一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器

0 引言

近年来，随着脉冲功率技术的快速发展和应用领域的不断拓宽，脉冲发生器在生物医学[1]、食品加工[2]、电磁成形[3-4]、等离子体研究[5]等领域的需求日渐增大。尤其在医学领域中，高压脉冲诱导细胞发生不可逆电穿孔从而治疗肿瘤的方式已经进入了临床阶段，并展示出良好的治疗前景[6]。但随着临床应用的不断深入，研究人员发现，单极性电脉冲含有较大的直流分量，将导致患者在治疗时发生肌肉收缩的现象。这容易引起电极针移位，致使消融精准降低，并且给患者带来不适甚至疼痛感[7-9]。根据最新的研究表明，高频双极性的高压脉冲能抑制直流分量，从而有效地减轻患者的肌肉收缩和疼痛感[10-11]，且疗效并无明显差异。

因此，可靠且紧凑的高频双极性脉冲发生器的研制将极大地满足高压电脉冲在生物医学领域的需求。目前高压脉冲的主要产生方式包括形成线[12]、Marx电路[5,13]、直线型变压器驱动源（Linear Transformer Driver, LTD）电路[14]等，且随着半导体开关技术的发展，全固态脉冲发生器的研发已成为国内外学者研究的重点。由于形成线脉冲发生器对于脉宽的调节，只能通过改变传输线的长度来实现，不利于脉冲宽度的灵活可调。全固态LTD脉冲发生器可以产生较大功率高频单极脉冲，但由于磁心磁饱和现象的限制，不能产生较长脉宽的脉冲且存在磁心损耗，效率较低。虽然固态 Marx脉冲发生器可以产生高压脉冲，其脉冲宽度灵活可调，但国内外现存在的Marx电路输出多为单极性脉冲[5,13]。为此，有学者提出采用两台Marx实现正负输出[15-17]，或者采用多电平MMC方式实现双极性输出[11]。也有学者将 Marx电路和传统的桥式电路相结合来实现双极性输出[18]。尽管双极性 Marx的研究较多，但是以上方案仍然有改进的空间，使用双台 Marx实现双极性输出开关和储能电容数是单极性 Marx的两倍，不利于装置紧凑化和成本控制。采用多电平MMC方式，输出电压等于充电电压，开关直接串联承受高压因此需要大量的均压电路和大功率直流充电电源。Marx电路加全桥电路，每个单元需要4个开关组成桥臂，且需要增加充电开关[18]。

为满足脉冲发生器在医学领域的需求，本文研制了一种新型的双极性 Marx高重频脉冲发生器，它的特点在于每个单元模块仅仅使用4个开关实现了充电和双极性的输出，通过模块的串联实现高电压输出。在保留 Marx升压和桥式双极性输出优点的前提下，减少了开关器件和储能电容的使用量，利于装置的紧凑化，有效地控制了装置成本。

根据近年来生物医疗[11]和等离子体产生[5]等应用确定该脉冲发生器的设计参数如下：输出脉冲幅值为0～±5kV，脉冲为纳秒至微秒可调，脉冲宽度为 200ns～10μs，输出脉冲串内频率最高可达2.5MHz。该脉冲发生器可以应用于细胞组织在纳秒和微秒脉冲下不可逆电穿孔的研究以及等离子体在不同参数的脉冲下的产生情况。

1 拓扑结构的研究

1.1 系统结构

本文中所提出的新型桥式双极性 Marx脉冲发生器的实验系统框图如图1所示。

图1 全固态高频双极性脉冲发生器实验系统框图
Fig.1 Structure diagram of the experimental system of all solid-state high frequency bipolar pulse generator

1.2 脉冲发生器主电路

双极性全固态 Marx拓扑结构电路原理如图 2所示。如图2a所示，该脉冲发生器的结构使用多级模块化的设计方式，每级模块由 6个 MOSFET、2个二极管和1个电容组成。通过导通和关断电路中的MOSFET，可实现脉冲发生器的充电、正极性放电和负极性放电三种工作模式。由于充电开关 Sn-1可以被桥臂中Sn-3和Sn-5的串联代替或者Sn-2可以被Sn-4或Sn-6代替，因此可以简化为图2b或图2c。为进一步减少成本，并使得控制信号时序更加简单，对图 2a～图 2c的脉冲发生器进行结构优化，如图2d所示。其中，图2中各个脉冲发生器的开关控制次序见表1。

图2 双极性全固态Marx拓扑结构电路原理
Fig.2 Bipolar solid-state Marx generator and the optimization of circuit

表1 脉冲发生器开关导通时序
Tab.1 Operational modes of the circuits

在图2a基础上进一步优化电路，将每级所需固态开关缩减至4个，并结合二极管和电容形成单级电路模块。将单级模块与 Marx电路结构相结合，可以达到提升输出电压等级的目的。为保证正极性脉冲输出电压与负极性脉冲输出电压幅值相同，在最后一级电路中多增加一个电容Cn+1，其中C1～Cn为正极性脉冲提供能量，C2～Cn+1为负极性脉冲提供能量。

