基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器

2021年1 月 电 工 技 术 学 报 Vol.36 No. 2 第36卷第2期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 2021

DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.201110

基于辅助充电支路的模块化多电平变换器

结构高频纳秒脉冲发生器

米 彦 陈嘉诚 许 宁 戴锦炎

（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） 重庆 400044）

摘要 高频纳秒脉冲串治疗肿瘤已逐渐成为一种新的医疗手段，但发生器输出高频脉冲串时

的开关损耗问题还有待进一步研究。因此该文提出一种基于辅助充电支路的模块化多电平变换器

（MMC）拓扑。在MMC模块的一个MOSFET处并联二极管和电阻，为电容提供充电回路，消

除充电电流对开关的导通损耗，提高脉冲发生器的稳定性。首先，对该文提出的拓扑结构进行原

理介绍；其次，计算硬件参数并利用Pspice对拓扑结构进行仿真验证；最后，研制一台五级模块

化的输出装置并进行性能测试。连续输出模式下：前沿20ns，后沿30ns，幅值为4kV；脉冲串输

出模式下：最高串内频率1MHz的脉宽100～500ns、幅值0～4kV可调的纳秒脉冲串。开关温升

测试表明，在该文测试条件下，RD-MMC相比于MMC的尾切开关温升减少约30%；同时，利用

细胞溶液作为负载，测试电压电流波形稳定。该文研制的脉冲发生器为进一步研究高频纳秒脉冲

串在生物领域的应用奠定了基础。

关键词：辅助充电支路 模块化多电平变换器 导通损耗 纳秒脉冲串 发生器

中图分类号：TM832

High Frequency Nanosecond Pulse Generator Based on

Modular Multilevel Converter Structure with Auxiliary Charging Branch

LLC变换器谐振参数计算

1 概述

现有的LLC设计是基于基波分析(FHA)进行的，就是说，谐振槽输入的方波中，只有开关频率的基波在传输能

量，其他高次谐波忽略不计。按基波分析法，在一个开关周期中，电感𝐿𝑚一直在参与谐振。

图1所示是全桥LLC在𝑓𝑠<𝑓

𝑟的谐振槽电流波形。𝑡0~𝑡

1期间，𝐿𝑚被钳位在𝑁𝑉𝑜，只有𝐿𝑟、𝐶𝑟参与谐振。

𝑡

1~𝑡

2期间，变压器副边断开，𝐿𝑚参与谐振。所以基波分析法用于LLC有误差， 𝑓𝑠离𝑓𝑟越远误差越大。在输入掉

电、输出有“保持时间”要求的场合，希望能精确计算出LLC最低输入电压对应的最低开关频率，以便设置最低频

率限制，确保LLC谐振槽始终工作在感性区域，而非容性区域。这时，由于𝑓𝑠≪𝑓

𝑟，使用基波分析法算出的最低

频率会有很大的误差。

图1 全桥LLC以及谐振槽电流波形，𝑓𝑠<𝑓

𝑟

𝑓

𝑠>𝑓

𝑟𝐿

𝑚𝑁𝑉

𝑜𝑡

0~𝑡

1𝐿

𝑟𝐶

𝑟

𝑉

𝑖𝑛−𝑁𝑉

𝑜𝑡

1~𝑡

2𝑉

𝑖𝑛+𝑁𝑉

𝑜

分析𝑓𝑠>𝑓

𝑟

LLC

进入轻载打嗝的频率。

图2 LLC谐振槽电流，𝑓𝑠>𝑓

𝑟

本文基于根轨迹法对LLC谐振变换器进行了详细的分析，讲解了谐振参数的设计、以及开关频率的精确计

算。根据本文的分析可以知道，最低开关频率相对于谐振频率的比率定好后，𝐾=𝐿𝑚

𝐿

𝑟 也就确定了。𝐿

𝑚参与谐振

时，谐振槽电流𝐼𝑟等于流经𝐿𝑚的电流𝐼𝑚，𝐼𝑚的大小决定了谐振参数。MOS能否实现ZVS开通，不仅取决于上下

管换相时的𝐼𝑚，还受制于此时𝐿𝑚的电压是否被钳位。

基于本文介绍的方法编制了LLC设计的Mathcad计算单，并有LLC仿真电路配合大家的设计，该仿真电路可

以在Pspice-for-TI环境下运行。Pspice-for-TI可以从TI网站免费下载。

2 谐振槽的根轨迹

１引言　基于阶跃恢复二极管ｓＲＤ的高速脉冲发生器　

Ｈｉｇｈ——ｓｐｅｅｄ　Ｐｕｌｓｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｔｅｐ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｄｉｏｄｅｓ　

朱习松。黄方，苏宪法（电子科技大学自动化工程学院，四ＪＩＩ成都６１００５４）　

Ｚｈｕ　Ｘｉ－ｓｏｎｇ．Ｈｕａｎｇ　Ｆａｎｇ．Ｓｕ　Ｘｉａｎ－ｆａ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ＳｃｉｅｎｃｅＡｎｄＴｅｃｈｎｏｈ）ｇｙ　ｏｆＣｈｉｎａ，Ｓｉｃ：ｈｕａｎ　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５４）　

摘要：特性阻抗测试仪，是利用时域反射法对被测件的特性阻抗进行测试。文章提出了以阶跃恢复二极管　（ＳＲＤ）作为核心器件，产生高速脉冲发生器的方法。利用阶跃恢复二极管反向恢复所出现的阶跃特性，可以　把边沿较慢的脉冲信号整形成边沿较快的脉冲信号，同时介绍了相应的硬件电路设计和实现方法。设计方　案的正确性，已在工程中得到验证。　关键词：阶跃恢复二极管；脉冲发生器；恒流源　中图分类号：ＴＮ７８　文献标识码：Ａ　文隶编号：１００３－０１０７（２０１０）０４—０００１￣３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ．ＴＤＲ．ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｂｙ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅｏｒｙ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　Ｐｕｌｓｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｈｉｃｈ　ｃｈｏｏｓｅ　ｔｈｅ　Ｓｔｅｐ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｄｉｏｄｅｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｗｈｉｃｈ　ｓｔｅｐ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｄｉｏｄｅｓ　ｂｒｉｎｇｓ　ｆｒｏｍ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ．ｗｅ　ｃａｎ　ｔｕｒｎ　ｓｌｏｗｅｒ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｂｙ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｓｈａｐｉｎｇ　Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｉｔｓ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　Ｄｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｄｉｏｄｅｓ；ｐｌｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｃｏｎｓｔａｎｔ—ｃｕｒｒａｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ＣＬＣ　ｎｕｍｂｅｒ：ＴＮ７８　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　ｃｏｄｅ：Ａ　Ａｌｒｔｉｄｅ　ＩＤ．１００３—０１０７（２０１０）０４—０００１—０３　

第２２卷第４期　２０１０年４月　强　激　光　与　粒　子　束　

ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏ１．２２，ＮＯ．４　Ａｐｒ．，２０１０　

文章编号：１００１—４３２２（２０１０）０４—０７４３—０５　

低抖动Ｍａｒｘ发生器设计与实验　

李　远，　李　劲，　刘小平，　何　辉，　王永伟，　陈德彪，　周符新　

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）　

摘要：提出并设计了一种Ｍａｒｘ发生器线路，将电路模拟和实验验证结果与传统的Ｍａｒｘ线路进行了　比较，结果表明，所设计的线路通过保证Ｍａｒｘ后级开关上的过电压幅值，来保证开关可靠击穿并减小开关自　击穿所需时间，从而减小Ｍａｒｘ发生器的抖动和增大工作范围。在此线路基础上，设计了一种用于直线感应加　

速器脉冲功率系统的Ｍａｒｘ发生器，该发生器采用正负双极性直流充电，使用低抖动的场畸变火花隙开关作为　脉冲形成开关，最大储能ｌ６．８７　ｋＪ，最高输出电压４５０　ｋＶ，在一定工作状态下可以达到亚纳秒级的时间抖动。　关键词：Ｍａｒｘ发生器；火花隙开关；亚纳秒抖动；直线感应加速器；脉冲功率系统　

中图分类号：　ＴＭ８３６　文献标志码：　Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２Ｏ１Ｏ２２Ｏ４．０７４３　

Ｍａｒｘ发生器作为一种经典的高功率脉冲发生装置，目前仍然有着广泛的应用。近年来各类高功率半导　

体器件，如ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ、光导半导体开关等得到了迅速的发展，但是当需要Ｇｗ级功率的脉冲输出时，使　

用气体火花隙开关的Ｍａｒｘ发生器还很难被取代。与Ｔｅｓｌａ变压器等脉冲发生装置相比，Ｍａｒｘ发生器有着更　

高的能量传输效率，同时Ｍａｒｘ发生器还具有结构简单、成本较低的优点，适合作为各种大型脉冲功率源的初　

级储能装置。如在１０　ＭｅＶ　ＬＩＡＸＦ和“神龙一号”两台大型直线感应加速器中，使用Ｍａｒｘ发生器作为初级储　

能装置为Ｂｌｕｍｌｅｉｎ脉冲形成线充电，输出２００～３００　ｋＶ的　ｓ级高电压脉冲，Ｍａｒｘ的时间抖动在十至数十