图1 双极性Marx主电路拓扑
Fig.1 Main circuit topology of bipolar Marx generator
摘要 该文针对脉冲功率技术在食品杀菌处理等领域的双极性高电压应用需求，设计了一种基于磁隔离驱动的全固态双极性Marx脉冲源。该双极性脉冲源主电路采用双Marx型电路拓扑。驱动电路采用磁心传递控制信号，利用磁心堆叠和次级绕组反并联方式，使得系统仅需两路驱动信号即可实现双Marx主电路拓扑中四种开关的控制。驱动电路结构简单可靠，开关同步性高。基于此驱动电路和主电路，筛选了主要器件，开展了相应仿真，最终研制出全固态双极性脉冲源样机，并开展了样机的性能测试。测试结果表明，该脉冲源输出电压为0～±20 kV，脉冲宽度为3～10 ms，最大重复频率为200 Hz。脉冲源的输出电压、脉冲宽度、重复频率及正负脉冲间距均灵活可调，并可通过增加Marx模块的数量来实现更高等级的输出电压。
关键词：脉冲功率技术 双极性脉冲 Marx电路 磁隔离驱动 固态开关
近年来，脉冲功率技术的应用范围由传统的军工国防领域不断拓宽，被广泛应用于生物医学[1-4]、等离子体科学[5]、材料改性[6]、食品科学和污水处理[7-9]等领域。基于不同的应用背景，脉冲源的参数需求不尽相同，除了高输出电压、电流，快上升沿等需求外，输出脉冲的形状、极性、重复频率等参数也逐渐纳入设计需求之内。
在液态食品杀菌领域中，相较于传统的热处理、紫外线照射、化学处理等方法，高压脉冲电场的非热杀菌方法因其无显著温升、处理时间短、杀菌效果好等优势受到广泛关注。杀菌的主要机理是高脉冲电场（1～100 ms，20～80 kV/cm）诱导食品中的微生物发生不可逆穿孔而死亡[10-12]。高压脉冲电源作为脉冲电场发生的核心设备，其参数性能直接影响到最终的杀菌效果。研究表明，除脉冲电场强度和作用时间外，双极性脉冲产生的交变应力使得细胞膜的结构疲劳，细胞膜的通透性提高，灭菌效果有效提升[13-14]。其次，在食品杀菌处理过程中，高压电极往往采用金属电极。在与液态食品接触时，单一极性的脉冲输出容易发生电极腐蚀进而引发食品安全问题。相较于单极性脉冲，双极性脉冲通过极性切换，可有效抑制电极腐蚀[15]，保障食品安全。
双极性高压脉冲产生的典型方式主要有Blumlein传输线、直线变压器驱动源（Linear Transformer Driver, LTD）、Marx电路[16-19]等。随着半导体技术的发展，基于全固态开关的Marx电路，因其无需阻抗匹配、脉宽灵活可调等优势，而被广泛选用。产生双极性脉冲的全固态Marx电路拓扑主要有双Marx型[18]及全桥型[19]两种。双Marx电路型拓扑的开关电压利用率高，需要的开关数量少，控制要求简单，可作为双极性脉冲源的良好选择。
为满足食品杀菌领域的高输出电压要求，需解决双Marx型电路中固态开关高电位悬浮驱动问题。驱动一般分为有源驱动和无源驱动[20]。有源驱动中常采用光电隔离触发方案[21]。这一方案需提供额外的驱动隔离供电电源。目前，商用成熟的隔离电源模块普遍不超过15 kV，脉冲源的输出幅值受到电源的最大隔离电压限制。且双极性脉冲源所需开关数量较多，需引入大量的光电隔离模块和隔离电源模块，使得脉冲源的成本大大提升，控制更加复杂。相较于光电隔离驱动，磁隔离驱动[22-23]属于无源驱动，利用磁心传递驱动信号，无需额外隔离电源模块，隔离电压高，大幅提升了输出幅值，降低了脉冲源成本。但是，目前针对磁隔离驱动型脉冲源研究设计仅仅停留在单极性阶段，无法满足这一领域的高压双极性输出要求。
综上所述，本文基于双Marx型拓扑原理，提出了基于磁隔离驱动的双极性脉冲源设计方案。该驱动电路拓扑简单，利用磁心堆叠和二次绕组反并联的方式，仅需两路控制信号即可实现双Marx型拓扑中四路开关的分别控制。研制的脉冲源样机输出电压为0～±20 kV，脉冲宽度为3～10 ms，最大重复频率为200 Hz，正负极性脉冲间隔灵活可调。脉冲源采用模块化设计，可以通过模块叠加实现更高的输出电压。
本文选取双Marx结构作为双极性磁隔离驱动型脉冲源的主电路拓扑，其主电路拓扑如图1所示。图中，DC1、DC2为高压直流电源；VD1n为快恢复隔离二极管；C1n、C2n为储能电容；S1n、S2n、S3n及S4n为金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）；Rload为负载。
