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。

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：

2．2 BJT的击穿特性
BJT用作开关时，具有两个二极管复合而成的特点，开关速度受到PN结所储存的少数载流子影响，控制开关ON／OFF的电流流通时，两个PN结结合的部分仅需保持饱和电压，在有电压限制的环境下比较容易满足要求，而且适于大批量生产且价格低廉，因此广泛应用于民用、工业、航空等各个领域。与其他半导体开关元件相比，BJT除了其经济性外，开关频率、耐压等特性虽然并不突出，但研究中利用BJT的PN结击穿特性，使其能发挥优秀的性能，实现其他半导体无法达到的纳秒级开关速度。
2．3 BJT击穿特性测试电路
如图2a所示的实验电路中，Udc加到BJT的集射极之间，基极采用可变电阻，测定基极电阻与实验电路中击穿电压、击穿速度的关系。图2b中实验电路是在图2a中BJT的集射极间加入一个1 nF的电容，Udc的能量先储存在电容中，继而加到BJT之间。该电路与Marx的电路构造相似，并由此决定电路参数。

2．4 BJT击穿特性
测量所用的设备有示波器(DP02014)、测量探针(示波器附属的1／10，1／100电压测量探针)。首先图2a中基射极间电阻为零时，即基射极短路时，集射极之间的击穿电压的放大击穿瞬间如图3a所示。可见，当集射极间电压升至200 V以上时，发射极与集电极之间发生击穿，经数微秒后，回到截止状态。BJT击穿过程，击穿时间在10 ns以内，也就是BJT作为开关时，开关的闭合时间在10ns以内，约为5ns，可实现极其快速的开关过程。

在BJT基射极之间接入1 kΩ的电阻，BJT的击穿电压如图3b所示。由图可知，击穿时间增大到20 ns左右。在两极之间分别接入100Ω，2 kΩ，33 kΩ的电阻进行测试，由实验结果可知BJT的击穿速度基本不变。图2b所示的实验电路更接近于Marx发生器的实际电路。选择速度最快的基射极间短路的方式并在集电极与发射极间接入1 nF电容，观察BJT的击穿电压如图3c所示。可见，BJT的击穿速度明显减慢为40 ns。

3 纳秒级Marx负脉冲发生器
在此利用BJT的击穿特性设计的纳秒级Marx负脉冲发生器如图4所示。

该发生器由8级充放电回路组成，初级触发开关采用MOSFET，可通过控制MOSFET的导通来控制输出脉冲的频率。其输出电压如图5所示，其中输入电压为290 V，各级充电电阻和电容分别为3．3 k