图1 传统LTD和多匝LTD等效电路
Fig.1 Basic structure of traditional LTD amd multi-turn LTD
摘要 针对脉冲电磁场生物医学应用中高电压大电流宽范围脉冲的应用需求，设计了一种多匝直线型变压器驱动源（LTD）。该LTD脉冲发生器的磁心采用多匝绕制的方式，可输出宽脉宽的脉冲。设计了各级LTD模块同向绕制的驱动供电及储能充电隔离方式，各级磁心隔离电压为LTD模块的工作电压。多匝LTD脉冲发生器共由10级LTD模块组成，各级LTD模块由18个储能电容及MOSFET放电开关并联，并设计了其同步驱动电路。通过对各主要器件的型号进行分析筛选，研制了模块化紧凑型多匝LTD全固态脉冲源样机，可输出脉冲参数为：电压幅值0~5kV，输出脉冲电流高达500A，脉冲宽度200ns~5μs，上升沿30ns，下降沿16ns，其脉冲宽度、幅值等参数均灵活可调，并且可通过增加LTD模块的数量，实现更高电压的脉冲输出。
关键词：脉冲源 直线型变压器驱动源 纳米晶磁心 固态开关 宽脉冲
脉冲功率技术在众多领域有着广泛的应用，如肿瘤治疗[1-3]、食品处理[4]、水处理[5]、等离子体发生[6]、国防军工[7]等等。大部分应用都需要快的上升沿、窄脉宽、高功率、高重频且参数灵活可调的要求[8]。为了满足这些需求，脉冲功率产生时，开关要求能够稳定并可重复地工作在较高的频率下，且开关可被信号控制。在脉冲生物医学领域中，高压脉冲电场诱导细胞发生不可逆电穿孔从而治疗肿瘤的方式得到了国内外学者的广泛关注，在临床应用中展示出了良好的治疗前景[2]。与脉冲电场不同，脉冲磁场在肿瘤治疗领域的研究仍处于科学研究阶段，脉冲磁场的产生需要较大的脉冲电流，一般为数百安培，因此在脉冲磁场生物电效应的研究中，需要可输出数百安培脉冲电流的脉冲发生器。
传统的脉冲功率发生技术主要有磁开关[9-10]、空气开关[11]等作为放电开关，电路拓扑结构包括了单电容放电、Marx电路[12-13]、直线型变压器驱动源（Linear Transformer Driver, LTD）[14-15]或传输线[16-17]等，但是由于磁开关和空气开关存在导通关断时间不能灵活可控、重复性差等缺点，很难满足高重频脉冲功率技术的应用需求，且随着脉冲功率输出参数范围的不断扩大，脉冲功率技术的电路方法和器件选择也趋于多样性和全控性。
采用半导体开关的全固态脉冲发生器被越来越多的人研究，并极大地扩展了脉冲功率技术的电路结构，使得脉冲发生器可以更加紧凑、模块化且可重复、寿命长，也使得多样化的电路拓扑结构被提出，其中最典型的脉冲形成电路如全固态模块化的Marx[13, 18]和LTD[14]，其各个模块可叠加，大大提高了脉冲发生器的可靠性和灵活性。
Marx电路和LTD电路各有其特长和缺陷[19-20]：Marx电路产生的脉冲宽度并不受电路结构限制，但是其工作状态下，各个开关分别工作在不同的电位，需要对开关的控制信号进行隔离，因此开关的驱动电路需要高耐压并隔离供电；LTD模块基本结构是一次侧和二次侧均为1匝的变压器，其控制电路均处于地电位，但是由于磁心饱和效应的存在，限制了脉冲的宽度，目前全固态的LTD模块的脉冲宽度小于200ns[14]，若产生更大脉宽的脉冲，则需要增加磁心尺寸，导致脉冲源笨重。因此Marx适合长脉冲高阻抗负载，而LTD适合短脉冲和大电流输出。
针对脉冲电磁场生物医学应用的需求，并结合Marx和LTD电路的优势，得到脉冲宽度可调范围大、输出电流数百安的高重频高压脉冲，本文设计了一种模块化多匝LTD脉冲发生器，使其可输出宽脉宽、大电流的脉冲，且各级半导体开关的驱动供电采用了磁心共模绕法，从而各级电容和开关不需要隔离二极管或隔离电源模块。
传统的LTD可等效为1:1的脉冲变压器，且一次和二次绕组匝数均为1匝，如图1a所示，但是由于磁心饱和效应的存在，导致其可输出的脉冲宽度较窄。为了突破LTD磁饱和现象导致的脉冲宽度限制，本文提出了一个N(N＞1)匝的LTD，其基本原理可以被认为是一个N∶N的变压器，如图1b所示。多匝LTD的基本原理仍为磁感应叠加，其包括多级LTD模块，每个模块包括多个电容及开关放电电路，从而产生大电流的低电压脉冲输出。多级LTD模块作为一次侧，而LTD的二次侧采用串联的方式，从而可以使电压在二次侧实现叠加，最终输出高电压大电流的脉冲。
图1 传统LTD和多匝LTD等效电路
Fig.1 Basic structure of traditional LTD amd multi-turn LTD
LTD的匝数增多，则在相同脉冲工作电压和饱和磁心饱和磁感应强度（饱和磁通密度）下，其脉冲宽度可成比例增加，从而可以输出宽脉宽的高压脉冲。
