脈沖倍壓發(fā)生器

60年代以后，用脈沖成形線路將脈沖倍壓發(fā)生器的輸出脈沖成形為前沿幾個納秒的高壓脈沖，使得以脈沖倍壓發(fā)生器為主體的大功率高壓脈沖技術(shù)進(jìn)入了納秒脈沖技術(shù)階段。

將脈沖倍壓發(fā)生器輸出的高壓脈沖對成形線充電，當(dāng)充電電壓足夠高時開關(guān)導(dǎo)通，在成形線中開始了波的成形和傳輸過程，并將前沿為幾納秒至幾十納秒的電壓脈沖加到粒子束二極管上?？梢援a(chǎn)生幾兆電子伏、幾兆安、脈沖寬度為幾十納秒的強(qiáng)流粒子束。在良好的工作條件下，從電能轉(zhuǎn)換成粒子束能的效率可為30%到50%。目前，加速的粒子有電子、質(zhì)子和其他輕離子，束流最大功率已達(dá)4×1013瓦，脈沖寬度24納秒。廣泛地應(yīng)用于粒子束慣性約束聚變、等離子體加熱、集團(tuán)加速、激光抽動、微波產(chǎn)生、軔致輻射研究、核武器效應(yīng)模擬等方面。2100433B

又稱馬克思(Marx)發(fā)生器，一種利用電容器組在并聯(lián)下充電，然后串聯(lián)放電來獲得強(qiáng)流脈沖高壓脈沖的裝置。

原理 　脈沖倍壓發(fā)生器的工作原理由高壓變壓器輸出的高壓交流經(jīng)整流后得到高壓直流，對n個電容器并聯(lián)充電至V0電壓值。用外觸發(fā)信號使前面第一和第二球隙開關(guān)導(dǎo)通，依靠脈沖過電壓使隨后的球隙開關(guān)相繼導(dǎo)通,n個電容器串聯(lián)起來對Rp放電, 在電阻Rp上獲得幅值接近于nV0的輸出電壓。脈沖時間寬度t決定于C/n和Rp值，電阻R0的值必需滿足R0Ct，電阻r用以阻尼脈沖頂部的振蕩。為校正脈沖前沿接入電阻Rf和電容Cf,雜散電容(實際上各級都有)對于球隙的擊穿和維持球隙開關(guān)中的放電弧道起著重要作用。 　20世紀(jì)50年代以前，大功率的脈沖倍壓發(fā)生器用于產(chǎn)生前沿為微秒或亞微秒級的幾十千伏的高壓脈沖，饋送至X 射線管產(chǎn)生X 射線。

由于發(fā)生器放電回路的固有電容和電感對輸出脈沖的前沿和寬度有很大影響。因此提高脈沖幅值與縮短脈沖的前沿和寬度之間存在矛盾。為了提高幅值并改善脈沖參量,可采用多級數(shù)的脈沖倍壓發(fā)生器,電容器的排列采用多排方式，減少體積。典型的有如Z型排列,與線性行進(jìn)的線路相比,Z型排列結(jié)構(gòu)緊湊、并聯(lián)充電時間短，串聯(lián)放電的電感、電阻的阻滯作用較小。

高壓脈沖發(fā)生器主要包括充電電路、脈沖成形電路兩大部分。此外，脈沖變壓器是高壓大功率脈沖發(fā)生器中的關(guān)鍵部件，其功率轉(zhuǎn)換效率高并對減小脈沖發(fā)生器的體積和重量起到?jīng)Q定作用。

1、充電電路

比較常見的高壓脈沖發(fā)生器充電電路包括電阻充電電路和電感充電電路。電阻充電電路結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，但其充電效率低，一般適用于中小功率、脈寬窄或工作比很低的場合；電感充電電路，由于其效率較高，故在大功率、高頻場合下經(jīng)常使用。另外，還有回掃充電電路、階梯充電電路等。實際應(yīng)用中需根據(jù)具體要求選擇合適的充電電路。

