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摘要
以马克思发生器和脉冲变压器为核心，设计了一种紧凑的全固态脉冲功率调制器。它由一个六级Marx发生器和一个脉冲变压器组成，前者利用功率MOSFET作为开关来产生初级电压脉冲，后者通过一个封闭的磁芯来提高和转换输出高压脉冲的极性。设计了一种基于光电隔离的MOSFET驱动电路来控制Marx发生器。结果表明，脉冲变压器的漏电感、分布电容、磁化电感、升压比等参数决定了输出脉冲的形状，特别是上升和下降阶段。所设计的调制器能够产生幅值为 -35 ~ 35kv、重复频率为10khz、最小脉宽为250ns的高压脉冲。该小型脉冲调制器能够驱动各种类型的等离子体放电，包括局部处理的空气微放电、板对板空气介质阻挡放电、水下放电，具有良好的重现性。全固态，马克思发生器，等离子体放电，脉冲变压器。
I. 概述
近几十年来，脉冲电源技术的发展取得了长足的进步，大功率微波辐射、臭氧生成、电穿孔治疗、等离子体放电等脉冲电源在工业和科研中得到了广泛的应用。基于Marx发生器、脉冲形成网络、线性变压器驱动器和Blumlein线路，提出了多种高压(HV)脉冲的电气设计方案，其宽度从毫秒到纳秒甚至数百皮秒。根据不同的应用目的，采用不同的开关系统，如气隙开关、半导体开关、磁开关等，实现不同功率下的脉冲输出。例如，气体开关系统由于其大电流输出(kA量级)而广泛应用于大功率脉冲发生器中，而气体开关脉冲源由于放电电极[11]的腐蚀，其应用往往受到限制。目前，高功率输出、高重复频率、脉冲宽度范围灵活、结构紧凑的脉冲发生器在世界范围内引起了广泛的关注。从这个角度看，全控半导体开关脉冲系统是合格的，并受到相当大的关注。
半导体开关包括绝缘栅双极晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，由于其结构紧凑、重量轻、重复率高、寿命不受限制、功耗低、成本低、效率高，在脉冲电源系统中得到了广泛的应用。然而，完美的同步和杂散电磁干扰经常受到挑战，特别是当许多半导体开关被用来增加输出脉冲振幅。同时，高压输出对半导体开关(如MOSFET)有限的耐压能力提出了很高的要求。因此，为了提高电压，实现更高的幅值输出，常常将脉冲变压器与初级脉冲发生器(如Marx发生器)一起引入。该组合具有结构紧凑、重复性好等优点。
本文提出了一种基于Marx电路和脉冲变压器的全固态紧凑型脉冲调制器。该调制器由六级Marx发生器组成，以MOSFET作为控制开关，产生一次电压脉冲。然后脉冲电压通过一个闭合的磁芯变压器提高。发生器能够产生重复脉冲与输出电压从minus;35~35 kV，脉冲持续时间250ns~10us，和1 Hz~10 kHz的频率。这些输出脉冲参数可以连续调整，同时，脉冲变压器很容易改变脉冲极性。最后， 利用该小型脉冲发生器对不同类型的等离子体放电气体和水介质进行了击穿实验。在等离子体的应用和基础研究方面，实现了具有良好重现性的放电。
II. 电路和结构
图1.(a)设计的全固态脉冲发生器.(b)功率mosfet作为开关的六级Marx发生器的原理图
如图1(a)所示，所构建的脉冲发生器由直流充电电源、固态Marx电路、带数字信号控制器TMS320F28027的MOSFET驱动电路、脉冲变压器和负载五部分组成。
A．马克思发生器电路
六级马克思发生器的方案如图1(b)所示。马克思发电机是由直流电源充电，可以输出直流电压高达2000V。该电路拓扑结构能够实现充电电路与放电电路之间的电气隔离。如图1(b)所示，电感L和快速恢复二极管D将充电电路和放电电路隔离，确保Marx发生器在串联中并联充电，独立放电。时间常数必须比脉冲宽度要短得多。纳米晶磁环电感由于其高饱和磁通强度而被采用，从而可以驱动高充电电流。电容器C 是一种降低杂散电感的无感电容，其值需要满足以下方程:
tau;是脉冲宽度,是输出电压,是输出电压的下降,是输入充电电流，是负载电流。在这里,我们将电容器的值设置为1micro;F / 1200 V。充电时，MOSFET开关打开，电容器并联充电，所有MOSFET均为地电位。但在放电过程中，MOSFET驱动电路将脉冲信号输出到每个MOSFET栅上串联开关，相应的放电电路串联。此时，每个MOSFET电位被悬浮在不同的水平。例如，假设充电电压为1kv，每级电容电压等于充电过程结束时的充电电压。放电时刻，当阶段1 MOSFET电位接地时，阶段2 MOSFET电位悬浮在1kv，相应的，阶段6 MOSFET电位悬浮在5kv。因此，驱动电路需要承受的最大电压为5kv。一般来说，马克思电路的充电阶段越多，对隔离电压的要求就越高。因此，保证马克思发电机各阶段驱动电路以及马克思发电机与直流充电电源之间的良好隔离是十分重要的。