本文采用半导体器件设计了多匝LTD电路拓扑如图2所示，图中LTD共有三级，每级分别包括多个储能电容和半导体开关MOSFET组成的放电回路，二极管为放电时的续流器件。
图2 全固态多匝LTD电路原理
Fig.2 The circuit of solid-state multi-turn LTD pulse generator
在放电时，单级LTD放电的简化电路如图3所示，由于LTD可以视为一个脉冲变压器，因此LTD电路的工作过程可以用变压器的工作原理进行解释。当MOSFET导通时，电容放电，图3中回路1视为变压器的一次回路，回路2视为变压器的二次回路，可以看出LTD放电的一次回路完全包含于二次回路中，因此一次回路产生的磁通也完全通过二次回路。
图3 单级LTD模块电路
Fig.3 The circuit of the single stage LTD module
在一次回路中，磁心的励磁电流I1与磁场强度满足安培环路定律，即
（1）磁心内磁感应强度B在变化，在一次回路中产生感应电场E，该过程满足法拉第电磁感应定路，即
（2）
一次回路内有
（3）因此说明一次回路中感应电压和电容电压相互抵消，即感应隔离。
二次回路内有
（4）因此
（5）
此外，一次回路的电流为I1，经过磁心后会在二次回路感应出相反的电流I2，且由于变压器匝数相同，I1=-I2，方向相反，因此在LTD绕组中的电流为0。
当脉冲源串联叠加时，如图2所示，有
（6）因此可将一次电压进行感应叠加，输出高压脉冲。
若LTD由m级LTD模块串联，且每级LTD模块中包括n个电容和开关并联的放电电路，则整个LTD输出电压为
，最大可以输出的电流为
，实现电压和电流的叠加，从而输出高压大电流的脉冲。
LTD为N∶N的脉冲变压器，因此其磁心和脉冲电压、脉宽之间应满足[21]
（7）
（8）
式中，N(ΔB)为磁心绕组匝数；S为所需磁心的截面积；α为磁心填充系数；U(t)为每级LTD电路输出的最大脉冲电压幅值，同样也是储能电容的电压值；
为饱和磁感应强度；
为剩余磁感应强度。
对于方波脉冲而言，
，因此可输出的最大脉冲宽度
（9）由于传统LTD匝数N=1，因此当磁心特性确定后，需要较大的磁心横截面积S，才可以产生大的脉宽的脉冲。这样会增大磁心尺寸，使得LTD质量增加，紧凑度降低。
采用多匝的LTD，其N＞1，在相同磁心型号和尺寸的情况下，其脉冲宽度与匝数成正比，因此可通过增加匝数，使脉冲宽度增加，且由于LTD绕组中流通的电流几乎为0，因此绕组的导线可以较细，不需要考虑较大的通流能力。
当多匝LTD在放电模式时，各级LTD模块的相对地电位将不一样，如图2所示，第一级中电路的参考电位仍为GND，而第二级及其MOSFET2和C2在放电模式时的参考电位为-U，因此控制MOSFET2所需的电源和C2的充电电源的参考电位也为-U。同样第三级及其MOSFET3和C3在放电模式时的参考电位为-2U。
为了隔离放电模式时各级MOSFET和电容的充电电源电位变化，本文借助多匝LTD的N∶N变压器，设计了供电及充电隔离方法，如图4所示。
图4 供电及充电同向绕制隔离方案
Fig.4 The isolation of drive power supply and energy charging with co-direction winding of LTD modules
将为储能电容充电的HV导线和为MOSFET驱动供电的15V供电导线与多匝LTD的绕组同向绕制在磁心上，成为一个N∶N∶N的变压器，如图4所示，这样当LTD工作时，由于方向相同且匝数一样，相应导线上端电位也会变为-U、-U+HV和-U+15V，而三根导线之间的电位差不变。因此在第二级LTD中，各导线电位差仍保持原有的值。
由此LTD级数可以继续叠加，从而产生更高等级的脉冲幅值，且各级绕组承受的电压仅为U，与级数无关。
为了验证上述多匝LTD脉冲发生器原理，本文设计了一个输出电压为5kV、脉宽为200ns~5μs、输出电流可达500A、重复频率为10Hz的多匝LTD脉冲发生器。
该脉冲发生器采用模块化设计，使其结构更加紧凑，且为了满足高电压大电流宽脉冲的输出要求，各个模块采用多个半导体开关及储能电容并联。一共包括10级LTD模块，其中每级设计工作电压500V。
其主要器件参数选型如下文所示。
储能电容作为LTD中脉冲能量来源的主要器件，对其的选取主要考虑其耐压值和电容量两方面因素。储能电容的耐压值应该大于每一级LTD模块的工作电压，因此储能电容的额定工作电压值应该选择500V以上。此外，为了保证输出脉冲为方波脉冲，在最大脉冲宽度和频率下允许输出方波脉冲有5%的电压降落，因此，每级电容的容值需具有较大的放电时间常数，储能电容器的最小电容量计算式[22]为
（10）式中，C为每级电容的总容值；N为LTD级数（10级）；τ为该脉冲源最大输出的脉冲宽度；Uo为输出脉冲的最大幅值，DUd为输出脉冲的允许降落幅值（5%Uo）；Rload为负载电阻值，