图1 双极性Marx主电路拓扑
Fig.1 Main circuit topology of bipolar Marx generator
该双极性脉冲源的控制时序和高压输出Vout如图2所示，其工作过程主要分为四个阶段：①0～t1正极性放电；②t1～t2电容充电；③t2～t3负极性放电；④t3～下一个t1，电容再次充电。
储能电容并联充电时，其电压VC1i、VC2i（i= 1, 2, 3,…, n）与高压直流电源的输出电压Vdc相等，可表示为
图2 双极性Marx输出波形及控制时序
Fig.2 Bipolar Marx output waveform and control timing
（1）
储能电容串联放电时，脉冲源输出电压Vout为
（2）
式中，n为双极性脉冲源级数。
1.2.1 驱动电路基本原理
由双极性Marx电路的控制时序可以看出，开关S1n与S2n互补导通，S3n与S4n在一定时延基础上互补导通。因此，本节仅针对开关S1n与S2n的驱动电路设计进行介绍。MOSFET的磁隔离驱动基本原理如图3所示。左侧为半桥控制电路，通过控制开关Q1、Q2输出双极性方波；L0、L1n、L2n分别为磁心的共一次绕组、二次侧同向绕组、二次侧反向绕组；右侧为S1n及S2n的驱动电路，其输出连接MOSFET的栅源极。
磁隔离驱动电路的控制时序如图4所示，一个周期内有四个模式。图中，Vcontrol、Vswitch分别代表控制信号及S1n、S2n电压。
图3 磁隔离驱动原理
Fig.3 Magnetic isolated driver schematic
图4 磁隔离驱动控制时序
Fig.4 Control timing of magnetic isolated driver
（1）模式Ⅰ：半桥控制电路在L0端产生正极性控制信号，L1n同名端感应出正极性输入+Vin，S1-1n自然导通，S1-2n通过续流二极管导通。因此，主开关的驱动电路会形成两个通路，Cg1n被充电到+Vin，S1n的栅源极电压为+Vin，S1n导通。与此同时，L2n端感应出负极性信号-Vin，S2-2n自然导通，S2-1n通过续流二极管形成通路。因此，S2n的驱动电路会形成两个通路，Cg2n被充电到-Vin，S2n的驱动电压为-Vin，S2n关闭。其运行模式如图5a所示。
（2）模式Ⅱ：L0端无输出信号时，L1n、L2n端也无输入信号。开关S1n及S2n的驱动电路中，S1-1n、S1-2n、S2-1n、S2-2n关闭，Cg1n、Cg2n的电荷无泄放通路，驱动电压保持不变。S1n持续导通，S2n持续关闭。其运行模式如图5b所示。
（3）模式Ⅲ：L0端负极性控制信号来临时，L1n端输入-Vin，S1-2n自然导通，S1-1n通过续流二极管导通。因此，主开关的驱动电路会形成两个通路，Cg1n的原有电荷泄放后充电到-Vin，S1n的栅源极电压为-Vin，S1n由导通变为关闭状态。与此同时，L2n端感应出正极性信号，S2-1n自然导通，S2-2n通过续流二极管形成通路。因此，S2n的驱动电路会形成两个通路，Cg2n被充电到+Vin，S2n的驱动电压为+Vin，S2n由关闭转为开启状态。运行模式如图5c所示。
图5 磁隔离驱动运行模式
Fig.5 Operation mode of magnetic isolated driver
（4）模式Ⅳ：类似于模式II，在模式Ⅳ，L0端再次无信号输出，L1、L2端感应电压为0，S1-1n、S1-2n、S2-1n、S2-2n关闭。Cg1n、Cg2n上电荷无泄放通路，其端电压继续保持，S1n、S2n的驱动电压保持不变。S1n持续关闭，S2n持续导通。运行模式如图5d所示。
1.2.2 死区时间设置
在S1n、S2n的驱动电路中，除了二次绕组的绕向相反外，其电路拓扑参数是完全对称。S1-1n、S1-2n、S2-1n、S2-2n型号相同，其开通关断特性几乎相同，门级电容Cg1n的正向充电速率与Cg2n反向充电速率一致。因此，S1n、S2n的驱动波形的交叉点在0 V附近。在理想情况下，若将0 V视为开关的开通起始电压，则S1n、S2n之间无死区时间。即使在实际情况下，两开关的起始开通电压高于0 V，其死区时间也很短暂。在一定干扰下，两开关可能直通造成脉冲源损坏。故需对开关驱动电路进行设计，以保证足够的死区时间。