2、高壓脈沖成形

高壓脈沖成形是高壓脈沖發(fā)生器的主要部分。對于一般的指數(shù)型脈沖，可以通過控制調(diào)制開關(guān)的導(dǎo)通，使儲能電容通過調(diào)制開關(guān)對負(fù)載放電，從而在負(fù)載上得到輸出脈沖。該方法簡單、技術(shù)成熟，但其殺菌效率明顯低于方波脈沖。高壓方波脈沖的產(chǎn)生一般采用全橋逆變加脈沖變壓器升壓。這種脈沖成形電路的優(yōu)點是降低了初級電路的設(shè)計難度，但也存在很大的缺陷，如初級的震蕩會傳遞到次級，從而使輸出波形變差，其占空比的調(diào)節(jié)也比較困難，在頻率較低時脈沖變壓器體積較大且難設(shè)計。隨著高壓大電流開關(guān)的發(fā)展，使用高壓直流電源、高壓調(diào)制開關(guān)，可以通過控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷在負(fù)載上得到脈沖輸出。

該開關(guān)通過簡單的電路，將功率MOSFET或者IGBT串并聯(lián)，通過選用低感元件及合理的布局，從而實現(xiàn)脈寬和頻率寬范圍可調(diào)的高壓脈沖發(fā)生器，且壽命長易于維修，但串并聯(lián)開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的控制電路設(shè)計比較復(fù)雜，需考慮均壓均流同步等問題。另外，還有一種線型脈沖調(diào)制器，其以人工線（脈沖形成網(wǎng)絡(luò)）做儲能元件，用氫閘流管或晶閘管SCR做開關(guān)，實現(xiàn)全部放電的脈沖調(diào)制器。其中人工線由電容和電感組成，隨著其級數(shù)的增加，輸出脈沖的波形越趨于方波。但人工線參數(shù)一旦確定，其輸出脈寬就基本確定，所以該方法不適用于要求輸出脈寬大范圍可調(diào)的場合。實際應(yīng)用中根據(jù)實際輸出脈沖的指標(biāo)要求來選取合適的脈沖成形電路。

3、高壓脈沖變壓器的設(shè)計

高壓脈沖發(fā)生器中為了解決調(diào)制開關(guān)器件的電壓等級以及阻抗匹配等問題，一般采用脈沖變壓器。脈沖變壓器的使用會使其最大輸出脈沖受限于脈沖變壓器磁芯的可利用伏秒特性，為了增加輸出脈寬，一般增加去磁電路，以使其磁芯復(fù)位。利用脈沖變壓器升壓的高壓脈沖發(fā)生器，其初級電路電壓等級降低、設(shè)計難度減小。但這種結(jié)構(gòu)要求脈沖變壓器初級必須流過較大的電流，在脈沖變壓器升壓比較大時初級電流更大。因此在設(shè)計中要根據(jù)輸出電壓幅值、功率大小、脈沖調(diào)制開關(guān)的開關(guān)能力和脈沖參數(shù)的要求等方面進(jìn)行權(quán)衡以確定合適的脈沖變壓器升壓比。脈沖變壓器的漏感以及回路分布電感會影響輸出脈沖的前后沿，因此在對輸出脈沖前后沿要求較高或要求輸出窄脈沖時，應(yīng)設(shè)法減小脈沖變壓器的漏感以及合理布局放電回路。

19世紀(jì)60年代，高壓脈沖電場被證明對微生物細(xì)胞具有破壞力。自Sale等系統(tǒng)地研究脈沖電場對微生物失活的影響之后，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都開始關(guān)注對

PEF技術(shù)中關(guān)鍵部件高壓脈沖發(fā)生器的研究與設(shè)計。產(chǎn)生高壓脈沖輸出的方法有多種，其中一種常見的高壓脈沖發(fā)生器是由Marx電路產(chǎn)生，其原理圖見圖。

Marx電路通過電容并聯(lián)充電、串聯(lián)放電來實現(xiàn)高壓輸出。傳統(tǒng)的Marx發(fā)生器由火花隙開關(guān)來控制，導(dǎo)致其重復(fù)頻率不高。隨著半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)展，逐漸代替火花隙開關(guān)，從而提高了Marx輸出的重復(fù)頻率。