=10Ω。由此可以计算得到每级LTD模块的储能电容值应该大于等于97.5μF。
因此综合考虑每级LTD模块工作电压和电容容值，在保留一定裕度的情况下，本文选取CBB薄膜电容作为储能电容，单个电容容值5.6μF，额定工作电压630V，每级共使用18个电容，使其总容值为100.8μF，且多个电容并联后可有效降低其等效串联电阻和等效串联电感对脉冲的影响。
根据整个LTD的输出电压和最大输出电流，对MOSFET的型号和数量进行选取。通过对目前商用紧凑型封装MOSFET的型号筛选，考虑工作电压、导通时间、通流能量、封装等参数，本文选用了STB20N90K5型号的MOSFET作为放电主开关，其直流通流能力20A，最大脉冲电流高达80A，漏源击穿电压900V，标称导通时间13.5ns。为满足本脉冲发生器的需求，并保证单个模块最大输出电流500A，每级LTD模块选用18个MOSFET分别作为18个储能电容的放电开关。
为储能电容充电使用的直流电源的充电功率包括脉冲源输出的平均功率、开关、二极管和充电电阻等消耗的功率。设备最大功率输出为
考虑设备的最大功率输出和各个器件消耗的功率，本文选用的高压直流电源为东文高压电源股份有限公司生产的DW-P52-400F，其最大输出功率为200W，输出电压0~500V。
多匝LTD输出宽脉冲的关键就是磁心及匝数的参数设计，并且会影响到输出脉冲的上升时间以及该脉冲源的效率。纳米晶磁心具有低剩磁、低损耗、较高的脉冲磁导率、优良的频率特性和温度稳定性等优点，因此本文选择纳米晶磁心作为LTD的磁心。
根据式（9）可以看出，输出脉冲宽度与匝数、磁通和磁心横截面积成正比，与工作电压成反比。纳米晶磁心材料确定后，磁通就已经确定，且不可任意增加。磁心横截面积越大，则体积和质量也会增加，不利于脉冲源的紧凑。因此多匝LTD主要通过增加绕组匝数，实现较大脉冲宽度的脉冲输出。
磁心材料选择上海平祥电子有限公司生产的纳米晶磁心PN-5015，其是由厚度为20~22μm带材绕制而成，磁心内径32mm，外径50mm，高度15mm，通过其参数手册查得饱和磁感应强度Bs大约是1.2T，而剩余磁感应强度Br大约是0.1T，磁心的填充系数约为0.75。
在本文的设计中，脉冲源的最大输出脉宽为5μs，每级LTD模块设计最大工作电压为500V。因此计算得到磁心绕组的匝数N为22.4匝，为保证各模块的正常运行，最终取磁心绕组匝数25匝。
从多匝LTD拓扑结构可以看出，隔离二极管在放电模式下承受反向电压，因此二极管的最大反向击穿电压应大于该脉冲源各级LTD的输出电压500V。所以本文选择IXYS公司生产的DSEI60-12A型二极管作为隔离元件。该二极管可以达到52A的正向平均电流，反向恢复时间仅为40ns，有利于产生较快的上升沿。此外，二极管的非重复峰值电流可以达到800A，这有利于在Marx电路的某一级电路没有正常导通时保护电路。
LTD模块中，18个MOSFET需要同步驱动，从而保证输出脉冲参数的一致性，且驱动电路具有较大的驱动电流及快速的驱动信号上升沿。因此，本文中的所有MOSFET均采用同一个信号进行控制。首先，由控制系统将控制信号转换为光信号，再由同等长度的光纤传输至各个LTD模块上，每个LTD模块均采用一根光纤进行控制；然后，在LTD模块电路板上经过光电转换器转换为电信号，将信号传输至1个驱动芯片上，通过此驱动芯片后将控制信号的功率放大，继而再驱动后续多个驱动芯片，且每个驱动芯片单独驱动一个MOSFET。每级多匝LTD驱动电路原理如图5所示，即1个驱动芯片驱动18个驱动芯片，继而再同时驱动18个MOSFET。驱动芯片采用意法半导体公司生产的MCP1407驱动芯片，其输出峰值电流可以达到6A，供电电压可在4.5~18V范围内变化。
图5 每级多匝LTD驱动电路原理图
Fig.5 Each stage’s driver circuit of multi-turn LTD
根据上述多匝LTD脉冲源的设计及研制，复合模式脉冲源拥有广泛的用途，所以本文开展了实验对该脉冲源的性能进行测试，10级的多匝LTD全固态脉冲发生器的实物照片如图6所示。
图6 多匝LTD脉冲源实物图
Fig.6 The total view of the multi-turn LTD
各级LTD模块与控制系统之间采用光纤传输信号，并对控制系统进行金属盒屏蔽封装，从而保证有效的电磁隔离。此外，脉冲发生器主放电回路采用同轴型放电回路设计，电路板中间为高压输出，四周均为相对地电位，降低电磁干扰的辐射。各级之间采用6个铜柱相连，可起到支撑电路板的作用，负载电阻采用铜箔连接固定，使得整个放电回路可流通大电流，减少脉冲趋肤效应的影响，从而减小放电回路的杂散电感和降低损耗，提高能源的利用效率，降低波形振荡，优化脉冲波形。