设置R1-1n=R2-1n，R1-2n=R2-2n。当增大R1-1n时，S1-1n开通时间增大，Cg1n的电压由-Vin上升至+Vin的时间延长，S1n驱动波形的上升沿变缓。同样地，S2n驱动波形上升沿也随之变缓。减小R1-2n时，S1-2n开通时间减小，Cg1n的电压由+Vin下降至-Vin的时间减小，S1n驱动波形的下降沿变陡。类似地，S2n的驱动波形下降沿也随之变陡。开关的开通特性由图4转变为图6。驱动波形交叉点降至0 V以下，开关拥有可靠死区时间。
图6 改进后驱动波形
Fig.6 Drive waveforms after improvement
1.3.1 主电路元器件选择
固态开关采用的技术各不相同，相较于经典的Si MOSFET，采用GaN和SiC技术的MOSFET具备更加出色的性能。本文设计的脉冲源计划充电电压不高于1 000 V，开关耐压值应大于1 000 V。因此，本文选取ON公司生产的NVBG160120SC1作为Marx主电路的固态开关。其耐压值为1 200 V，导通电阻为160 mW，脉冲电流为78 A。
快恢复隔离二极管在储能电容充电期间提供正向导通路径，其能承受的最小正向导通电流Imin应为
（3）
式中，Iout为脉冲输出电流；f为输出脉冲频率；t 为脉冲宽度。
在储能电容放电期间，二极管承受反向电源电压。因此，二极管的最大反向击穿电压VR应大于脉冲源的最大充电电压Vdc。因此，选取VISHAY公司的E5PX6012L-N3型二极管。其正向平均电流为60 A，最大反向击穿电压为1 200 V。
本文设计的脉冲源设计最大输出电压为20 kV，最大脉冲宽度为10 ms，储能电容放电时的电压跌落应不超过5 %。因此，电容设计值为
（4）
式中，Ce为放电时等效电容；C为单电容容值；DVd为允许的最大电压跌落。负载阻值为2 000 W，设置最大脉冲宽度t =10 ms。选取3个CBB105J1000V型号的电容并联，其容值为1 mF，耐压值为1 000 V，最终每级Marx储能电容容值为3 mF。
1.3.2 驱动电路器件选择
驱动电路利用磁心传递控制信号，并最终形成驱动信号，同时磁心兼具隔离高压输出端和低压控制端的作用。因此，磁心的选取决定了半桥控制电路输出波形传递的畸变率，从而影响最终输出波形的质量。目前，常用的磁心材料有硅钢、铁基非晶、纳米晶等。纳米晶磁心具有低剩磁、低损耗和优良的频率特性等优点，因此本文选取纳米晶磁心。
本文设计的磁心共一次侧、同向二次侧、反相二次侧的匝数比为1
33。设定主回路开关的开通电压Vgs=10 V，二次侧感应电压为10 V，一次侧感应电压为3.3 V。为防止磁心饱和，需计算磁心的伏秒积容量，其公式为
（5）
式中，Bs为饱和磁感应强度；Br为剩余磁感应强度；S为磁心横截面积；a 为磁心的填充系数；u(t)为磁心二次侧输出电压。
由于磁心二次侧输出为双极性方波脉冲，磁心工作于磁滞回线的1、3象限。故磁心最小横截面积计算公式可简化为
（6）
纳米晶磁心的饱和磁感应强度Bs=1.25 T，填充系数a=0.78，双极性脉冲方波脉冲宽度tp=2 ms，计算得到磁心的最小横截面积为10.26 mm2。因此，选取25/40/10 mm纳米晶磁心可充分满足要求。
驱动电路中的固态开关传递控制信号，由于磁心的隔离作用，其仅仅承受低压。因此，本文选取NCEPOWER公司的NCE0115K作为驱动回路的MOSFET。其漏源极耐压值为100 V，正向通流为15 A。
为了充分验证基于磁隔离驱动的双极性Marx发生器的可行性，本节利用Pspice仿真软件搭建基于图1和图3的仿真电路，开展了相应仿真实验。该Pspice仿真模型的仿真参数见表1。
表1 仿真参数
Tab.1 Simulation parameters
参 数数值 (型号) 直流输入电压/kV0～1 Marx级数5 主回路开关S/Anolog 驱动回路开关IP109N03LA 储能电容/mF10
R1-1n=R1-2n=R2-1n=R2-2n=10 W 时的S1n、S2n驱动仿真波形如图7a所示，其交叉点在0 V附近。增大R1-1n、R2-1n至100 W，其他参数不变，主开关及截尾开关的驱动上升沿较缓慢，开关驱动交叉点在0 V以下，死区时间增大，足以防止两开关直通。开关S3n、S4n其控制原理相同，仅在S1n、S2n基础上延时100 ms，故不做驱动的分析。
