- 頭條一種新型的雙極性Marx高重頻脈沖發生器2021-06-07 作者：王曉雨 董守龍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隨著脈沖功率技術在生物醫療、食品加工、電磁成形、等離子體研究等領域日益廣泛而深入的應用，脈沖發生器的研制面臨高壓高頻化、雙極性、全固態化等新要求。因此，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網河北省電力有限公司滄州供電分公司、重慶大學電氣工程博士后流動站的研究人員王曉雨、董守龍、馬劍豪、余亮、姚陳果，在2020年第4期《電工技術學報》上撰文，提出一種新型模塊化的雙極性高壓高頻脈沖發生器的研制策略。 研究結果表明此發生器較好地結合了固態Marx和橋式電路的優點，可根據實際需求，通過量化的多級模塊堆疊實現高壓輸出；并可使用開關的時序邏輯控制實現輸出極性和脈沖寬度靈活調節；同時具有高重頻長壽命。
近年來，隨著脈沖功率技術的快速發展和應用領域的不斷拓寬，脈沖發生器在生物醫學、食品加工、電磁成形、等離子體研究等領域的需求日漸增大。尤其在醫學領域中，高壓脈沖誘導細胞發生不可逆電穿孔從而治療腫瘤的方式已經進入了臨床階段，并展示出良好的治療前景。
但隨著臨床應用的不斷深入，研究人員發現，單極性電脈沖含有較大的直流分量，將導致患者在治療時發生肌肉收縮的現象。這容易引起電極針移位，致使消融精準降低，并且給患者帶來不適甚至疼痛感。根據最新的研究表明，高頻雙極性的高壓脈沖能抑制直流分量，從而有效地減輕患者的肌肉收縮和疼痛感，且療效并無明顯差異。
因此，可靠且緊湊的高頻雙極性脈沖發生器的研制將極大地滿足高壓電脈沖在生物醫學領域的需求。目前高壓脈沖的主要產生方式包括形成線、Marx電路、直線型變壓器驅動源（Linear Transformer Driver, LTD）電路等，且隨著半導體開關技術的發展，全固態脈沖發生器的研發已成為國內外學者研究的重點。
由于形成線脈沖發生器對于脈寬的調節，只能通過改變傳輸線的長度來實現，不利于脈沖寬度的靈活可調。全固態LTD脈沖發生器可以產生較大功率高頻單極脈沖，但由于磁心磁飽和現象的限制，不能產生較長脈寬的脈沖且存在磁心損耗，效率較低。雖然固態Marx脈沖發生器可以產生高壓脈沖，其脈沖寬度靈活可調，但國內外現存在的Marx電路輸出多為單極性脈沖。
為此，有學者提出采用兩臺Marx實現正負輸出，或者采用多電平MMC方式實現雙極性輸出。也有學者將Marx電路和傳統的橋式電路相結合來實現雙極性輸出。盡管雙極性Marx的研究較多，但是以上方案仍然有改進的空間，使用雙臺Marx實現雙極性輸出開關和儲能電容數是單極性Marx的兩倍，不利于裝置緊湊化和成本控制。采用多電平MMC方式，輸出電壓等于充電電壓，開關直接串聯承受高壓因此需要大量的均壓電路和大功率直流充電電源。Marx電路加全橋電路，每個單元需要4個開關組成橋臂，且需要增加充電開關。
為滿足脈沖發生器在醫學領域的需求，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網河北省電力有限公司滄州供電分公司、重慶大學電氣工程博士后流動站的研究人員，研制了一種新型的雙極性Marx高重頻脈沖發生器。
它的特點在于每個單元模塊僅僅使用4個開關實現了充電和雙極性的輸出，通過模塊的串聯實現高電壓輸出。在保留Marx升壓和橋式雙極性輸出優點的前提下，減少了開關器件和儲能電容的使用量，利于裝置的緊湊化，有效地控制了裝置成本。
圖1 脈沖發生器實驗系統框圖
圖2 高頻雙極性脈沖發生器實物
根據近年來生物醫療和等離子體產生等應用確定該脈沖發生器的設計參數如下：輸出脈沖幅值為0～±5kV，脈沖為納秒至微秒可調，脈沖寬度為200ns～10μs，輸出脈沖串內頻率最高可達2.5MHz。該脈沖發生器可以應用于細胞組織在納秒和微秒脈沖下不可逆電穿孔的研究以及等離子體在不同參數的脈沖下的產生情況。
研究人員最后得出如下結論：
1）研究一種新型雙極性Marx脈沖發生器的拓撲結構，它的優點在于：結構簡單，雙極性輸出，波形靈活可調，有利于裝置的小型化。
2）目前充電850V六級疊加實驗在200◆純電阻負載條件下所取得的輸出參數為：脈沖串內頻率為2.5MHz，脈沖寬度為200ns～10◆s，脈沖幅值為±5kV，上升時間100ns，下降時間80ns，電壓輸出效率為98%。
3）脈沖發生器裝置采用模塊化設計，每個單元為相對獨立的模塊，模塊間實現了自然均壓。因此在絕緣充足的情況下能通過模塊的簡單堆疊實現更高的高壓輸出。
綜上所述，全固態新型雙極性Marx高重頻脈沖發生器結構緊湊，輸出波形靈活可調，脈沖寬度為納秒至微秒可調，可以簡單方便地提高電壓等級，在生物醫療、等離子體產生方面有著良好的應用前景。
以上研究成果發表在2020年第4期《電工技術學報》，論文標題為“一種新型的雙極性Marx高重頻脈沖發生器”，作者為王曉雨、董守龍、馬劍豪、余亮、姚陳果。