B．MOSFET Driver Circuit
图2.基于光控制和电隔离的马克思发生器隔离驱动电路原理图
本文设计了一种基于光控制和电隔离、控制Marx发生器的小型驱动电路，如图2所示。DC-DC变换器(H1205和H1212S, Sunrise Company, China)作为隔离变压器，将驱动电路与Marx电路中的MOSFET隔离。所使用的dc-dc变换器的最大隔离电压可达6kv，足以满足六级马克思发电机。光纤隔离用于从驱动电路输入端隔离脉冲信号。光纤发射器和接收机的部分进行光电和电光转换，最后将隔离的电信号输入驱动芯片。与MOSFETs驱动程序一起构造的马克思生成器如图3所示。
图3.安装了由mosfts驱动电路构成的紧凑的六级Marx发生器
图4.以20k电阻为负载,六级马克思发电机在不同模态下输出脉冲波形.(a)脉冲宽度从200ns~1micro;s .(b)脉冲电压幅值由- 1kv至- 5kv.(c)重复频率高达10khz的单脉冲和串联脉冲.(d)在突发模式下工作.
图4为六阶Marx发生器在不同模态下的输出脉冲波形。如图4(a)- (c)所示,输出脉冲能够不断随脉冲宽度从200纳秒到1micro;s振幅升至minus;5 kV,重复频率10 kHz。产生的电压脉冲的上升和下降时间约为50和80ns。同时，发电机能够在突发模式下工作，在不同的时间间隔提供特定数量的电压脉冲，如图4(d)所示。Marx发电机的主要输出参数列于表I，负载为20k的低电感电阻。
表I.六级马克思发电机主要输出参数
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参数 |
值 |
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电压幅值 频率 上升沿 下降沿 脉冲宽度 |
0~-5kV 0~10kHz ~50ns ~80ns 200ns~10us |
C.脉冲变压器设计
众所周知，脉冲变压器是根据法拉第电磁感应定律和伦茨定律来传输电能的，这两种定律与普通变压器是一致的。由于漏感、分布电容等杂散干扰的存在，脉冲变压器的输出会出现脉冲幅度上升或下降沿畸变、超调或下降等情况。因此，在脉冲变压器的设计中，对这些干扰参数进行优化是非常重要的。
本文研制了一种基于闭合磁芯的小型高压脉冲变压器。由于环形铁基纳米晶铁芯具有饱和磁通量强度高(1.25 T)、磁导率高、矫顽力低、稳定性好等优点，因此选用环形铁基纳米晶铁芯作为闭合磁芯。一次绕组和二次绕组分别采用高压绝缘导线绕在磁芯上，如图5所示。所建脉冲变压器的尺寸分别为高50mm、外径130mm、内径90mm。
图5.构造封闭式磁芯脉冲变压器
所设计变压器的等效电路如图6(a)所示。在一次回路中，为杂散电阻，为泄漏电感，为磁芯的损耗电阻，为一次绕组的分布电容，为变压器的磁化电感。在二次回路中，为分布电容，为泄漏电感，为杂散电阻，为负载电阻。是变压器两个绕组的分布电容。这些参数很重要，对变压器输出的最终脉冲形状影响很大。
图6.(a)所设计脉冲变压器的等效电路.(b)脉冲前沿时变压器的等效电路.
为了选择合适的参数以减小杂散干扰的影响，对变压器在脉冲上升阶段的等效电路进行了仿真。脉冲前沿的等效电路如图6(b)所示。参数、、分别为Marx发电机与变压器之间的阻抗、漏电感、分布电容。表示等效于主电路的负载。在上升阶段，电压和电流变化很快，等效频率很高。因此，在这种情况下，磁化电感和等效电阻的影响可以忽略不计。相应地，所构造的变压器可以等效地简化为一次回路。两个重要的系数描述的输出脉冲变压器在上升阶段,即过度的系数delta;和上升时间
代表了时间的前沿。系数delta;描述的超出范围输出脉冲电压。时，意味着没有发生过度，但不断上升的边缘将延长。当,输出电压过冲。通常情况下，为了实现快速的脉冲上升相位，变压器的设计要根据具体应用情况，将电压过冲的成本控制在可接受的范围内。当脉冲电压过冲，超出规定电压的最大值之间的比例和稳定的脉冲幅度,并且它是由
考虑到二次电路,
为了限制一次电流，需要限制升压比。因此，本文确定变压器一次绕组为4匝，二次绕组为32匝。最终构建的闭合铁芯变压器的升压比为1:8，如图5所示。基于脉冲调制器的设计与脉冲上升时间低于200 ns和比例le;1.03,选择系数和。根据式(5)和式(6)计算出和的值分别为2.91 pF和2.62 mH，设置为400Omega;以吸收振荡。在上升阶段，将这些参数引入等效电路[图6(b)]，用PSpice软件进行仿真，如图7所示。
图7.(a)模拟变压器等效电路参数与脉冲宽度在上升阶段2micro;s和250 ns.
