高重复频率的马克思发生器，采用带电荷控制功能的自触发GaN HEMT器件

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Highly Repetitive Marx Generator With Charge-Control Self-Triggering GaN HEMTs

该研究提出基于电荷控制自触发（CCST）氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）的高重复率Marx发电机，通过优化电荷重分布实现快速可靠触发，实验验证25级原型机仅需单驱动IC，在100-500V直流供电下达到10-100kHz重复率，输出电压过冲2.5kV、上升时间6.4ns且具有优异的输出电压速率，为等离子体生成和非侵入医学成像等应用提供紧凑型脉冲电源解决方案。

　　

摘要：

本文提出了一种基于电荷控制自触发（CCST）氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）的高度重复性Marx发生器，并通过实验进行了验证。利用CCST技术，可以控制GaN HEMTs的能量存储电容器与寄生输入电容器之间的电荷重新分配，从而实现快速、重复且可靠的自我触发。文中详细阐述了CCST GaN Marx发生器的工作机制和设计原则。实验中实现了25级结构的原型，所需驱动集成电路的数量减少到了1个。在100–500 V的直流电压下，该发生器能够输出重复频率为10–100 kHz的稳定电压脉冲。五级结构的CCST GaN Marx发生器具有2.5 kV的峰值电压、6.4 ns的上升时间以及100 kHz的重复频率，其输出电压的上升率远优于使用非串联连接的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）和GaN HEMTs的同类发生器。这种基于CCST GaN HEMTs的Marx发生器为等离子体生成、空气净化、无创医学诊断成像等领域中的紧凑型高重复率脉冲电源提供了有力解决方案。

引言

在高重复率脉冲电源应用中，如材料激光加工、无损或非侵入式检测与成像、空气或水净化以及穿墙雷达成像等，高重复率至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。作为这些应用的核心，脉冲电源需要具备紧凑的结构以及高幅度、快上升沿和高重复率的电压脉冲特性[5]、[6]。Marx发生器作为经典的脉冲电源拓扑结构，依赖于开关元件的性能，其中高开通速度和低导通电阻是关键要求。