基于磁隔离驱动的双极性Marx发生器的变脉宽仿真输出结果如图8所示。Marx仿真电路级数为5级，直流输入为1 000 V，储能电容为10 mF，脉冲宽度为5～10 ms，步进为1 ms。正负极性脉冲间隔为100 ms。可以看出，仿真的Marx脉冲源的输出脉宽灵活可调，输出电压稳定可靠，几乎无电压跌落。
图7 仿真驱动波形
Fig.7 Simulated driver waveforms
图8 脉宽调节波形
Fig.8 Waveform of adjusting pulse width
设定脉宽为10 ms，直流输入电压200～1 000 V等长步进，最终的输出电压波形如图9所示，验证了脉冲源的输出电压灵活可调。
图9 电压调节波形
Fig.9 Voltage regulation waveforms
为了验证上述原理及仿真的可行性，研制了相应样机，搭建了如图10所示的实验测试平台。单级Marx脉冲源的顶层印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）如图11所示，实验相关参数见表2。
图10 实验测试平台
Fig.10 Experimental test platform
图11 单级Marx的顶层PCB
Fig.11 Top layer PCB of the single module Marx
表2 实验参数
Tab.2 Experiment parameters
参 数数值 (型号) 直流输入电压/kV0～1 Marx级数20 主回路开关NVBG160120SC1 驱动回路开关NCE0115K 储能电容/mF3 负载电阻/kW10
在脉冲源性能测试中，采用Tektronix MDO 3024示波器、TELEDYNE LECROY PP026低压探头、Tektronix P6015A高压探头进行驱动及输出电压的测量。
开关S1n、S2n的实测驱动波形如图12所示。设定R1-1n=R2-1n=100 W，R1-2n=R2-2n=10 W时，脉冲发生器的脉冲宽度为5 ms，驱动电压为±10 V左右，驱动波形交叉点在零电平以下，保证了开关的可靠通断。正负极性脉冲间隔为100 ms时，输出电压调节波形如图13所示。电压从5 kV开始采集，最大输出电压为20 kV，输出电压灵活可调。图14为脉冲宽度调节波形，脉冲宽度在3～10 ms范围内可灵活调节。图15为调节正负极性脉冲间隔的输出波形，输出间隔由100 ms变为200 ms，脉冲宽度为10 ms，输出电压为±20 kV，验证了正负极性输出间距的可调节性，其正负极性输出展开波形如图16a、图16b所示。
图12 实测驱动波形
Fig.12 Real drive waveforms
图13 变压输出波形
Fig.13 Output waveforms with different input voltage
图14 变脉宽输出波形
Fig.14 Output waveforms with different pulse width
图17为脉冲频率f =200 Hz，输出电压Vout= ±20 kV，脉冲宽度t=10 ms，正负脉冲间距为5 ms的输出波形。脉冲源的输出电压幅值稳定在20 kV附近，无明显的电压跌落，验证了其可靠的输出能力与稳定性。
图15 变间距输出波形
Fig.15 Output waveform with different terminal
图16 输出电压波形展开
Fig.16 Partial amplification of output voltage waveforms
针对传统双极性脉冲源输出受隔离驱动的限制，难以实现高幅值输出的难题，研制了基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源，得出以下结论：
1）设计了针对双极性脉冲源的磁隔离驱动电路，该驱动电路采用磁心堆叠和二次绕组反并联方式，仅需两路驱动信号即可实现对双极性Marx脉冲源开关的分别控制，大大减少了驱动信号的数量，缩小了驱动系统的体积。开关触发的同步性良好，脉冲源输出幅值及可靠性大幅提升。
图17 200 Hz输出电压波形
Fig.17 Output voltage waveform with f =200 Hz