1.3 工作原理

全固态双极性脉冲发生器工作过程电路原理如图3所示。如图3a所示，当充电过程为Sn-1与Sn-3处于导通状态，Sn-2与 Sn-4处于关断状态，此时高压电源通过二极管VDn-1、VDn-2和固态开关Sn-1、Sn-3对电容进行并联充电。此时所有的电容电压与高压直流电源电压相同，电压关系为

式中， DCU 为高压直流电源充电电压； 1CU ～ 1CnU +为电容C1～Cn+1的电压。

图3b和图3c为放电过程，其中图3b为输出正极性脉冲，图3c为输出负极性脉冲。输出为正极性脉冲时，开关Sn-4闭合，二极管都处于反向截止的状态，电容C1～Cn串联对外放电，此时电阻上电压为正极性，输出电压UOUT为

输出为负极性脉冲时，只有开关Sn-2闭合，二极管都处于反向截止的状态，电容C2～Cn+1串联对外放电，此时电阻上电压为负极性，输出电压与正极性电压幅值相同。

图3 全固态双极性脉冲发生器工作过程电路原理
Fig.3 The working process of the solid-state bipolar pulse generator

该脉冲发生器的控制时序如图4所示，图中，fi为脉冲发生器输出串外频率，T1为正负极性脉冲之间对电容充电的时间，T2为正负极性脉冲之间的死区时间，T3和T4分别为正负脉冲的脉冲宽度。在正负极性脉冲之间对电容充电是由于脉冲发生器输出正负极性的脉冲时均使用电容C2～Cn放电，为保证正负极性输出电压相同，需在正负脉冲之间的死区时间对电容充电。脉冲发生器输出电压波形灵活可调，可以通过改变 T3和 T4的宽度来调节输出的正负极性脉冲的脉宽，并且Sn-2和Sn-4的控制信号可以输出为脉冲串形式，脉冲发生器的脉冲串内输出频率最高可达2.5MHz。

图4 脉冲发生器控制时序
Fig.4 Operational modes of the pulse generator

1.4 主电路元器件选择

电容器的主要目的是储存能量，并为脉冲发生器提供稳定电压。在选择电容器时需要考虑到电容器的容值及所能承受的电压。第一，由于每级脉冲发生器模块的输出电压为±850V，考虑到阈值电压，储能电容器的耐压值至少需要1kV；第二，电容器的容值与放电时间常数有关。为保证脉冲发生器所输出的脉冲的顶降小于 5%，根据文献[16]，储能电容的最小容值需满足

式中，C为储能电容的电容值；t为最大脉宽（10μs）；V0为脉冲电压的幅值（850V）；ΔVd为输出脉冲所允许的脉冲顶降（5%V0）；RL为负载电阻（200Ω）。利用式（3）进行计算，得出电容器的容值不少于1μF。因此采用美国CDE无感电容，耐压1 200V，容值 1μF。

双极性脉冲发生器的主要开关为C2M0025120D，耐压值为 1 200V。该 MOSFET的上升沿及下降沿理论值为18.4ns和13.6ns，满足脉冲发生器的上升沿及下降沿需求。

本文中的双极性脉冲发生器需要一个精确且易于调控的控制系统，故在此采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）来产生该双极性脉冲发生器的控制信号。所使用的FPGA的时钟信号由一个50MHz的晶振产生，该信号的每个周期被锁相环分成4份，所以该FPGA的最小时钟周期可以达到 5ns。通过程序编写可以输出多路不同的控制信号，足以满足该双极性脉冲发生器的需求。为了实现更加紧凑的结构和灵活的控制输出，脉冲发生器采用模块化设计。每级电路为一个模块，每个 MOSFET连同驱动电路均放置在同一块电路板上。触发信号通过光纤接收器（HFBR-2412TZ）转化为 TTL信号。这个信号被送到门极驱动芯片（IXDN609PI）来达到门极驱动电压（15V）的等级。之后，输出的控制信号通过一些辅助电路来驱动MOSFET。这些辅助电路的主要作用是一直电磁干扰和隔离高电压。所有的控制信号与驱动信号之间通过光纤隔离实现高低压绝缘。另外，光纤接收器和门极驱动芯片是由一个单独的隔离电源转换器（MORNSUN H1215S）来进行供电的，并且可以降低耦合参数。这些电源模块的隔离电压为6kV，满足脉冲发生器的电压隔离需求。驱动原理如图5所示。

图5 驱动原理
Fig.5 The diagram of the drive circuit

2 电路仿真

为验证拓扑结构的理论可行性，采用PSpice仿真软件对高频双极性脉冲发生器进行仿真。仿真参数见表2。

图6为负载为电阻时的电压波形。正极性电压与负极性电压存在电压差，并且存在一定电压顶降。上面两种情况的出现的原因是：①充电过程中，电路中存在的杂散参数，每级电容的电压并不相等，级联后正负极性电压存在一定的电压差；②正负极性的输出脉冲均有电容C2～Cn提供能量，经过一次放电后能量会有损失，因此出现顶降及正负电压存在差值的现象。

