Marx電路在生物電磁領(lǐng)域的應用綜述

摘 要：文章為整理Marx電路在生物電磁領(lǐng)域的應用，作如下綜述：首先介紹幾種半導體功率開關(guān)，例如金屬半導體場效應管、絕緣柵雙極晶體管等開關(guān)。然后簡單介紹由功率開關(guān)和電路拓撲組成的脈沖電源，即Marx電路的工作原理。最后根據(jù)目前生物電磁領(lǐng)域內(nèi)對激勵源的需求，介紹幾種性能較為優(yōu)秀的脈沖功率電路。以期為相關(guān)研究探究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：脈沖功率技術(shù) 生物電磁技術(shù) 功率半導體開關(guān) Marx電路 脈沖形成

1 半導體功率開關(guān)

脈沖功率技術(shù)在民用方面主要應用于腫瘤的非熱消融、加速器和材料改性[1]等領(lǐng)域，其中有報道稱納秒脈沖電場可以誘使癌細胞凋亡，調(diào)整脈沖參數(shù)后幾乎殺死所有癌細胞。脈沖功率技術(shù)主要是將電磁能量在時間和空間上壓縮，并于極短的時間內(nèi)在負載上釋放從而得到瞬時極端電磁環(huán)境的技術(shù)[2]。應用中一般通過初級能源供電，儲能系統(tǒng)、脈沖形成和開關(guān)的模塊一體化以達到脈沖疊加的目的，而脈沖電路系統(tǒng)輸出的脈沖幅值、重復頻率和上升沿時間很大程度上取決于脈沖功率開關(guān)的性能，接下來介紹兩種主要的半導體功率開關(guān)。

1.1 金屬半導體場效應管MOSFET

MOSFET有兩種結(jié)構(gòu)，即所謂的增強型和耗盡型。如圖1所示，N溝道增強型MOSFET通過在柵極（Gate）外加電壓使得P型半導體中的多子靠近N型半導體，進而在MOSFET靠近柵極的位置形成電流通路。在N型半導體的四周，電子和空穴結(jié)合生成PN結(jié)，該PN結(jié)會影響形成的電流通路，因此柵極外接的電場強度會影響形成的電流通路（電導率），即MOSFET是壓控器件[3]。P溝道增強型MOSFET與N溝道增強型類似，只是電壓的方向改變。N溝道耗盡型MOSFET是在柵極的絕緣層中添加正離子，在不添加外電壓的情況下N溝道耗盡型MOSFET已經(jīng)形成電流通路，此時添加外電壓的方向改變，即外加電源的極性變化可以調(diào)控電流大小，施加外加正向電壓時電壓越大電流通路越大，反之電流通路越小。

1.2 絕緣柵雙極晶體管IGBT

絕緣柵雙極晶體管IGBT結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點，使得它具有BJT的輸出特性和MOSFET壓控的特點。IGBT的結(jié)構(gòu)和電路符號如圖2所示，它有三個端子，柵極連接MOSFET，發(fā)射極和集電極連接BJT。絕緣柵沒有輸入電流，因此看作具有更快開關(guān)特性的壓控BJT。由于在IGBT的內(nèi)部電路，電流只能朝一個方向流動，因此常常為IGBT反接一個續(xù)流二極管。

IGBT的加工工藝主要有表面柵型、垂直柵型和芯片的加工工藝3個方向發(fā)展，針對商業(yè)化高壓IGBT芯片，較新的進展是將場截止（FS）和溝槽柵型（Trench）相互融合的Trench+FS技術(shù)。同樣地，近30年來對于SiC IGBT的研究愈來愈多，SiC IGBT出色的靜態(tài)和動態(tài)特性一定程度上彌補了SiC MOSFET和SiC GTO的缺點，但是SiC IGBT在接口特性、電磁干擾和短路承受能力等方面的不足之處仍需注意[4]。

2 脈沖功率電源Marx電路

德國的歐文·馬克思教授最早提出Marx電路[5]，基于“并聯(lián)充電、串聯(lián)放電”的工作原理，通過脈沖高壓疊加獲得脈沖電壓的輸出倍增。傳統(tǒng)的基于氣體開關(guān)的Marx發(fā)生器使用電阻限制電流，以便電容器件更多的在電阻上釋放能量，存在充電時間長和效率較低的不足。目前的固態(tài)Marx發(fā)生器較多的采用功率半導體和電感取代電阻的充電方式，限制了充放電電流，并且隔離了充電電源和輸出高脈沖。下面主要圍繞隔離方式、波形形成的順序簡要介紹一下基于固態(tài)Marx電路的脈沖電源，最后介紹一些解決了窄脈沖和不平衡電流等問題的脈沖功率電路。

2.1 隔離方式

目前現(xiàn)有脈沖發(fā)生器的隔離模塊大多是居于固體電介質(zhì)磁耦合的，分別是商用隔離電源模塊（Commercial Isolated Switching Power Module，CISPM）、變壓器耦合DC-DC轉(zhuǎn)換器（Transformer-Coupled DC-DC Converter）和變壓器耦合柵極驅(qū)動器（Transformer-Coupled Gate Driver）。它們?nèi)齻€各有各的優(yōu)點，CISPM由于使用光纖傳輸電-光-電信號和FPGA獨立控制每個開關(guān)，其可以形成如斜坡、指數(shù)和方波等波形，但是CISPM的成本較高且需要根據(jù)需求定制；變壓器耦合DC-DC轉(zhuǎn)換器通過改變一級側(cè)電纜的絕緣來小范圍控制隔離度，隔離度的范圍變化雖有限但是降低了CISPM的高成本；變壓器耦合柵極驅(qū)動器將能量與觸發(fā)信號混合傳輸，通過磁芯傳遞到柵極，無需光纖和驅(qū)動芯片即可實現(xiàn)隔離，此類方法也是性價比最高的隔離方案。實驗室提出了一種基于磁耦合諧振的空氣隔離模塊[6]，利用空氣的電介質(zhì)特性降低模塊老化和電擊穿的風險，通過調(diào)整空氣間隙達到改變絕緣水平的目的。