2）开展了磁隔离驱动型双极性脉冲源的仿真，验证了所提拓扑的可靠性，为脉冲源的研制提供了理论基础。
3）研制了一台20级的双极性Marx脉冲源，该脉冲源输出电压为0～±20 kV，脉冲宽度为3～10 ms，最大输出频率为200 Hz，正负脉冲间隔灵活可调。脉冲源采用模块化设计，其输出幅值、脉冲宽度可分别通过模块叠加和增大储能电容值等方式实现更高参数要求。
综上所述，本文提出的基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源具有较高且灵活可调的输出参数，在食品杀菌等领域有着良好的应用前景。
参考文献
[1] Mi Yan, Xu Jin, Yao Chenguo, et al. Electroporation modeling of a single cell exposed to high-frequency nanosecond pulse bursts[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(2): 461-468.
[2] Pakhomov A G. Excitation and electroporation by MHz bursts of nanosecond stimuli[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2019, 518(4): 759-764.
[3] 彭豪, 张琳, 刘欣, 等. 微毫秒脉冲电场致细胞DNA转染的仿真研究[J]. 电工技术学报, 2021, 36(18): 3829-3840.
Peng Hao, Zhang Lin, Liu Xin, et al. Simulation of DNA transfection in cells under ms/ms pulsed electric field[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(18): 3829-3840.
[4] 程显, 陈硕, 吕彦鹏, 等. 纳秒脉冲作用下核孔复合体影响细胞核膜电穿孔变化的仿真研究[J]. 电工技术学报, 2021, 36(18): 3821-3828.
Cheng Xian, Chen Shuo, Lü Yanpeng, et al. Simu- lation study on the effect of nuclear pore complexes on cell electroporation under nanosecond pulse[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(18): 3821-3828.
[5] 米彦, 苟家喜, 刘露露, 等. 脉冲介质阻挡放电等离子体改性对BN/EP复合材料击穿强度和热导率的影响[J]. 电工技术学报, 2020, 35(18): 3949-3959.
Mi Yan, Gou Jiaxi, Liu Lulu, et al. Effect of pulse dielectric barrier discharge plasma modification on breakdown strength and thermal conductivity of BN/EP composites[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(18): 3949-3959.
[6] 米彦, 葛欣, 刘露露, 等. 微秒脉冲电场强度对BNNSs取向程度和环氧树脂复合材料热导率的影响[J]. 电工技术学报, 2022, 37(6): 1533-1541.
Mi Yan, Ge Xin, Liu Lulu, et al. Effect of microsecond pulsed electric field strength on the BNNSs orientation degree and the thermal con- ductivity of epoxy resin composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(6): 1533- 1541.
