图1 感应隔离脉冲发生器拓扑结构
Fig.1 Proposed topology of inductive isolated pulse generator
摘要 脉冲功率技术在诸多领域有着广泛的应用前景，对脉冲发生器的输出参数也提出了更高的要求，包括脉冲电压幅值、电流峰值、脉宽和重复频率等。该文针对脉冲电场的生物医学应用背景，提出一种基于感应隔离的可调极性脉冲发生器方案。在每级电路模块中包含了1个电容、2个开关和1个隔离变压器。通过控制开关的导通时序，可以实现正负极性的脉冲输出，隔离变压器在放电时可以隔离电位变化。理论分析及实验结果表明，该脉冲发生器的基本原理仍为“并联充电、串联放电”，可以输出双极性方波脉冲，且脉冲极性、宽度、幅值均可灵活调节。研制的感应隔离脉冲发生器可输出幅值为±6kV、脉宽为200～1 000ns、上升沿为10ns的极性可调脉冲。此外，模块化的设计可以通过增加模块数量等实现更高参数的脉冲输出。
关键词：脉冲功率技术 感应隔离 脉冲发生器 双极性脉冲 模块化
脉冲功率技术是将缓慢储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩，转换或者直接释放给负载的电物理技术。该技术发展起始主要的应用领域为粒子加速器、电磁脉冲武器、强激光发生器、新型武器研究等军工国防领域[1]，在这些领域，脉冲功率技术得以快速发展。近年来，随着脉冲功率技术的应用向医疗[2-3]、环境科学[4-5]、等离体子科学[6-7]、食品处理[8]、电磁兼容检测[9-10]和生物工程[11-12]等领域不断扩展，对脉冲功率技术的参数需求也在不断的改进，除了满足高电压、大电流等要求外，针对不同的应用背景，还对脉冲极性、重复频率等波形参数及其可调的灵活性提出了特定的需求。
脉冲的波形包括单极性或双极性的方波、三角波、梯形波、衰减波等多种形式，不同的波形可满足不同领域的应用需求。在脉冲电场不可逆电穿孔消融肿瘤领域，采用的波形包括指数衰减波[13]、单极性方波[14]、双极性方波[15-16]。指数衰减波实现简单，但是指数衰减波下降沿的能量利用率低[13]；单极性方波脉冲进行肿瘤治疗的消融区域大，但是其含有的直流分量会引发患者产生强烈的肌肉收缩，导致患者不适，甚至引起治疗电极针移位，影响治疗精度[15, 17]。近几年，有学者提出采用双极性方波脉冲消融肿瘤的新思路，双极性脉冲中不包含直流分量，从而降低了患者肌肉收缩强度，此外，生物组织具有容性效应，而双极性脉冲串中的高频分量使得组织中电场分布更加均匀，肿瘤消融更加彻 底[16]。因此，双极性脉冲源的研制将极大地促进脉冲电场消融肿瘤领域的研究。
随着电力电子开关技术在脉冲功率领域的应用，脉冲功率技术的波形参数、紧凑性和稳定性等得到全面的提升。通过将传统脉冲发生拓扑结构采用电力电子开关进行改进，并不断拓展形成新的拓扑结构，从而输出多种形式的脉冲，已经成为脉冲功率及电子电力领域的研究热点[7, 18-21]。如全固态Marx及直线变压器驱动源（Linear Transformer Driver, LTD）电路，可灵活地输出脉宽、频率可调的脉冲方波，但是极性均为单极性脉冲[22-23]；采用模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）方式的脉冲源可输出阶梯形的脉冲，进而使得脉冲上升沿和下降沿可调，也可以实现双极性脉冲输出，其输入电压与输出电压相等，没有电压叠加，不利于产生高电压等级的脉冲[24-25]；Marx与桥式电路的结合也可以输出双极性脉冲，但是开关数量较多，使得脉冲源成本提升[26]。此外，全固态脉冲源还有开关串联、脉冲变压器等多种类型的拓扑结构，在一些应用领域具有一定的优势，但也均存在一些缺点，如脉冲变压器容易受绕组杂散电感的影响导致波形振荡等。
综合上述脉冲功率技术的应用及脉冲源拓扑结构，本文提出一种感应隔离模块化脉冲发生器，采用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）进行控制，可以输出单极性及双极性脉冲，其频率、脉宽及正负极性脉冲延迟时间均灵活可调。该脉冲拓扑结构使用同向绕制的变压器进行隔离，电路结构简单。
本文提出的模块化感应隔离脉冲发生器拓扑结构如图1所示，主要包括直流充电电源、充电开关、n级模块化的子模块以及负载电阻，其中，每级子模块包括了1个电容、2个开关和1个同向绕制的隔离变压器。
图1 感应隔离脉冲发生器拓扑结构
Fig.1 Proposed topology of inductive isolated pulse generator