2.2 波形形成

文獻[7]提出了一種基于Marx的模塊化節(jié)能脈沖發(fā)生器（The Marx-based Modular Energy-saving Pulse Generator， MEPG），通過改變開關(guān)導通截止時間和開關(guān)順序調(diào)整輸出的脈沖電流，實現(xiàn)了兩種輸出模式：指數(shù)波、三角波和階躍脈沖電流，且輸出電流的幅度可以通過調(diào)節(jié)不同電平開關(guān)的導通時間或電容電壓調(diào)整。MEPG還可以通過電容回收電感放電后的能量，經(jīng)過實驗驗證，最大能量回收率可以達到。

文獻[8]提出了一種基于全固態(tài)協(xié)同雙極脈沖發(fā)生器（All-solid-state Synergistic Bipolar Pulse Generator， SBPG），通過使用兩組不同的電容、電源和功率半導體開關(guān)，分別對高壓短脈沖和低壓長脈沖進行充放電，兩個模塊獨立工作形成了微納秒脈沖。實驗結(jié)果表明，SBPG可以產(chǎn)生電壓幅值、脈寬、極性可調(diào)的高壓短脈沖，以及電壓幅值、脈寬、極性可調(diào)的低壓長脈沖，脈沖間隔和組合形式可調(diào)。

2.3 一些其他問題

文獻[9]提出一種基于電容斬波電路（Capacitive Chopping Circuit， CCC）的全固態(tài)脈沖發(fā)生器，其單級模塊主要由極性相反的雙電容與負載串聯(lián)構(gòu)成。CCC通過切斷單個電容的放電回路，利用兩個長脈沖的相減實現(xiàn)差分斬波，進而得到寬度可調(diào)的窄脈沖，原理如圖5。實驗結(jié)果表明，CCC脈寬比切尾電路的脈寬更窄，且避免了低功率效率。最后搭建的八級脈沖發(fā)生器表明，最小脈寬可壓縮至以下。

為了消除瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的不平衡電流，一種基于并聯(lián)的電路拓撲被提出[9]。如圖6，其主要使用了耦合線圈，利用磁通量送位移電流到另一個分支消除不平衡電流，通過仿真和實驗分析，驗證了理論的正確性，并能夠產(chǎn)生最大輸出電壓、輸出電流、最大重頻、脈寬的脈沖電壓。

3 結(jié)語

文章首先介紹了金屬半導體場效應管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT兩種半導體開關(guān)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。然后介紹了基于這兩種開關(guān)的脈沖功率電源Marx電路的電路拓撲和工作原理。最后根據(jù)Marx電路的工作特性，分別介紹了幾種專門設計的Marx電路，相應地解決了一些在應用于生物電磁領(lǐng)域時脈沖電源所遇到的問題。由文獻調(diào)研得出，對應于脈沖功率電路應用于生物電磁所需要的快脈沖、寬脈寬和高可重復頻率的特點，可以將整橋結(jié)構(gòu)添加到脈沖功率電路中，以滿足其快脈沖、高重頻的需求，同時還可以將輸出負載釋放后剩余的能量通過感性負載回收利用，進而可以降低脈沖功率電路對直流充電電源的要求。

參考文獻：

[1]Liu H ， Yao C ， Zhao Y ，et al.In Vitro Experimental and Numerical Studies on the Preferential Ablation of Chemo-Resistant Tumor Cells Induced by High-Voltage Nanosecond Pulsed Electric Fields[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2020，PP（99）：1-1.

[2]曾正中．實用脈沖功率技術(shù)引論[M]．西安：陜西科學技術(shù)出版社，2003．

[3]Kassakian， J.G. Schlecht， M.F. Verghese， G.C. Principles of Power Electronics[M].1991.

[4]Zhang X ， Li H ， Brothers J A ，et al.A Gate Drive With Power Over Fiber-Based Isolated Power Supply and Comprehensive Protection Functions for 15-kV SiC MOSFET[J].IEEE Journal of Emerging amp; Selected Topics in Power Electronics，2016，4（3）：946-955.

[5]SHARABANI Y ，ROSENWAKS Y ， EGER D . Mechanism of fast current interruption in p-π-n diodes for nanosecond opening switches in high-voltage-pulse applications[J].Physical Review Applied，2015，4（1）：014-015．

[6]F. Wu ， et al.Magnetic Coupling Resonant-Based Air-Isolated Module for High Voltage Pulse Generators[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2023，70（3）：2431-2439.

[7]Lei Y ， Dong S ， Liang R ，et al.An Energy-Saving Pulsed Magnetic Field Generator Based on Modular Marx Circuit[J].Plasma Science，IEEE Transactions on，2024，52（3）：10.

[8]Dong S ， Zhu L ， Xiang S ，et al.All-Solid-State Synergistic Bipolar Pulse Generator for Gene Electrotransfer[J].Plasma Science，IEEE Transactions on，2024，52（4-Part1）：8.

[9]F. Wu， C. Yao， Y. Chen， L. Yu， S. Dong and H. Wang.All-Solid-State Ultrashort Pulse Generator by Capacitive Chopping Circuit[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2023，38（8）：9897-9906.