基于Marx+脈沖變壓器的高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器

廖志剛 潘冠位 李佳龍 丁建云 劉新星

摘 要：團(tuán)隊(duì)依托于重慶大學(xué)輸配電裝備與系統(tǒng)安全及新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，基于Marx+脈沖變壓器，完成了具有快速上升前沿的高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器，并生產(chǎn)出成熟的設(shè)備，旨在解決交叉學(xué)科背景下應(yīng)用者因脈沖功率學(xué)科技術(shù)門(mén)檻而難以自主研發(fā)、熟練應(yīng)用脈沖發(fā)生器的問(wèn)題，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白，為使用者提供了一個(gè)性能優(yōu)良、高效、使用簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格低廉的脈沖發(fā)生器。

關(guān)鍵詞：Marx;脈沖變壓器;脈沖發(fā)生器

1 作品簡(jiǎn)介

研制的高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器性能優(yōu)越，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）損耗小，能量傳輸效率高。采用環(huán)形閉合磁芯及同軸繞組，減小回路漏感及分布電容，損耗極小，能量傳輸效率達(dá)94.6%。

（2）速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)多種應(yīng)用。脈沖上升前沿僅160 ns，無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象，可用于治療腫瘤、提高細(xì)胞融合率、國(guó)防軍工等。

（3）自動(dòng)化程度高，降低人力成本。由液晶顯示屏輸入?yún)?shù)，通過(guò)控制FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)開(kāi)關(guān)的控制，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓精確調(diào)節(jié)放電能量，簡(jiǎn)單方便。

（4）適用范圍廣，綠色環(huán)保。高壓高頻固態(tài)脈沖發(fā)生器輸出電壓0～10 kV可調(diào)，輸出脈寬200 ns～10 μs可調(diào)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)系統(tǒng)使用節(jié)能手段，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。

2 工作原理

電路原理圖如圖1所示。

接通設(shè)備電源后，外接電源對(duì)充電電源充電，充電電源經(jīng)由充電電阻、單向二極管對(duì)兩級(jí)Marx電路充電，然后由FPGA邏輯編程控制器對(duì)IGBT固態(tài)開(kāi)關(guān)發(fā)送控制信號(hào)，控制其導(dǎo)通，之后電容對(duì)脈沖變壓器初級(jí)繞組放電，形成脈沖信號(hào)，再通過(guò)脈沖變壓器升壓，最終輸出高壓脈沖。

脈沖電壓幅值由充電電源、脈沖變壓器變比決定，脈沖寬度由固態(tài)開(kāi)關(guān)開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間決定，脈沖前沿由固態(tài)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間決定，脈沖頻率由固態(tài)開(kāi)關(guān)工作頻率決定。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）新型納米晶脈沖變壓器磁芯結(jié)構(gòu)。納米晶合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅鋼片作為脈沖變壓器磁芯，平均磁導(dǎo)率?為

30 000，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br低于0.15 T，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs為1.25 T，能夠?qū)崿F(xiàn)高幅值、大脈寬脈沖電壓的輸出。

（2）FPGA自動(dòng)化控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)?；贔PGA研制的控制系統(tǒng)，能夠?qū)γ}沖寬度、脈沖周期、脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行參數(shù)化控制，具有多通道輸出，可同時(shí)控制多個(gè)脈沖源。USB外接電源，方便快捷。光纖傳輸，抗干擾能力強(qiáng)。

4 市場(chǎng)前景

高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器在工業(yè)廢水處理、腫瘤治療、國(guó)防軍工、材料制造等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。在化工方面，具體應(yīng)用于工業(yè)廢水的處理，可大幅降低工業(yè)廢水的排放并提高水的再利用率。根據(jù)測(cè)算，2020年我國(guó)工業(yè)廢水處理行業(yè)對(duì)高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器的潛在市場(chǎng)需求約為1 000億元;在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)方面，高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器可以用于腫瘤的治療，提高細(xì)胞融合率。根據(jù)測(cè)算，生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)在2022年對(duì)高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器的需求為1 200億。當(dāng)下進(jìn)口設(shè)備單價(jià)是國(guó)內(nèi)平均價(jià)格的3～5倍，而國(guó)內(nèi)廠家（合資）缺少自己的核心技術(shù)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)，產(chǎn)品種類少而單一。對(duì)比之下，本項(xiàng)目研發(fā)的高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器價(jià)格低廉，適用范圍廣，適用性強(qiáng)，具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。