该电路可以视为一种改进型的Marx电路，其基本工作原理仍然是“并联充电、串联放电”。
为方便介绍，本文以一个四级的感应隔离脉冲发生器为例进行介绍，主开关选用MOSFET。该脉冲源典型的工作模式包括充电和放电，放电模式时，通过控制电路中MOSFET导通和关断，使电容不同极性端子相连接，可以在负载上输出正负双极性脉冲。开关状态和该脉冲源输出波形极性及幅值的关系见表1。典型的开关时序如图2所示。感应隔离脉冲源基本工作原理如图3所示。
1.2.1 充电模式
在（t0, t1）阶段，SC导通，其余开关均处于断开状态，脉冲源工作在充电模式，直流电源通过SC、S0_1的反向二极管和同向绕制的变压器向电容并联充电，其电路结构如图3a所示，电容并联充电电压均为V，不过由于变压器的引线端子与电容为交叉连接，电容充电的极性不同，VC1=VC3=VS，VC2=VC4= -VS。
表1 脉冲发生器开关状态和输出脉冲极性及幅值
Tab.1 Switching states and output pulse of the inductive isolated pulse generator
运行模式输出幅值开关状态 S0_1S0_2S1_1S1_2S2_1S2_2S3_1S3_2S4_1S4_2 充电00000000000 放电4VS1010101010 -4VS0101010101 01001100110
图2 基本开关时序
Fig.2 Basic sequence diagram of the switches
图3 感应隔离脉冲源基本工作原理
Fig.3 Basic operation principle of the inductive isolated pulse generator
1.2.2 4倍脉冲放电模式
在（t1, t2）阶段，S0_1、S1_1、S2_1、S3_1、S4_1导通，SC、S0_2、S1_2、S2_2、S3_2、S4_2断开，使得电容C1、C2、C3、C4的不同极性端连接，从而对负载电阻串联放电，其电路结构如图3b所示，脉冲发生器输出的脉冲极性为正极性。此时，电阻上脉冲电压VO为
（1） 此时，开关S0_2承受反向的电压为VS，开关S1_2、S2_2、S3_2、S4_2承受的反向电压为2VS，变压器绕组处于感应隔离状态。变压器感应隔离原理如图4所示，绕组的单个线圈两端承受的电压为VS，因此在T1_1两侧电压为VC2时，流过绕组T1_1的电流为i1，由于变压器磁感应，会在二次绕组T1_2上形成电流
，且i1=
。而T1_2在正极性放电时两端电压为VC1，流过T1_2的电流为i2，因此会在T1_1上感应出电流
且i2=
。由于变压器T1绕组绕制方向相同且匝数为1
1，且VC1=VC2，因此i1=i2，即i1=i2==。此时变压器绕组T1_1流过的电流即为i1_1=i1+=0，同样二次绕组T1_2流过的电流也为i1_2=i2+=0，因此流过变压器的电流均为0。
图4 变压器感应隔离原理
Fig.4 Schematic of transformer inductive isolation
同样地，在（t3, t4）阶段，S0_2、S1_2、S2_2、S3_2、S4_2导通，SC、S1_1、S2_1、S3_1、S4_1断开，其电路结构如图3c所示，电容C1、C2、C3、C4的不同极性端连接，脉冲发生器输出的脉冲极性为负极性。此时，电阻上脉冲电压VO为
（2）此时，开关S0_1承受反向的电压为VS，开关S1_1、S2_1、S3_1、S4_1承受的反向电压为2VS。变压器绕组同样处于感应隔离状态。
1.2.3 0电压输出模式
在（t5, t6）阶段，S0_1、S1_2、S2_1、S3_2、S4_1导通，SC、S0_2、S1_1、S2_2、S3_1、S4_2断开，负载回路中没有任何电容，其电路结构如图3d所示，因此负载上输出的电压是0。
感应隔离双极性脉冲源在输出双极性方波且幅值最大的时候，输出功率最大，其各个电容均处于正极性或负极性放电状态，因此，可以在此状态下对电路中各元件主要参数进行分析，从而实现对整个脉冲源设计的参数选择。
感应隔离双极性脉冲源在工作时，可以视为一个能量转换的过程，即将充电电源的能量进行压缩叠加，在短时间内输出至负载电阻，考虑能量转换过程中的损耗，充电电源为电容充电的功率应大于输出脉冲在电阻上消耗的平均功率，即
（3）式中，PS为充电电源功率；VO为负载电阻上电压，方波脉冲可忽略其电压降；RL为负载电阻；tp为单个脉冲宽度；f为输出双极性脉冲的频率。
