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：團隊依托于重慶大學輸配電裝備與系統(tǒng)安全及新技術國家重點實驗室，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，并生產出成熟的設備，旨在解決交叉學科背景下應用者因脈沖功率學科技術門檻而難以自主研發(fā)、熟練應用脈沖發(fā)生器的問題，填補了市場空白，為使用者提供了一個性能優(yōu)良、高效、使用簡單、可靠性高、價格低廉的脈沖發(fā)生器。

關鍵詞：Marx;脈沖變壓器;脈沖發(fā)生器

1 作品簡介

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94.6%。

（2）速度快，能夠實現(xiàn)多種應用。脈沖上升前沿僅160 ns，無過沖現(xiàn)象，可用于治療腫瘤、提高細胞融合率、國防軍工等。

（3）自動化程度高，降低人力成本。由液晶顯示屏輸入參數(shù)，通過控制FPGA實現(xiàn)對固態(tài)開關的控制，通過調節(jié)輸入電壓精確調節(jié)放電能量，簡單方便。

（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，輸出脈寬200 ns～10 μs可調，適用于多種應用場景，同時系統(tǒng)使用節(jié)能手段，大大減少了對環(huán)境的污染。

2 工作原理

電路原理圖如圖1所示。

接通設備電源后，外接電源對充電電源充電，充電電源經由充電電阻、單向二極管對兩級Marx電路充電，然后由FPGA邏輯編程控制器對IGBT固態(tài)開關發(fā)送控制信號，控制其導通，之后電容對脈沖變壓器初級繞組放電，形成脈沖信號，再通過脈沖變壓器升壓，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)開關開通關斷時間決定，脈沖前沿由固態(tài)開關導通時間決定，脈沖頻率由固態(tài)開關工作頻率決定。

3 創(chuàng)新點

（1）新型納米晶脈沖變壓器磁芯結構。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，平均磁導率?為

30 000，剩余磁感應強度Br低于0.15 T，飽和磁感應強度Bs為1.25 T，能夠實現(xiàn)高幅值、大脈寬脈沖電壓的輸出。

（2）FPGA自動化控制以及參數(shù)調節(jié)。基于FPGA研制的控制系統(tǒng)，能夠對脈沖寬度、脈沖周期、脈沖個數(shù)進行參數(shù)化控制，具有多通道輸出，可同時控制多個脈沖源。USB外接電源，方便快捷。光纖傳輸，抗干擾能力強。

4 市場前景

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、國防軍工、材料制造等行業(yè)具有廣闊的應用前景。在化工方面，具體應用于工業(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)測算，2020年我國工業(yè)廢水處理行業(yè)對高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器的潛在市場需求約為1 000億元;在生物醫(yī)藥產業(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，提高細胞融合率。根據(jù)測算，生物醫(yī)藥產業(yè)在2022年對高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器的需求為1 200億。當下進口設備單價是國內平均價格的3～5倍，而國內廠家（合資）缺少自己的核心技術和研發(fā)團隊，產品種類少而單一。對比之下，本項目研發(fā)的高頻高壓微納秒脈沖發(fā)生器價格低廉，適用范圍廣，適用性強，具有很大的市場競爭優(yōu)勢。