一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器
随着脉冲功率技术在生物医疗、食品加工、电磁成形、等离子体研究等领域日益广泛而深入的应用，脉冲发生器的研制面临高压高频化、双极性、全固态化等新要求。因此，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网河北省电力有限公司沧州供电分公司、重庆大学电气工程博士后流动站的研究人员王晓雨、董守龙、马剑豪、余亮、姚陈果，在2020年第4期《电工技术学报》上撰文，提出一种新型模块化的双极性高压高频脉冲发生器的研制策略。
研究结果表明此发生器较好地结合了固态Marx和桥式电路的优点，可根据实际需求，通过量化的多级模块堆叠实现高压输出；并可使用开关的时序逻辑控制实现输出极性和脉冲宽度灵活调节；同时具有高重频长寿命。
近年来，随着脉冲功率技术的快速发展和应用领域的不断拓宽，脉冲发生器在生物医学、食品加工、电磁成形、等离子体研究等领域的需求日渐增大。尤其在医学领域中，高压脉冲诱导细胞发生不可逆电穿孔从而治疗肿瘤的方式已经进入了临床阶段，并展示出良好的治疗前景。
但随着临床应用的不断深入，研究人员发现，单极性电脉冲含有较大的直流分量，将导致患者在治疗时发生肌肉收缩的现象。这容易引起电极针移位，致使消融精准降低，并且给患者带来不适甚至疼痛感。根据最新的研究表明，高频双极性的高压脉冲能抑制直流分量，从而有效地减轻患者的肌肉收缩和疼痛感，且疗效并无明显差异。
因此，可靠且紧凑的高频双极性脉冲发生器的研制将极大地满足高压电脉冲在生物医学领域的需求。目前高压脉冲的主要产生方式包括形成线、Marx电路、直线型变压器驱动源（Linear Transformer Driver, LTD）电路等，且随着半导体开关技术的发展，全固态脉冲发生器的研发已成为国内外学者研究的重点。
由于形成线脉冲发生器对于脉宽的调节，只能通过改变传输线的长度来实现，不利于脉冲宽度的灵活可调。全固态LTD脉冲发生器可以产生较大功率高频单极脉冲，但由于磁心磁饱和现象的限制，不能产生较长脉宽的脉冲且存在磁心损耗，效率较低。虽然固态Marx脉冲发生器可以产生高压脉冲，其脉冲宽度灵活可调，但国内外现存在的Marx电路输出多为单极性脉冲。
为此，有学者提出采用两台Marx实现正负输出，或者采用多电平MMC方式实现双极性输出。也有学者将Marx电路和传统的桥式电路相结合来实现双极性输出。尽管双极性Marx的研究较多，但是以上方案仍然有改进的空间，使用双台Marx实现双极性输出开关和储能电容数是单极性Marx的两倍，不利于装置紧凑化和成本控制。采用多电平MMC方式，输出电压等于充电电压，开关直接串联承受高压因此需要大量的均压电路和大功率直流充电电源。Marx电路加全桥电路，每个单元需要4个开关组成桥臂，且需要增加充电开关。
为满足脉冲发生器在医学领域的需求，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网河北省电力有限公司沧州供电分公司、重庆大学电气工程博士后流动站的研究人员，研制了一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器。
它的特点在于每个单元模块仅仅使用4个开关实现了充电和双极性的输出，通过模块的串联实现高电压输出。在保留Marx升压和桥式双极性输出优点的前提下，减少了开关器件和储能电容的使用量，利于装置的紧凑化，有效地控制了装置成本。
图1 全固态高频双极性脉冲发生器实验系统框图
图2 高频双极性脉冲发生器实物
根据近年来生物医疗和等离子体产生等应用确定该脉冲发生器的设计参数如下：输出脉冲幅值为0～±5kV，脉冲为纳秒至微秒可调，脉冲宽度为200ns～10μs，输出脉冲串内频率最高可达2.5MHz。该脉冲发生器可以应用于细胞组织在纳秒和微秒脉冲下不可逆电穿孔的研究以及等离子体在不同参数的脉冲下的产生情况。
研究人员最后得出如下结论：
1）研究一种新型双极性Marx脉冲发生器的拓扑结构，它的优点在于：结构简单，双极性输出，波形灵活可调，有利于装置的小型化。
2）目前充电850V六级叠加实验在200纯电阻负载条件下所取得的输出参数为：脉冲串内频率为2.5MHz，脉冲宽度为200ns～10s，脉冲幅值为±5kV，上升时间100ns，下降时间80ns，电压输出效率为98%。
3）脉冲发生器装置采用模块化设计，每个单元为相对独立的模块，模块间实现了自然均压。因此在绝缘充足的情况下能通过模块的简单堆叠实现更高的高压输出。
综上所述，全固态新型双极性Marx高重频脉冲发生器结构紧凑，输出波形灵活可调，脉冲宽度为纳秒至微秒可调，可以简单方便地提高电压等级，在生物医疗、等离子体产生方面有着良好的应用前景。