根据前面所述的电路工作原理可知，负载电阻的最大脉冲电压VO为
（4）因此，充电电源的功率应为
（5）
电容器作为储能元件，其额定工作电压和容值的选取影响整个电路的工作性能，每级电容的最大充电电压为VS，因此该电容的额定工作电压需大于等于VS。在放电时，电容串联后将向负载放电，该放电过程中电容电压为
（6）
（7）
式中，Vt为t时刻电容上的电压；VC为n个电容串联后总初始电压，有
（8）Ce为n个电容串联放电时的等效电容，电路中所有的电容均取相同容值C，有
（9）
则有
（10）为保证脉冲发生器所输出的脉冲近似为方波，电容容值应尽量大，若取方波脉冲的顶降小于5%，即在t=tp时，脉冲电压幅值大于等于初始值电压值的0.95，即
（11）
储能电容的最小容值需满足
（12）此外，在工作过程中，多数半导体开关最大的反向耐受电压为2VS，因此在选择MOSFET时，其最大漏源极电压VDSmax应大于2VS。
为了验证该脉冲源电路的基本原理，本实验研发了由FPGA控制的10级模块化感应隔离双极性脉冲发生器，并搭建测试平台，如图5所示。每一级模块均包括储能电容、两个MOSFET开关、隔离电源模块及相应的隔离驱动电路。控制信号采用光纤进行隔离传输，增加系统抗干扰能力。各级模块之间用铜柱固定并导电，使得模块的增减十分灵活。
研制的脉冲发生器最大输出电压为±6 000V，最大输出方波脉冲宽度为1 000ns，负载电阻为50W 的无感电阻，每级模块的电容容值由式（12）计算，得出应大于1.9mF，因此电容选用2mF。感应隔离双极性脉冲发生器中各主要规格参数见表2。
图5 感应隔离脉冲源测试平台
Fig.5 Testing platform with the inductive isolated pulse generator
表2 实验参数
Tab.2 Experimental parameters
参 数数 值 充电电源电压VS/V0～600 模块级数n10 输出脉冲电压VO/V0～±6 000 最大脉冲宽度Tp/ns1 000 负载电阻RL/W50 单位电容电压放电后保持值α0.9 每级模块储能电容C/mF2
高压直流电源选用天津东文电源公司定制的电源，其输出电压600V，最大输出功率150W。MOSFET选用CREE公司生产的C2M0080120D，其漏源极击穿电压为1 200V，直流通流90A，脉冲电流可达250A。电容选用日本muRata公司的GRM55DR73A104K贴片电容，其单个电容容值0.1mF，采取20个并联使用，总容值为2mF。控制模块为FPGA，其型号为Cyclone IV系列芯片EP4CE6F17C8。隔离变压器采用的磁心为上平祥电子公司生产的纳米晶磁心PN5017，一次与二次绕组匝数为40。
实验中采用美国力科公司的示波器HDO6034及电压探头PPE6KV进行负载电压测量，采用美国Pearson公司的6600型电流传感器测量负载端电流。
该脉冲发生器输出的典型方波脉冲如图6所示，因为电源充电电压为600V，经过10级脉冲模块叠加输出后的脉冲幅值为±6 000V，脉宽为1 000ns，正脉冲和负脉冲的上升沿均在10ns左右，如图7所示。
通过调节FPGA的控制信号，可以输出不同脉冲宽度的方波脉冲，如图8所示，脉冲宽度分别为200ns、400ns、600ns、800ns、1 000ns。由图中看出，脉冲发生器在不同脉宽下，上升沿与下降沿均无明显差别，可以实现脉冲宽度的灵活调节。
该脉冲源的研制很好地验证了感应隔离双极性脉冲源的理论分析与仿真结果，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。此外，脉冲源采用模块化设计，可以通过增加级数实现更高电压的脉冲输出。
图6 脉冲发生器输出的典型方波脉冲
Fig.6 Typical rectangle waveform of the pulse generator
图7 脉冲上升沿局部放大图
Fig.7 Partially enlarged waveforms of pulse rising edge
（a）不同宽度的正极性脉冲
（b）不同宽度的负极性脉冲
图8 不同脉冲宽度的方波脉冲
Fig.8 Voltage waveforms with variable widths