通過IGBT串聯(lián)法設(shè)計了一套輸出150KV/10A、脈寬為1~20μs的Marx型高壓脈沖發(fā)生器。李志強(qiáng)等以及甘延青等均對此展開了研究設(shè)計。Marx型發(fā)生器所需直流電源電壓較低、無需使用變壓器，因此其體積比較小，但需通過LC充電來補(bǔ)充脈沖期間失去的電荷，所以其重復(fù)頻率不太高。另外，隨 著Marx脈沖發(fā)生器級數(shù)的增大，導(dǎo)致輸出脈沖前沿時間變長，不利于殺菌效率的提高。通過脈沖變壓器升壓后也可得到高壓脈沖發(fā)生器。研究者曾利用IGBT模塊逆變和脈沖變壓器升壓搭建了高壓脈沖發(fā)生器。應(yīng)雪正以及陳杰等通過脈沖變壓器升壓法獲得高壓脈沖發(fā)生器。利用脈沖變壓器升壓法研究設(shè)計的脈沖發(fā)生器由于均使用脈沖變壓器升壓，從而降低了高壓直流電源的電壓等級，簡化了變壓器初級電路的設(shè)計，因而得到廣泛應(yīng)用。但脈沖變壓器的應(yīng)用同時也限制了輸出脈沖寬度的變化范圍，且脈沖變壓器對快前沿脈沖響應(yīng)較差。另外由于變壓器的恢復(fù)時間問題，導(dǎo)致脈沖重復(fù)頻率不能太高。所以研究設(shè)計價格低廉、寄生參數(shù)小的大功率脈沖變壓器是提高此類型高壓脈沖發(fā)生器參數(shù)的一個方向。除了以上兩種方法，還可以直接利用開關(guān)來控制高壓電路的充放電，從而省去脈沖變壓器的使用。但是用作高壓脈沖發(fā)生器的調(diào)制開關(guān)一般都需要進(jìn)行串并聯(lián)組合運(yùn)用才能達(dá)到使用目的。

Seung-Bok等利用IGBT串聯(lián)技術(shù)研制了一臺電壓幅值40KV、電流150A、頻率3KHz、脈寬0~5μs、脈沖前沿小于100ns的高壓脈沖發(fā)生器。孔甘銀等通過開關(guān)的串并聯(lián)得到高壓脈沖輸出。利用此方法設(shè)計的脈沖發(fā)生器具有很寬的脈寬和頻率調(diào)節(jié)范圍。但該類型脈沖發(fā)生器需要一臺和輸出脈沖幅度相等的高壓直流電源作為初級電源，因而其體積龐大，價格昂貴。系統(tǒng)電路設(shè)計時需要考慮串并聯(lián)均壓均流、觸發(fā)隔離以及保護(hù)等技術(shù)難題，所以電路設(shè)計比較復(fù)雜。

近年來又出現(xiàn)基于傳輸線變壓器耦合多開關(guān)驅(qū)動變阻線的脈沖發(fā)生器和加法型全固態(tài)脈沖發(fā)生器。前者原理可概括為：當(dāng)電容性儲能元件充電完成后，因TLT的耦合作用，任意開關(guān)導(dǎo)通都將觸發(fā)其余開關(guān)同時導(dǎo)通，儲能元件通過TLT驅(qū)動變阻線輸出高壓脈沖。后者主要應(yīng)用于超高壓、大功率脈沖。

1、高壓直流電源

高壓直流電源的作用是將從電網(wǎng)輸入的交流電整流再逆變成高壓交流電，然后經(jīng)過整流變成高壓直流電。其主要由整流、功率因數(shù)校正、逆變、變壓器升壓和倍壓整流組成。

2、高壓脈沖波形

研究設(shè)計的高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形主要有方波、指數(shù)衰減波以及震蕩波等。這幾種脈沖波形的殺菌處理效果以方波最好，震蕩波最差，且方波脈沖的前后沿越快，對脈沖能量的利用越高，殺菌效率越高。指數(shù)脈沖一般由電阻—電容組成的電路產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。但低于最高電壓36.8%的電壓無殺菌作用，且會使食品溫度升高，浪費(fèi)能量。而方波脈沖殺菌效果好，其一般通過電容器組、電感、電阻以及放電開關(guān)組成脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（PFN），但相對于指數(shù)脈沖發(fā)生器，其制作成本高且調(diào)試麻煩。震蕩波由于不能對處于高強(qiáng)度電場中的微生物持續(xù)施加脈沖作用，因而防止了微生物細(xì)胞膜產(chǎn)生大面積不可逆破壞，故其對食品中微生物的致死效果最差。