0 引言

近年来，高压脉冲功率技术在国防科技^[1]、电力装备^[2]、绝缘材料^[3]、等离子体放电^[4]、生物医学工程^[5]等领域具有广泛的应用。尤其是在生物医学领域，脉冲电场引起的电穿孔效应已广泛地应用到肿瘤治疗^[6]、基因传输^[7]、抗体制备^[8]、食品处理^[9]、消毒杀菌^[10]等肿瘤民生健康领域。在肿瘤治疗方面，脉冲电场电穿孔技术已成功应用到临床中，并取得了良好的治疗效果^[11-13]。随着研究的深入，脉冲电场诱导的电穿孔效应因不同的宽度会产生窗口效应。微秒脉冲电场主要作用于肿瘤细胞膜，通过破坏细胞膜结构从而诱导肿瘤细胞死亡。而纳秒脉冲电场能够透过细胞膜作用到细胞器膜(如细胞核、线粒体、内质网、高尔基体)，进而诱导细胞凋亡^[14-16]。此外，新进研究也发现，纳秒脉冲在杀伤肿瘤细胞的同时，也能够引起机理的免疫应答^[17-18]，为纳秒脉冲电场联合免疫疗法提供了良好的契机。

随着纳秒脉冲肿瘤治疗技术的深入，对脉冲电源的参数需求也在不断提升。电力电子开关(金属−氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semicon- ductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等)的出现使得小型化脉冲电源研制成为可能，同时全控性固态开关使得脉冲电源输出的脉冲参数可任意可调^[19-21]。目前产生高压脉冲的常用方式包含Marx电路拓扑结构^[22-23]和直线型变压器驱动源电路(linear transformer driver，LTD)结构^[24-26]等。LTD电路由于磁芯饱和的限制，输出的脉冲宽度较小，因此多采用Marx结构研制电穿孔肿瘤治疗用的脉冲电源(微秒脉冲及纳秒脉冲产生的电穿孔效应)^{[6, 27-29]}。Marx结构主要采用“并联充电、串联放电”的形式，从而实现高压脉冲波形的输出^{[19, 30]}。通过Marx结构和电力电子开关组合形成的脉冲电源能够输出幅值、脉宽、频率等多种参数任意可调的纳秒脉冲电源^{[20, 31-33]}。例如，姚陈果等人基于Marx结构设计了一种用于细胞试验的程控式高压百纳秒脉冲电源，脉冲宽度为200 ns~1 µs可调，幅值为0~8 kV可调，频率为1~1 000 Hz可调^[34]。

目前纳秒脉冲电场消融肿瘤研究中常用的是能够产生数百纳秒的脉冲波形、脉冲频率在1~1 000 Hz、输出脉冲电场强度为5~20 kV/cm间的脉冲电源^[35-37]。为满足该需求，基于混合隔离型5级Marx拓扑结构研制出1套高压百纳秒脉冲发生装置。该装置采用“背靠背”式双电容充电模式、采用电阻与二极管混合式隔离及充电方式。该装置电压幅值为0~4.3 kV可调，脉宽为0.3~5 µs可调，频率为10⁻³~10 kHz可调。现在纳秒脉冲电场肿瘤治疗研究中细胞试验可采用直径2 mm的BTX电极，因此脉冲电源输出最高4 kV能够基本满足后面细胞试验的需求。该装置中通过“背靠背”充电方式能够减少MOSFET的开关模块，同时在高频输出时，通过双电源充电模式，能够降低电源功率的需求，同时也能够快速提高电容充电速度。此外，模块化的设计可通过增加级联数量实现更高电压的脉冲输出，为高压百纳秒脉冲电场肿瘤细胞的试验研究提供可靠的脉冲电源。

1 电路拓扑结构及工作原理 1.1 电路拓扑结构

本文研制了一种采用混合式隔离模式的全固态Marx发生器，正极性充电回路采用高功率电阻隔离，负极性充电回路采用快恢复二极管隔离。

图 1为该混合式隔离Marx发生器拓扑结构。每级子模块包括正极性充电回路和负极性充电回路两部分。

该电路包括2个相同的直流充电电源±U_DC、5级子模块以及负载电阻。其中，第1级子模块包含1个电容C₁、1个开关Q₁和1个隔离电阻R₀；第2—第5级子模块由4个相同的重复单元组成，共包含8个电容器C₂—C₉、4个开关Q₂—Q₅、4个隔离电阻器R₁—R₄、4个隔离二极管D₁—D₄和4个接地电阻器R_e。

该电路基本工作原理为“并联充电、串联放电”，是一种采用正负极性电源充电、每级采用双电容储能、混合式隔离的改进型Marx电路。

1.2 工作原理

混合式隔离模式Marx发生器的工作原理如图 2所示。图 2(a)为该电路的正极性回路充电过程，正极性直流源+U_DC经过隔离电阻R₁—R₄为储能电容器C₂、C₄、C₆、C₈供电，充电过程中各MOSFET开关Q₁—Q₅均处于关断状态。此时各储能电容器上的电压U₂、U₄、U₆、U₈均等于正极性直流源充电电压U₀。

