倍的充電電壓，其中n為電容串聯級數，如圖1b所示。

到最后一級開關導通為止，充電的時間為：
Tc=2nRC (1)
各級開關導通電壓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串聯電路，因此，此時電流值為：