在脉冲源性能测试中，采用具有500MHz带宽及10GS/s采样率的力科示波器HDO6054、力科高压探头PPE6KV和皮尔森电流传感器6600进行测量。负载电阻10Ω，由5个50Ω的无感电阻并联组成，脉冲输出频率为10Hz。
多匝LTD脉冲源典型的输出电压和电流波形如图7所示，最大输出电压5 000V，脉冲电流幅值约500A。此外对不同的输出脉冲幅值进行测试，多匝LTD脉冲源输出不同幅值的电压波形如图8所示，当LTD中各级储能电容的充电电压分别为200V、300V、400V、500V时，多匝LTD脉冲源可分别输出2 000V、3 000V、4 000V和5 000V的方波脉冲，其输出电压和电流波形无明显振荡，充分验证了该脉冲源输出波形的稳定性。
图7 多匝LTD脉冲源典型的输出电压和电流波形
Fig.7 Typical voltage waveform and current waveform
图8 多匝LTD脉冲源输出不同幅值的电压波形
Fig.8 The different output voltage waveforms with charging voltage variable
通过控制脉冲源中MOSFET的导通与关断时间，可以输出不同脉宽的脉冲，脉冲宽度范围最高可达5μs，不同脉宽的输出电压如图9所示，脉冲宽度范围从200ns~5μs的波形，在脉冲参数下，波形均为很好的方波脉冲。
图9 不同脉宽的输出电压波形
Fig.9 The output voltage of the pulse generator with width variable
此外，多匝LTD脉冲源输出脉冲具有很快上升沿和下降沿，如图10所示，图10a为输出负极性脉冲的上升沿，其上升时间（10%~90%）约为30ns，图10b为输出负极性脉冲的下降时间，其下降时间（10%~90%）仅为16ns。
图10 脉冲上升沿和下降沿局部放大图
Fig.10 Partially enlarged waveforms of the output voltage waveforms
本文针对LTD脉冲源输出脉冲宽度受磁饱和效应影响的难题，研制了一种多匝LTD全固态脉冲发生器，可输出宽范围、高电压、大电流的脉冲，脉冲功率技术在高电压、大电流、宽脉宽的应用奠定了基础。主要结论如下：
1）采用磁心多匝绕制的办法，使得LTD电路可输出脉宽正比于匝数的宽脉冲，从而克服了磁饱和效应对脉宽的限制。
2）设计了同向三绕组的隔离方式，实现了LTD模块驱动隔离供电及储能电容隔离充电，且各级磁心隔离电压仅为每级模块的工作电压，降低了磁心绕制难度。
3）研制了10级多匝LTD脉冲发生器，各级模块化设计，紧凑型连接，从而可输出高电压、大电流的脉冲，主要脉冲参数为电压幅值0~5kV，输出脉冲电流高达500A，脉冲宽度200ns~5μs，上升沿30ns，下降沿16ns。
参考文献
[1] Sanders J M, Kuthi A, Wu Y H, et al. A linear, single-stage, nanosecond pulse generator for delivering intense electric fields to biological loads[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2009, 16(4):1048-1054.
[2] Yao Chenguo, Dong Shoulong, Zhao Yajun, et al. Bipolar microsecond pulses and insulated needle electrodes for reducing muscle contractions during irreversible electroporation[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2017, DOI:10.1109/TBME. 2017.2690624
[3] 郭飞, 李成祥, 唐贤伦, 等. 冲激辐射天线实现皮秒脉冲电场在人体大脑模型中聚焦的研究[J]. 电工技术学报, 2016, 31(3): 195-202. Guo Fei, Li Chengxiang, Tang Xianlun, et al. Focusing of picosecond pulsed electric fields in human brain model with impulse radiating antenna[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(3): 195-202.