图 2(b)为该电路的负极性回路充电过程，负极性直流源–U_DC经过隔离电阻R₀和快恢复隔离二极管D₁—D₄为储能电容器C₁、C₃、C₅、C₇、C₉供电，开关Q₁—Q₅关断，各储能电容器上的电压U₁、U₃、U₅、U₇、U₉均等于负极性直流源充电电压U₀。

该电路放电过程如图 2(c)所示，现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)产生控制信号使各MOSFET开关Q₁—Q₅导通，各储能电容器C₁—C₉开始串联放电，理想状态下负载上的输出电压幅值为

${U_{{\rm{out}}}} = \left( {2n - 1} \right){U_0} $

(1)

式中n为该发生器的级数。

1.3 参数选择

对于基于Marx结构的脉冲发生器，决定其输出电压各项参数能否达到要求的先决条件是充电电源功率。若充电电源功率不足，输出电压幅值、重复频率等参数都会受到影响。

该发生器正常工作时，充电电源在短时间内将能量传输至负载电阻，考虑功率损耗(这种传输过程中能量耗散一般为5%以上)，充电电源的输出功率应大于负载电阻处输出脉冲所消耗的平均功率，即

${P_{\rm{C}}} \ge 0.95\frac{{U_{{\rm{out}}}^2}}{{{R_{\rm{L}}}}}{t_{\rm{w}}}f $

(2)

式中：P_C为充电电源输出功率；U_out为负载上的输出电压；R_L为负载电阻；t_w为单周期脉宽；f为输出脉冲频率。

把1.2节工作原理中式(1)代入式(2)，充电电源输出功率最终应满足

$ {P_{\text{C}}} \geqslant 0.95\frac{{{{\left( {2n - 1} \right)}^2}U_0^2}}{{{R_{\text{L}}}}}{t_{\text{w}}}f $

(3)

根据式(3)计算得到充电电源功率≥96 W。

作为电路中唯一的储能元件，电容器容值大小会直接影响输出脉冲各项参数指标，因此选择1个合适的电容器容值就显得尤为重要。

该电路充电过程结束后，电路中全部电容器串联后初始电压为

$ {U_{\text{C}}} = {U_{{\text{out}}}} = \left( {2n - 1} \right){U_{\text{0}}} $

(4)

式中U_C为全部电容器串联后初始电压。

该电路放电过程中电容器电压为

$ {U_{\text{t}}} = {U_{\text{C}}}{{\text{e}}^{ - \frac{t}{\tau }}} $

(5)

式中：U_t为t时刻电容器电压，时间常数τ为

$ \tau = {R_{\text{L}}}{C_{\text{e}}} $

(6)

式中C_e为电路中全部电容器串联后等效电容。若每个电容器的容值都为C，则有

$ {C_{\text{e}}}{\text{ = }}C/\left( {2n - 1} \right) $

(7)

把式(4)、(6)、(7)代入式(5)，电路放电过程中电容器电压应为

$ {U_{\text{t}}} = \left( {2n - 1} \right){U_{\text{0}}}{{\text{e}}^{ - \frac{{\left( {2n - 1} \right)t}}{{{R_{\text{L}}}C}}}} $

(8)

当t取脉冲底部宽度t_p时，输出脉冲顶降10%，此时电容器电压应不小于0.9倍输出电压，即

$ {U_{\text{t}}} = \left( {2n - 1} \right){U_0}{{\text{e}}^{ - \frac{{\left( {2n - 1} \right){t_{\text{p}}}}}{{{R_{\text{L}}}C}}}} \geqslant 0.9{U_{{\text{out}}}} $

(9)

把式(1)代入式(9)，储能电容器容值应满足

$ C \geqslant \frac{{\left( {2n - 1} \right){t_{\text{p}}}}}{{{R_{\text{L}}}{\text{ln0}}{\text{.9}}}} $

(10)

根据式(10)计算得到储能电容器容值≥1 μF。

此外，对于诸如MOSFET之类的半导体开关，其反向耐压最大可达2倍正常工作电压，为保证试验的安全性，选择该发生器所用的MOSFET时应确保其漏源级击穿电压大于2U₀。

2 仿真试验

为验证混合式隔离模式的全固态Marx发生器电路基本原理，同时确保该发生器可靠运行，本文首先使用Pspice对图 1拓扑结构进行仿真。负载电阻阻值设置为1 kΩ，正极性回路隔离电阻R₁—R₄均设为200 Ω，负极性回路采用隔离二极管，电容器C₁—C₉的电容值均设为2 μF，接地电阻R_e阻值设为3 kΩ。设触发源发出触发信号的延迟时间为t_D，脉宽为t_W，周期为t_P，上升时间为t_R，下降时间为t_F，其仿真中各参数设置见表 1。