表2 在PSpice中仿真参数
Tab.2 Simulation parameters used in PSpice

图6 仿真输出电压波形
Fig.6 The simulation of output waveform

为改善上述原因造成的影响，本文采用在正负极性脉冲之间的死区时间对电容充电的方法，来降低输出电压的顶降及正负极性电压存在的差值，改进后输出波形如图7所示，可以看出改进后电压顶降明显减小。

图7 改进后仿真输出电压波形
Fig.7 The improved simulation of output waveform

图8 和图9分别为脉冲发生器在输出不同脉宽的电压脉冲与每级模块级联后每级的电压输出仿真波形。

经过仿真验证了该脉冲发生器拓扑结构的可行性及满足脉冲发生器输出参数的需求。

图8 不同脉宽下的输出电压仿真波形
Fig.8 The simulation output voltage waveforms of the bipolar pulse generator with width variable

图9 双极性脉冲发生器每级输出仿真波形
Fig.9 The simulation output waveforms of per level bipolar pulse generator

3 样机测试实验

在理想条件下，所需的输入功率Pi完全等于平均输出功率P0。然而现实情况下，在脉冲发生器内部必然会存在损耗。考虑到尺寸、成本和规格，采用可编程直流输出功率为 30W 的东文 DW-P102-30F0F高压电源模块作为脉冲发生器直流充电电源。

根据图 2d中的拓扑结构进行脉冲发生器的研制。脉冲发生器的实物如图10所示。

图10 高频双极性脉冲发生器实物
Fig.10 The total view of the high-frequency bipolar pulse generator

在测试时，本文采用 200Ω 的无感电阻作为负载，测量工具使用的是具有200MHz带宽和2.5GS/s采样率的泰克示波器MDO3024和LeCory PPE 5kV高压探头。首先对每级模块电路的输出及串联后的输出进行测试，然后通过调节控制信号测试了脉冲发生器最高频率输出及不同脉宽下的电压输出情况。

双极性脉冲发生器每级输出波形如图11所示，从图11可以看出，当输入电源电压为850V时，1～6级脉冲发生器每级脉冲输出电压波形。可以看出通过 Marx结构的级联方式，脉冲发生器输出电压满足了设计需求。

图11 双极性脉冲发生器每级输出波形
Fig.11 The output waveforms figure of per level bipolar pulse generator

输出波形的上升时间及下降时间如图12所示，从图12中可以看出，该脉冲发生器电压输出脉宽的上升沿大约为100ns，下降时间大约为80ns。

图12 输出波形的上升时间及下降时间
Fig.12 The rise-time and fall-time of output waveforms

图 13为脉冲发生器最高频率下的电压输出波形，输出脉冲的脉宽 200ns，幅值±5kV，串内频率为 2.5MHz。

图13 双极性脉冲发生器输出±5kV的脉冲
Fig.13 The bipolar pulse generator work at ±5kV

图 14为高频双极性脉冲发生器不同脉宽的电压输出波形，脉宽分别为 500ns、1μs、2μs、5μs和10μs。图15为正负极性脉冲输出脉冲宽度不同时的电压波形，此时正脉冲脉冲宽度为 200ns，负脉冲脉冲宽度为 500ns。由图中可以看出脉冲发生器在不同脉宽下，上升沿与下降沿均无太大差别。实现了脉冲发生器输出脉宽纳秒到微秒灵活可调的功能。图14实际输出电压波形与图8仿真波形具有一定的差异，这是因为实际测量过程中，电路有一定的杂散参数。

图14 不同脉宽下的输出电压波形
Fig.14 The output voltage waveforms of the bipolar pulse generator with width variable

图15 正负极性脉冲不同脉宽下的输出电压波形
Fig.15 The output voltage waveform of the positive and negative polarity pulse under different pulse width

由实验结果可以证实，图2a拓扑结构的可行性及实用性，并且脉冲发生器的样机达到了设计指标，实现了脉冲发生器输出脉冲灵活可调、结构模块化及成本有效控制等优点。

4 结论

在本文中，研制了一种新型全固态双极性Marx高重频脉冲发生器。得出如下结论：

1）研究一种新型双极性Marx脉冲发生器的拓扑结构，它的优点在于：结构简单，双极性输出，波形灵活可调，有利于装置的小型化。

2）目前充电850V六级叠加实验在200Ω 纯电阻负载条件下所取得的输出参数为：脉冲串内频率为2.5MHz，脉冲宽度为200ns～10μs，脉冲幅值为±5kV，上升时间100ns，下降时间80ns，电压输出效率为98%。

3）脉冲发生器装置采用模块化设计，每个单元为相对独立的模块，模块间实现了自然均压，如图11所示。因此在绝缘充足的情况下能通过模块的简单堆叠实现更高的高压输出。

综上所述，全固态新型双极性 Marx高重频脉冲发生器结构紧凑，输出波形灵活可调，脉冲宽度为纳秒至微秒可调，可以简单方便地提高电压等级，在生物医疗、等离子体产生方面有着良好的应用前景。