[4] Gad A. Performance of electrode materials during food processing by pulsed electric fields[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(10): 3161-3166.
[5] Elgenedy M A, Massoud A M, Ahmed S, et al. A high-gain, high-voltage pulse generator using sequentially-charged modular multilevel converter sub-modules, for water disinfection applications[J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2018, 6(3): 1394-1406.
[6] 董守龙, 姚陈果, 杨楠, 等. 基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制[J]. 电工技术学报, 2016, 31(24): 35-44. Dong Shoulong, Yao Chenguo, Yang Nan, et al. The development of solid-state nanosecond pulsed plasma jet apparatus based on Marx structure[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(24): 35-44.
[7] 崔绍颖, 王书强, 马志毅. 脉冲分流器的发展现状研究[J]. 宇航计测技术, 2016, 36(6): 82-88. Cui Shaoying, Wang Shuqiang, Ma Zhiyi. Research on development status of pulse current shunts[J]. Journal of Astronautic Metrology and Measurement, 2016, 36(6): 82-88.
[8] 江伟华. 高重复频率脉冲功率技术及其应用: (6)代表性的应用[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(3): 1.Jiang Weihua. Repetition rate pulsed power technology and its applications: (6) typical applications[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26(3): 1.
[9] 江伟华. 高重复频率脉冲功率技术及其应用:(3)磁开关的作用[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(6): 1269-1275. Jiang Weihua. Repetition rate pulsed power technology and its applications: (3) the role of magnetic switches[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(6): 1269-1275.
[10] Lin Jiajin, Zhang Jiande, Yang Jianhua. High-voltage pulse generator based on magnetic pulse compression and transmission line transformer[C]//2013 19th IEEE Pulsed Power Conference, San Francisco, CA, USA , 2013, DOI: 10.1109/PPC.2013.6627506.
[11] 李计钊. 基于脉冲碎石应用的高功率开关技术的研究[D]. 沈阳: 沈阳理工大学, 2014.
[12] Rao Junfeng, Liu Kefu, Qiu Jian. All solid-state nanosecond pulsed generators based on Marx and magnetic switches[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2013, 20(4):1123-1128.
