基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器

廖志刚 潘冠位 李佳龙 丁建云 刘新星

摘 要：团队依托于重庆大学输配电装备与系统安全及新技术国家重点实验室，基于Marx+脉冲变压器，完成了具有快速上升前沿的高频高压微纳秒脉冲发生器，并生产出成熟的设备，旨在解决交叉学科背景下应用者因脉冲功率学科技术门槛而难以自主研发、熟练应用脉冲发生器的问题，填补了市场空白，为使用者提供了一个性能优良、高效、使用简单、可靠性高、价格低廉的脉冲发生器。

关键词：Marx;脉冲变压器;脉冲发生器

1 作品简介

研制的高频高压微纳秒脉冲发生器性能优越，主要表現在以下方面。

（1）损耗小，能量传输效率高。采用环形闭合磁芯及同轴绕组，减小回路漏感及分布电容，损耗极小，能量传输效率达94.6%。

（2）速度快，能够实现多种应用。脉冲上升前沿仅160 ns，无过冲现象，可用于治疗肿瘤、提高细胞融合率、国防军工等。

（3）自动化程度高，降低人力成本。由液晶显示屏输入参数，通过控制FPGA实现对固态开关的控制，通过调节输入电压精确调节放电能量，简单方便。

（4）适用范围广，绿色环保。高压高频固态脉冲发生器输出电压0～10 kV可调，输出脉宽200 ns～10 μs可调，适用于多种应用场景，同时系统使用节能手段，大大减少了对环境的污染。

2 工作原理

电路原理图如图1所示。

接通设备电源后，外接电源对充电电源充电，充电电源经由充电电阻、单向二极管对两级Marx电路充电，然后由FPGA逻辑编程控制器对IGBT固态开关发送控制信号，控制其导通，之后电容对脉冲变压器初级绕组放电，形成脉冲信号，再通过脉冲变压器升压，最终输出高压脉冲。

脉冲电压幅值由充电电源、脉冲变压器变比决定，脉冲宽度由固态开关开通关断时间决定，脉冲前沿由固态开关导通时间决定，脉冲频率由固态开关工作频率决定。

3 创新点

（1）新型纳米晶脉冲变压器磁芯结构。纳米晶合金材料代替传统硅钢片作为脉冲变压器磁芯，平均磁导率?为

30 000，剩余磁感应强度Br低于0.15 T，饱和磁感应强度Bs为1.25 T，能够实现高幅值、大脉宽脉冲电压的输出。

（2）FPGA自动化控制以及参数调节。基于FPGA研制的控制系统，能够对脉冲宽度、脉冲周期、脉冲个数进行参数化控制，具有多通道输出，可同时控制多个脉冲源。USB外接电源，方便快捷。光纤传输，抗干扰能力强。

4 市场前景

高频高压微纳秒脉冲发生器在工业废水处理、肿瘤治疗、国防军工、材料制造等行业具有广阔的应用前景。在化工方面，具体应用于工业废水的处理，可大幅降低工业废水的排放并提高水的再利用率。根据测算，2020年我国工业废水处理行业对高频高压微纳秒脉冲发生器的潜在市场需求约为1 000亿元;在生物医药产业方面，高频高压微纳秒脉冲发生器可以用于肿瘤的治疗，提高细胞融合率。根据测算，生物医药产业在2022年对高频高压微纳秒脉冲发生器的需求为1 200亿。当下进口设备单价是国内平均价格的3～5倍，而国内厂家（合资）缺少自己的核心技术和研发团队，产品种类少而单一。对比之下，本项目研发的高频高压微纳秒脉冲发生器价格低廉，适用范围广，适用性强，具有很大的市场竞争优势。