(b)通过PSpice软件模拟输出脉冲.
在仿真中，输入脉冲幅度10 kV,脉冲宽度2micro;s和250 ns，上升时间和下降时间均为50 ns，和1 kHz的重复频率。根据(5)和(6)，预估和各为40.9micro;H和186.24 pF。模拟脉冲波形如图7(b)所示，上升时间约为200ns，过冲2kv(20%)。基于仿真和所选参数，所构建的调制器输出脉冲如图8所示。由此可见，所生成的脉冲波形与仿真波形吻合良好。超调是高压脉冲变压器的固有特性。在过冲和上升时间之间取得完美的平衡是相当困难的，因为它们的行为方式是相反的。这两个系数可以通过仿真改变所设计变压器的参数来得到，直到得到满足特定应用的输出脉冲，例如本文中的等离子体放电。图8(b)为所产生的脉冲，其幅值为10 ~ 30kv，脉宽约为250ns。脉冲变压器的上升和下降沿的特征时间约为150和300纳秒，经过脉冲变压器的扩展。通过下式估算调制器的功率效率:
其中为输出脉冲电压，为负载电阻，f为重复频率，V和I分别为直流电源的电压和电流。以20k电阻为负载，计算出84.7%的功率效率。
图8.从构造的脉冲调制器输出 (a)脉冲宽度2micro;s、10kV.(b)脉冲宽度250 ns和振幅10~30kV,频率为1khz,负载为20kOmega;。
与六级Marx发生器的输出相比，利用脉冲变压器可以有效地提高脉冲幅度，但需要适当的设计才能使脉冲形状产生轻微的畸变。同时，通过变压器可以方便地改变脉冲极性。该纳秒脉冲调制器适用于驱动各种等离子体气体和水介质的放电，以及相关的脉冲放电应用和基础研究。
III. 在各种等离子体产生的应用
利用所构建的脉冲调制器，可在气、水介质中产生各种类型的放电。本文对三种不同的等离子体放电进行了实验研究，得到了重复放电世代。初步测量了相应的电压和电流。
A.局部治疗Micro-DBD
采用脉冲调制器驱动两种介质阻挡放电(DBDs)，具有良好的重现性。如图9所示，产生微空气DBD用于局部治疗，如药物治疗。该微DBD装置由一根开口高压丝插入直径为8毫米、厚度为1毫米的石英管中组成。这些零件集中在另一个直径为10毫米、厚度为2毫米的石英管上。外管用于引入气体流动。外管下放置接地铜板，间距为2 mm。当气体在外管中流动并施加脉冲电压时，产生稳定的室温空气放电，如图9(b)所示。需要说明的是，当人的手代替铜板并接近管口时，空气DBD样等离子体也可以在有/没有空气流动的情况下实现，如图9(c)所示。它是安全的，没有任何过热或电击，适用于医疗应用的局部治疗。对于带接地铜板的气流微DBD，其电压和电流波形如图10所示。放电电流是由放电断续时总电流减去位移电流得到的。在20 kv脉冲幅值、500-ns脉宽、1-kHz频率和2-slm风量下，微空气DBD的耗散功率估计为0.65 W。
图9.(a)和(b)空气流量为2 slm的微型dbd装置的原理图和图片.(c)人手触碰微dbd样排风(无气流).应用脉冲振幅20 kv, 脉宽500 ns，脉冲频率1kHz.
图10.测量了微空气DBD的电压和电流波形.生成条件如图9所示.(a)相同电压脉冲下测量的电压和电流(带等离子体通和等离子体关)波形 (b)放电电流.
B.板对板DBD
材料改性需要较大的均匀脉冲放电。如图11所示，同一脉冲调制器产生均匀的空气DBD。DBD装置由两个6厘米长的圆形铝电极组成，电极上分别覆盖两个陶瓷板。铝和陶瓷板的厚度分别为2毫米和0.8毫米。当间隙距离为1mm时，在11.5 kv脉冲幅值下可以实现均匀的空气放电。峰值电流约为3.5 A，总耗散功率约为10w。
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