[7] 熊强, 董智勤, 朱芳州. 脉冲电场技术在食品工业上的应用进展[J]. 现代食品科技, 2022, 38(2): 326- 339, 255.
Xiong Qiang, Dong Zhiqin, Zhu Fangzhou. Progress in the application of pulsed electric field in food industry[J]. Modern Food Science and Technology, 2022, 38(2): 326-339, 255.
[8] 周程, 闫泽垚, 刘克富. 脉冲电场提取丹参脂溶性成分[J]. 电工技术学报, 2022, 37(4): 1041-1050.
Zhou Cheng, Yan Zeyao, Liu Kefu. Pulsed electrical field-assisted extraction of tanshinones from salvia miltiorrhiza[J]. Transactions of China Electrotechni- cal Society, 2022, 37(4): 1041-1050.
[9] 李唐, 王亚伟, 赵振良, 等. 基于高压脉冲电场技术的污水处理系统研究设计[J]. 电子设计工程, 2013, 21(4): 104-106, 109.
Li Tang, Wang Yawei, Zhao Zhenliang, et al. Design of sewage treatment system based on high-voltage pulsed electric field technology[J]. Electronic Design Engineering, 2013, 21(4): 104-106, 109.
[10] Li Xiang. A review on recent development in non- conventional food sterilization technologies[J]. Journal of Food Engineering, 2016, 182: 33-45.
[11] Wang Mansheng. A review of sublethal effects of pulsed electric field on cells in food processing[J]. Journal of Food Engineering, 2018, 223: 32-41.
[12] Sritakaew P, Silapunt R. Pulse electric field by half bridge modular multilevel inverter for liquid food sterilization[C]//2019 10th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE 2019- ECCE Asia), Busan, Korea (South), 2019: 2122-2125.
[13] 齐梦圆, 刘卿妍, 石素素, 等. 高压电场技术在食品杀菌中的应用研究进展[J]. 食品科学, 2022, 43(11): 284-292.
Qi Mengyuan, Liu Qingyan, Shi Susu, et al. Recent progress in the application of high-voltage electric field technology in food sterilization[J]. Food Science, 2022, 43(11): 284-292.
[14] 熊兰, 马龙, 胡国辉, 等. 具有负载普适性的高压双极性方波脉冲源研制[J]. 电工技术学报, 2015, 30(12): 51-60.
Xiong Lan, Ma Long, Hu Guohui, et al. A newly high-voltage square bipolar pulse generator for various loads[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2015, 30(12): 51-60.
[15] 张钰舜, 陈伟, 韩福柱. 双极性脉冲电解加工端面杂散腐蚀控制[J]. 电加工与模具, 2021(4): 42-45.
Zhang Yushun, Chen Wei, Han Fuzhu. End-face stray corrosion control with bipolar auxiliary pulse in electrochemical machining[J]. Electromachining & Mould, 2021(4): 42-45.
[16] 何映江, 余亮, 马剑豪, 等. 一种升压模式的可调极性高频Blumlein脉冲形成线功率调制模块[J]. 电工技术学报, 2021, 36(2): 425-434.
He Yingjiang, Yu Liang, Ma Jianhao, et al. An adjustable polarity high frequency blumlein pulse forming line power modulation module with boost mode[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 425-434.
[17] 唐潇, 孙文杰, 何明祖, 等. 双极性直线型变压器驱动源的研制[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33(6): 36-43.
Tang Xiao, Sun Wenjie, He Mingzu, et al. A bipolar nanosecond pulse source based on liner transformer driver[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33(6): 36-43.
[18] Redondo L M, Zahyka M, Kandratsyeu A. Solid-state generation of high-frequency burst of bipolar pulses for medical applications[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, 47(8): 4091-4095.
[19] Sakamoto T, Nami A, Akiyama M, et al. A repetitive solid state Marx-type pulsed power generator using multi-stage switch-capacitor cells[C]//2011 IEEE Pulsed Power Conference, Chicago, IL, USA, 2012: 1342-1346.
[20] Zeng Weirong, Yao Chenguo, Dong Shoulong, et al. Self-triggering high-frequency nanosecond pulse generator[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(8): 8002-8012.