按上述仿真参数对电路进行仿真，充电电压从100 V逐步增加至500 V，触发信号脉宽从100 ns逐步增加至1 μs，其余参数均保持不变。图 3(a)为不同充电电压下的仿真输出电压波形，设置触发信号脉宽为500 ns，随着充电电压从100 V增加至500 V，方波脉冲电压从890 V增加至4 400 V，每组数据中输出电压都约等于9倍充电电压，说明所设计电路拓扑结构是可行的，基本实现了Marx电路所具有的倍压功能。

图 3(b)为不同触发信号脉宽下的仿真输出电压波形，设置充电电压500 V，触发信号脉宽从100 ns增加至1 000 ns，方波脉冲的脉宽也会增加至相应大小，与理论设计相符。经仿真结果验证，采用混合式隔离模式的全固态Marx发生器可通过调整充电电压幅值、触发信号各参数来控制输出电压波形，以达到预期试验结果。

3 试验结果与分析 3.1 试验平台搭建

为进一步验证该电路工作原理及仿真试验的准确性，研发了5级混合式隔离全固态Marx发生器，并搭建了相应测试平台。5级混合式隔离全固态Marx发生器模型图如图 4所示，它由主电路模块和MOSFET驱动电路模块组成，主电路模块除第1级外，剩余每级都包括正极性回路和负极性回路两部分。触发信号采用光纤隔离，通过电光、光电转换进行传输，增强系统抗干扰能力。其中各类模块所包含的主要元件及其布局如图 4(a)所示，各模块均经过优化设计以减少对导线的使用；不同模块间的连接方式如图 4(b)所示，各级模块连接导通处采用铜柱，无导通处采用尼龙柱支撑固定，整个系统接线简单，降低电能在导线上损耗的同时方便各个模块拆卸。

选用高功率无感铝壳电阻(1 kΩ，150 W)作为负载，其余主要元件的规格参数见表 2。

2个直流充电电源均采用实验室现有的DW−P120−10F53，输出电压为0~600 V，最大输出功率为120 W。采用可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)产生控制信号，本文选用DS1102E型号示波器记录输出波形、选用P6015A无源高压探头测量负载端电压，该探头可测量电压峰值为40 kV，带宽为75 MHz。

选用的MOSFET型号为C2M0080120D，其漏源极击穿电压为1.2 kV。储能电容选用2 μF、耐压1.2 kV的无感薄膜电容。隔离电阻选用耐压2 kV、阻值200 Ω的高功率厚膜电阻，接地电阻选用TO220−247，其耐压为8 kV，阻值为3 kΩ。隔离二极管采用HVR320，其最大反峰电压、直流阻断电压为2 kV。

3.2 输出脉冲特性

该发生器在不同充电电压幅值、不同触发信号脉宽下负载端输出电压波形如图 5所示。

由图 5(a)可知，触发信号脉宽为500 ns不变，充电电压设置为100~500 V时，经过5级模块叠加后方波脉冲电压幅值约为800~4 300 V，效率可达95%以上。当充电电压为500 V时，输出脉冲上升沿在42 ns左右，如图 5(b)所示。

保持充电电压500 V不变，调节触发信号参数，可输出不同脉宽的方波脉冲，如图 5(c)、5(d)所示。触发信号脉宽为300 ns~1 μs时，输出脉冲波形一致性较好，在此范围内可实现脉宽的灵活调节。触发信号脉宽为2~5 μs时，输出脉冲会出现不同程度的顶降现象。

如图 6所示，通过改变触发信号频率，该混合式隔离Marx发生器可输出1 kHz和10 kHz脉冲。由图 6(a)可知，在10 ms连续时间内，该发生器输出电压幅值最大与最小之差约为400 V，其占比为输出电压典型值(4.3 kV)的9.3%。反峰电压最大不超过100 V。

由图 6(b)可知，该发生器在1 ms连续时间内输出电压幅值差不超过100 V，幅值波动较小。反峰电压最大值约为800 V，其占比为输出电压典型值(4.3 kV)的18.6%。

由引言中所述细胞试验对脉冲电源基本要求可知，该混合式隔离Marx发生器满足要求。其在重复频率1 kHz下能够稳定工作于细胞试验的研究中。

试验结果进一步验证了该混合式隔离Marx发生器的电路拓扑结构及工作原理，同时，输出脉冲特性与仿真试验结果相符，达到了设计指标，实现了输出脉冲幅值、脉宽、重频等参数灵活可调。后续该发生器可通过增加级数或选用功率更大、电压幅值更高的充电电源来提高输出脉冲电压。

4 结论

1）该装置采用双电源充电，每级主电路模块由使用电阻隔离的正极性回路和使用二极管隔离的负极性回路两部分组成。此结构能够降低开关使用

数量。

2）5级混合式隔离Marx发生器输出负极性可调脉冲参数如下：幅值为0~4.3 kV、脉宽为0.3~5 µs、重复频率为10⁻³~10 kHz、上升沿为42 ns。输出参数与设计基本相符。

综上所述，该电路拓扑结构在理论与试验上得到验证，输出脉冲幅值、宽度、频率均灵活可调，能够满足细胞试验需求。