脈沖倍壓發(fā)生器發(fā)展歷史

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(gè)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(duì)成形線充電，當(dāng)充電電壓足夠高時(shí)開關(guān)導(dǎo)通，在成形線中開始了波的成形和傳輸過(guò)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(dòng)、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(lái)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(duì)n個(gè)電容器并聯(lián)充電至V0電壓值。用外觸發(fā)信號(hào)使前面第一和第二球隙開關(guān)導(dǎo)通，依靠脈沖過(guò)電壓使隨后的球隙開關(guān)相繼導(dǎo)通,n個(gè)電容器串聯(lián)起來(lái)對(duì)Rp放電, 在電阻Rp上獲得幅值接近于nV0的輸出電壓。脈沖時(shí)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(shí)際上各級(jí)都有)對(duì)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(jí)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(duì)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(jí)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(shí)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(duì)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(jiǎn)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(chǎng)合；電感充電電路，由于其效率較高，故在大功率、高頻場(chǎng)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(shí)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(duì)于一般的指數(shù)型脈沖，可以通過(guò)控制調(diào)制開關(guān)的導(dǎo)通，使儲(chǔ)能電容通過(guò)調(diào)制開關(guān)對(duì)負(fù)載放電，從而在負(fù)載上得到輸出脈沖。該方法簡(jiǎn)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(diǎn)是降低了初級(jí)電路的設(shè)計(jì)難度，但也存在很大的缺陷，如初級(jí)的震蕩會(huì)傳遞到次級(jí)，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(shí)脈沖變壓器體積較大且難設(shè)計(jì)。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(guò)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(guò)簡(jiǎn)單的電路，將功率MOSFET或者IGBT串并聯(lián)，通過(guò)選用低感元件及合理的布局，從而實(shí)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(zhǎng)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(jì)比較復(fù)雜，需考慮均壓均流同步等問(wèn)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(chǔ)能元件，用氫閘流管或晶閘管SCR做開關(guān)，實(shí)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(jí)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(chǎng)合。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際輸出脈沖的指標(biāo)要求來(lái)選取合適的脈沖成形電路。

3、高壓脈沖變壓器的設(shè)計(jì)

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(jí)以及阻抗匹配等問(wèn)題，一般采用脈沖變壓器。脈沖變壓器的使用會(huì)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(jí)電路電壓等級(jí)降低、設(shè)計(jì)難度減小。但這種結(jié)構(gòu)要求脈沖變壓器初級(jí)必須流過(guò)較大的電流，在脈沖變壓器升壓比較大時(shí)初級(jí)電流更大。因此在設(shè)計(jì)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(huì)影響輸出脈沖的前后沿，因此在對(duì)輸出脈沖前后沿要求較高或要求輸出窄脈沖時(shí)，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(chǎng)被證明對(duì)微生物細(xì)胞具有破壞力。自Sale等系統(tǒng)地研究脈沖電場(chǎng)對(duì)微生物失活的影響之后，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都開始關(guān)注對(duì)

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(jì)。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(guò)電容并聯(lián)充電、串聯(lián)放電來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。傳統(tǒng)的Marx發(fā)生器由火花隙開關(guān)來(lái)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(guò)IGBT串聯(lián)法設(shè)計(jì)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(duì)此展開了研究設(shè)計(jì)。Marx型發(fā)生器所需直流電源電壓較低、無(wú)需使用變壓器，因此其體積比較小，但需通過(guò)LC充電來(lái)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(jí)數(shù)的增大，導(dǎo)致輸出脈沖前沿時(shí)間變長(zhǎng)，不利于殺菌效率的提高。通過(guò)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(guò)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(jì)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(jí)，簡(jiǎn)化了變壓器初級(jí)電路的設(shè)計(jì)，因而得到廣泛應(yīng)用。但脈沖變壓器的應(yīng)用同時(shí)也限制了輸出脈沖寬度的變化范圍，且脈沖變壓器對(duì)快前沿脈沖響應(yīng)較差。另外由于變壓器的恢復(fù)時(shí)間問(wèn)題，導(dǎo)致脈沖重復(fù)頻率不能太高。所以研究設(shè)計(jì)價(jià)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(gè)方向。除了以上兩種方法，還可以直接利用開關(guān)來(lái)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(tái)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?？赘抒y等通過(guò)開關(guān)的串并聯(lián)得到高壓脈沖輸出。利用此方法設(shè)計(jì)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(tái)和輸出脈沖幅度相等的高壓直流電源作為初級(jí)電源，因而其體積龐大，價(jià)格昂貴。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)比較復(fù)雜。

近年來(lái)又出現(xiàn)基于傳輸線變壓器耦合多開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(shí)導(dǎo)通，儲(chǔ)能元件通過(guò)TLT驅(qū)動(dòng)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(guò)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(jì)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(duì)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(jiǎn)單，價(jià)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(wú)殺菌作用，且會(huì)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(guò)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(duì)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(duì)處于高強(qiáng)度電場(chǎng)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(duì)食品中微生物的致死效果最差。