[13] Jiang W, Diao W, Wang X. Marx generator using power MOSFETS[C]//IEEE Pulsed Power Conference, PPC '09, Washington DC, USA, 2009: 408-410.
[14] Jiang W, Sugiyama H, Tokuchi A. Pulsed power generation by solid-state LTD[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(11): 3603-3608.
[15] Zhou Lin, Li Zhenghong, Wang Zhen, et al. Design of a 5-MA 100-ns linear-transformer-driver accelerator for wire array Z-pinch experiments[J]. Physical Review Special Topics Accelerators & Beams, 2016, 19(3): 030401.
[16] Kuskov A, Horne S, Lehr J, et al. Characterization and analysis of a pulse forming network based 11 stage Marx system for a high power microwave, plasma and beam physics test stand[C]//IEEE International Conference on Plasma Sciences, Washington, DC, USA, 2014, DOI: 10.1109/PLASMA.2014.7012481.
[17] 米彦, 张晏源, 储贻道, 等. 基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器[J]. 电工技术学报, 2015, 30(11): 100-109. Mi Yan, Zhang Yanyuan, Chu Yidao, et al. High-voltage nanosecond pulse generator based on non-balanced Blumlein type multilayered microstrip transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11): 100-109.
[18] 姚陈果, 章锡明, 李成祥, 等. 基于现场可编程门阵列的全固态高压ns脉冲发生器[J]. 高电压技术, 2012, 38(4): 929-934. Yao Chenguo, Zhang Ximing, Li Chengxiang, et al. All solid-state high voltage nanosecond pulse generator based on FPGA[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(4): 929-934.
[19] 江伟华. 高重复频率脉冲功率技术及其应用: (7)主要技术问题和未来发展趋势[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(1): 8-12. Jiang Weihua. Repetition rate pulsed power technology and its applications: (7) major challenges and future trends[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(1): 8-12.
[20] 王昌金, 姚陈果, 董守龙, 等. 基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 3089-3097. Wang Changjin, Yao Chenguo, Dong Shoulong, et al. The development of all solid-state mixed pulse generator based on Marx and LTD topologies[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3089-3097.
[21] Rao Junfeng, Li Zi, Xia Kun, et al. An all solid-state repetitive high-voltage rectangular pulse generator based on magnetic switch[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2015, 22(4):1976-1982.
[22] Yao Chenguo, Dong Shoulong, Zhao Yajun, et al. A novel configuration of modular bipolar pulse generator topology based on Marx generator with double power charging[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, 44(10):1872-1878.
The Development of All Solid-State Multi-Turn Linear Transformer Driver
Abstract An all solid-state multi-turn linear transformer driver is designed for the application of pulse power techniques with high-voltage, large-current and wide pulse width in pulsed electromagnetic biomedical applications. The magnetic core of the linear transformer driver (LTD) pulse generator adopts the method of multi-turn winding, which can output pulse of wide pulse width. The isolation of drive power supply and energy charging with co-direction winding of LTD modules is designed, and the isolation voltage of magnetic cores is the working voltage of LTD modules. The multi-turn LTD pulse generator is composed of 10 LTD modules. Each module is connected in parallel by 18 energy storage capacitors and MOSFETs discharge switches, and its synchronous drive circuit is designed. Through the analysis and selection of the components model and circuit, a modular all-solid-state pulse generator based on multi-turn LTD is development, which can output pulse parameters for the voltage amplitude 0~5kV, the output pulse current up to 500A, pulse width 200ns-5μs, pulse rise time 30ns, falling time 16ns, and its parameters can adjusted flexibly such as pulse width and amplitude. Moreover, higher voltage pulse can be achieved by increasing the number of LTD module.
keywords：Pulse generator, linear transformer driver (LTD), nanocrystalline magnetic core, solid-state switch, wide pulse
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190229
中图分类号：TN78; TM832
董守龙 男，1989年生，讲师，博士后，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研究等。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：wangyiling@cqu.edu.cn
国家自然科学基金青年科学基金（51807016），国家自然科学基金面上项目（51877022），重庆市项目博士后项目（XmT2018012），中央高校基本科研业务费（106112017CDJQJ158835）和中央高校基本科研业务费（106112017CDJZRPY0103）资助项目。
收稿日期2019-01-14
改稿日期 2019-05-14
（编辑 郭丽军）