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近年來(lái)，隨著脈沖功率技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，脈沖發(fā)生器在生物醫(yī)學(xué)、食品加工、電磁成形、等離子體研究等領(lǐng)域的需求日漸增大。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，高壓脈沖誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生不可逆電穿孔從而治療腫瘤的方式已經(jīng)進(jìn)入了臨床階段，并展示出良好的治療前景。

但隨著臨床應(yīng)用的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，單極性電脈沖含有較大的直流分量，將導(dǎo)致患者在治療時(shí)發(fā)生肌肉收縮的現(xiàn)象。這容易引起電極針移位，致使消融精準(zhǔn)降低，并且給患者帶來(lái)不適甚至疼痛感。根據(jù)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(wú)明顯差異。

因此，可靠且緊湊的高頻雙極性脈沖發(fā)生器的研制將極大地滿足高壓電脈沖在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的需求。目前高壓脈沖的主要產(chǎn)生方式包括形成線、Marx電路、直線型變壓器驅(qū)動(dòng)源（Linear Transformer Driver, LTD）電路等，且隨著半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，全固態(tài)脈沖發(fā)生器的研發(fā)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

由于形成線脈沖發(fā)生器對(duì)于脈寬的調(diào)節(jié)，只能通過改變傳輸線的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，不利于脈沖寬度的靈活可調(diào)。全固態(tài)LTD脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生較大功率高頻單極脈沖，但由于磁心磁飽和現(xiàn)象的限制，不能產(chǎn)生較長(zhǎng)脈寬的脈沖且存在磁心損耗，效率較低。雖然固態(tài)Marx脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生高壓脈沖，其脈沖寬度靈活可調(diào)，但國(guó)內(nèi)外現(xiàn)存在的Marx電路輸出多為單極性脈沖。

為此，有學(xué)者提出采用兩臺(tái)Marx實(shí)現(xiàn)正負(fù)輸出，或者采用多電平MMC方式實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。也有學(xué)者將Marx電路和傳統(tǒng)的橋式電路相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jìn)的空間，使用雙臺(tái)Marx實(shí)現(xiàn)雙極性輸出開關(guān)和儲(chǔ)能電容數(shù)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(guān)直接串聯(lián)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(gè)單元需要4個(gè)開關(guān)組成橋臂，且需要增加充電開關(guān)。

為滿足脈沖發(fā)生器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的需求，輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）、國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司滄州供電分公司、重慶大學(xué)電氣工程博士后流動(dòng)站的研究人員，研制了一種新型的雙極性Marx高重頻脈沖發(fā)生器。

它的特點(diǎn)在于每個(gè)單元模塊僅僅使用4個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)了充電和雙極性的輸出，通過模塊的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高電壓輸出。在保留Marx升壓和橋式雙極性輸出優(yōu)點(diǎn)的前提下，減少了開關(guān)器件和儲(chǔ)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(fā)生器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖2 高頻雙極性脈沖發(fā)生器實(shí)物

根據(jù)近年來(lái)生物醫(yī)療和等離子體產(chǎn)生等應(yīng)用確定該脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：輸出脈沖幅值為0～±5kV，脈沖為納秒至微秒可調(diào)，脈沖寬度為200ns～10μs，輸出脈沖串內(nèi)頻率最高可達(dá)2.5MHz。該脈沖發(fā)生器可以應(yīng)用于細(xì)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(shù)的脈沖下的產(chǎn)生情況。

研究人員最后得出如下結(jié)論：

1）研究一種新型雙極性Marx脈沖發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，雙極性輸出，波形靈活可調(diào)，有利于裝置的小型化。

2）目前充電850V六級(jí)疊加實(shí)驗(yàn)在200◆純電阻負(fù)載條件下所取得的輸出參數(shù)為：脈沖串內(nèi)頻率為2.5MHz，脈沖寬度為200ns～10◆s，脈沖幅值為±5kV，上升時(shí)間100ns，下降時(shí)間80ns，電壓輸出效率為98%。

3）脈沖發(fā)生器裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)單元為相對(duì)獨(dú)立的模塊，模塊間實(shí)現(xiàn)了自然均壓。因此在絕緣充足的情況下能通過模塊的簡(jiǎn)單堆疊實(shí)現(xiàn)更高的高壓輸出。

綜上所述，全固態(tài)新型雙極性Marx高重頻脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊，輸出波形靈活可調(diào)，脈沖寬度為納秒至微秒可調(diào)，可以簡(jiǎn)單方便地提高電壓等級(jí)，在生物醫(yī)療、等離子體產(chǎn)生方面有著良好的應(yīng)用前景。

以上研究成果發(fā)表在2020年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“一種新型的雙極性Marx高重頻脈沖發(fā)生器”，作者為王曉雨、董守龍、馬劍豪、余亮、姚陳果。