[21] Wang Xia, Huang Qinghua, Xiong Lin, et al. A compact all-solid-state repetitive pulsed power modulator based on Marx generator and pulse transformer[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2018, 46(6): 2072-2078.
[22] Li Zi, Liu Haotian, Rao Junfeng, et al. Gate driving circuit for the all solid-state rectangular Marx generator[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, 47(8): 4058-4063.
[23] 饶俊峰, 宋子鸣, 王永刚, 等. 基于磁隔离驱动的亚微秒高压脉冲电源[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33(11): 171-177.
Rao Junfeng, Song Ziming, Wang Yonggang, et al. Sub-microsecond high voltage pulse power supply based on magnetic isolated driving[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33(11): 171-177.
Abstract In liquid food sterilization, a bipolar high-voltage pulsed electric field provides a better sterilization effect and inhibits electrode corrosion to prevent food contamination. Traditional bipolar Marx pulse generator contains the main and truncated switches (MS&TS). The MS and TS are usually driven by an optical fiber signal, and the optical fiber modules are powered by DC isolated sources. Hence, the output amplitude of the bipolar Marx generator is limited by isolated DC sources, making it difficult to achieve high-voltage output. The conventional magnetic isolated driver can solve the high overhang problem of driving potential, but needs to meet the control requirements of these two types of switches. Therefore, this paper proposes a design of the bipolar pulse generator based on a magnetic isolated drive. It can solve the problem of high-voltage isolated drive and meet the control requirement of bipolarity, finally realizing the bipolar high-voltage pulse output.
Firstly, the circuit design is carried out in this paper. The dual Marx-type circuit topology is adopted for the main circuit of the bipolar pulse generators. The drive circuit for this topology uses the magnetic core to transfer the control signal, including core stacking, in-phase winding, and inverse paralleled winding. It only needs one drive signal to realize the synchronous conduction of the MS or TS, and the complementary conduction of both. To ensure a reliable deadtime between the complementary conduction, the gate resistance value of the sub-driver circuit of the magnetic isolated drive is adjusted accordingly. The gate different resistance values of the sub-driver circuits can form conduction delays of their sub-switches, so the MS and TS own a sufficient deadtime during the on-off process. Then the second delayed control signal realizes the control of the MS and TS in another Marx module, which finally meets the control requirements of the dual Marx-type pulse generator.
Secondly, the selection of key components, such as MOSFET, fast recovery isolation diode, energy storage capacitor, and nanocrystal magnetic core, is provided, and related simulations are performed. The results show that the MS and TS have reliable deadtime when the sub-driver gate resistances are different. The overall simulation model achieves a bipolar pulse output of ±5 kV with flexible and adjustable pulse width polarity, verifying the feasibility of the circuit design.
Finally, the prototype development is tested. The following conclusions can be drawn from the test: (1) The proposed magnetic isolated drive circuit is designed with magnetic core stacking, and inverse paralleled secondary side winding. It only needs two control signals to realize the control requirements of the bipolar pulse generator, which reduces the number of control signals and improves the system’s reliability. Moreover, the synchronization of the switch triggering is unanimous. (2) The output voltage of the magnetic isolated drive-based dual-Marx generator is 0 to ±20 kV, the pulse width is 3 ms to 10 ms, the maximum output frequency is 200 Hz, and the interval between positive and negative polarity can be adjusted flexibly. (3) The module stacking and the energy storage capacitor adjustment can further expand the output capability of such generators.
keywords：Pulsed power technology, bipolar pulse, Marx circuit, magnetic isolated driver, solid-state switches
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220281
中图分类号：TM832
国家自然科学基金青年科学基金项目（51807016, 51907011）、重庆市自然科学基金面上项目（cstc2020jcyj-msxmX0932）、中央高校基本科研业务费（2020CDJYGSX001, 2020CDJYGDQ008）和重庆市高等教育教学改革研究项目（213052）资助。
收稿日期 2022-03-01
改稿日期 2022-05-10
董守龙 男，1989年生，副教授，博士生导师，研究方向为脉冲功率技术及其应用、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
姚陈果 男，1975年生，教授，博士生导师，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。E-mail: yaochenguo@cqu.edu.cn（通信作者）
（编辑 崔文静）