本文提出了一种磁感应隔离双极性脉冲源，该脉冲源采用“并联充电，串联放电”的工作模式，采用11的变压器对主电路中的电容充电，并在放电时刻对瞬间变化的电压进行隔离，每级模块包括两个开关，通过控制开关的导通与关断，实现电容不同端子可相互连接，在负载上输出正负双极性的脉冲。通过理论分析、仿真和实物研制测试，验证了该脉冲源电路形式的可行性，可实现脉冲波形的灵活调节。通过FPGA系统的控制，该脉冲源可以输出正极性、负极性及双极性的方波脉冲或阶梯波脉冲，此外脉冲宽度、频率、幅值灵活可调。此外，可通过改变电源充电功率、开关电容等器件型号、模块数量，实现更高电压、更大脉宽的脉冲输出。因此，本文提出的脉冲源拓扑在理论与实验上得到验证，可输出多电平脉冲，波形灵活可调，在生物医疗、等离子体产生、电磁兼容检测、环境应用等需要灵活可调波形的领域有着良好的应用前景。
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A Bipolar Pulse Generator Based on Inductive Isolation
Abstract Pulsed power technology has wide application in many fields, and higher requirements are put forward for the output parameters of pulse generator, including pulse voltage, pulse current, pulse width, repetition frequency and so on. In this paper, a novel scheme of adjustable polarity pulse generator topology based on induction isolation is proposed for the application of biomedical effect induced by pulsed electric field. Each module consists of a capacitor, two switches and an isolation transformer. The generator can output bipolar pulses by controlling the operating sequence of the switches, and the isolated transformer can isolate the potential changes at the same time. The results show that the basic principle of the pulse generator is still “parallel charging, serial discharge”. The generator can output bipolar rectangular pulse, and the pulse polarity, width and amplitude can be adjusted flexibly. The developed inductive isolation pulse generator can output a polarity adjustable pulse with an amplitude of ±6kV, a pulse width of 200～1 000ns and a rising edge of 10ns. In addition, the modular design can achieve higher parameter pulse by increasing the number of modules.
keywords：Pulsed power technology, inductive isolation, pulse generator, bipolar pulse, modular
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191292
中图分类号：TN78; TM832
董守龙 男，1989年生，博士，讲师，研究方向为脉冲功率技术及其应用、电气设备在线监测与故障诊断技术、生物医学中的电工新技术及高电压新技术等。E-mail: dsl@cqu.edu.cn（通信作者）
王艺麟 男，1994年生，硕士研究生，研究方向为脉冲功率技术及其应用。E-mail: wangyilin@cqu.edu.cn
收稿日期2019-10-03
改稿日期 2020-06-28
（编辑 崔文静）