Development of a new all-solid-state high voltage multilevel waveform generator
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摘要: 为得到在生物医疗、器件物理特性等研究方面所需的高压多电平技术，提出了一种新型全固态高压多电平发生器结构。对比传统结构，该结构以更少开关管数量实现相同电平输出，这不仅减少了发生器的整体体积，更节约了成本，优化了系统的电磁兼容。详细阐述了电路的结构设计、工作原理以及阻性负载和容性负载下的控制时序，搭建了一台最大输出11级电平试验样机，实验表明，该高压多电平发生器采用改进型控制时序能够有效消除预脉冲现象，工作频率2 kHz，电压最高幅值±2 kV，能够在阻性和容性负载下稳定工作。Abstract: High-voltage multi-level technology has become a hot topic in biomedical and device physical properties. This paper proposes a new all-solid-state high-voltage multi-level generator structure. Compared with the traditional structure, the structure realizes the same level output with fewer switching tubes, which not only reduces the overall volume of the generator, but also saves cost and optimizes the electromagnetic compatibility of the system. In this paper, the structure design, working principle and control timing of resistive load and capacitive load are elaborated in detail. Finally, a maximum output 11-level tester is built. Experiments show that the high-voltage multi-level generator adopts improved type. Control timing can effectively eliminate the pre-pulse phenomenon, ensure the operating frequency of 2 kHz maximum amplitude ± 2 kV, stable operation in resistive and capacitive loads.
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Key words:
- all-solid-state /
- bipolar /
- multilevel converter
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随着脉冲功率技术的发展，半导体开关由于体积小、寿命长、开关频率高和可控性强等特点，在一些应用上，例如臭氧发生、低温等离子体的产生和生物医疗等，逐渐取代了传统的气隙开关，具有更高的效率[1-3]。许多研究表明，改变高压脉冲上升沿与下降沿在许多应用中会有不同的放电现象，可用以研究高压电子设备绝缘性能、电穿孔应用、介质阻挡放电现象、电致发光器件的宽寿命测量、雷电特性研究和重离子物理特性等，由此针对输出任意波形的高压脉冲源的研究逐渐成为热点[4-9]。
常见的高压任意波形发生器的基本原理是控制一系列功率半导体开关的开通与关断，合成电容电压产生阶梯波形，以实现功率变换。模块化的电路结构，通过增加电压级数，可以实现更多的阶梯数以及更高的电压幅值，这种技术具有降低输出电压的电压变化率(即dV/dt)、消除大量的不良谐波、降低总谐波失真和电磁干扰等优点[10-11]。
按照高压任意波形发生器在主电容上的充电方式，多电平变换技术的拓扑主要分为两种：一种为采用Marx结构传统并联充电方式[12-13]，并联充电方式最大的特点是能够让每级电容充电更加均衡，发生器体积相对更小，但会增加控制充电的开关管，需要控制的开关数量将会增加; 另外一种采用类似脉冲叠加器的结构，使用高频谐振的方式经整流后对每一级主电容充电[4]，这种方式在相同输出脉冲的阶梯数量下，使用的半导体开关数量相对较少。文献[13]通过级联全桥模块实现高压任意波形输出，如果需要增加输出电压，需要更多的开关管数量及其驱动控制电路; 文献[4]采用模块化半桥结构，其正负极性模块相对独立，通过控制相应开关管来切换每个模块工作状态(闲置、投入)，若要实现双极性输出，分别需要正子模块和负子模块单独输出，即输出正极性电压时，负子模块处于闲置状态，工作效率相对较低; 文献[11]提出了以电容充电电压不同实现多电平模式，这样会需要更多的直流电源，同时其输出采用并联H桥以减少相同电平下开关管数量，但在放电时，组成H桥的半导体开关的耐压限制了发生器整体的输出电压[14]。
输出脉冲的阶梯数量决定了波形的调节精度，例如拟合三角波、正弦波等，为了追求更高的调节精度，在实际应用中，需要较多的半导体开关，相应地增加了驱动保护电路和开关管的数量。这不仅增加了脉冲电源的体积与成本，更增加了电磁兼容的难度。
为了获得更高的调节脉冲精度，本文提出了一种新型全固态双极性高压多电平发生器，该结构能够最大化利用每个储能电容，使用较少的开关实现更多双极性多电平输出。与传统的任意波形发生器相比，在使用相同的半导体开关数量下，本文所提出的发生器具有调节精度高、可控性强等特点。最后分别在阻性与容性负载下进行验证，实验结果表明，这种结构的发生器能在阻性负载和容性负载下实现多电平输出，满足许多应用的使用需求。
1. 主电路设计
1.1 主电路结构
本文主电路结构如图 1所示，各级储能电容采用共原边的高频谐振电源经过整流后充电，为减小充电后每级电容电压差异，可选取在相同匝数下电感量差异较小的磁芯，同时由于变压器漏感等因素，可在每级变压器增加平衡绕组实现磁平衡[15]。相邻两级电容的整流桥方向相反，由脉冲叠加器原理可知：当Ta1，Ta2，Ta3，Td1，Td2和Td3关断，Tb1，Tb2，Tb3，Tc1，Tc2和Tc3导通时，电容C31，C22，C21，C12，C11串联向负载输出正极性脉冲，如图 2所示; 当Tb1，Tb2，Tb3，Tc1，Tc2和Tc3关断，Ta1，Ta2，Ta3，Td1，Td2和Td3开通时，电容C11，C12，C21，C22和C31再次串联向负载输出负极性脉冲，如图 3所示，由此在负载上可获得双极性脉冲。在图 2、图 3所示的两个工作过程中，主电路中5个电容都能够参与放电，因此其具有更高的工作效率。
1.2 驱动系统和控制策略
由于每一个开关管工作在不同的电位，驱动信号需要进行隔离，常见的任意波形发生器通常采用光纤进行隔离驱动。更少的半导体开关管数量意味着更少的驱动信号以及光纤的使用数量。本文控制系统结构如图 4所示，由FPGA产生的所有开关管控制信号，经过光纤精确传输给各个开关管的驱动芯片MCP1407，再由驱动芯片驱动MOSFET，其中光纤接收端和驱动芯片采用隔离电源模块供电。本文功率开关管采用C2M0080120D，其最高耐压1200 V，满足设计要求。
假设每个电容充电电压为Uc，输出电压为U，由于开关管自身体二极管具有钳位作用，因此在输出相同电压水平时，可以有多种工作通路。
例如在输出电压为+Uc时，如图 5中(a)理想工作回路所示，可以导通Tc3，Tb3，Tb2和Tb1，通过Td1，Td2的体二极管让C31对负载放电; 另外在输出电压为+Uc时，也可以导通Tc3，Tc2，Tb2，Tb1，通过Ta3，Td1的体二极管让C21对负载放电，如图 5中(b)所示。
输出电压为-3Uc时，可以如图 5中(c)理想工作回路所示，可导通Ta1，Td1，Ta2，Td2，Td3，通过Tb3体二极管让C11，C12和C21串联对负载放电; 也可导通Ta1，Td1，Td2，Ta3和Td3，通过Tb2的体二极管让C11, C22和C31串联对负载放电，如图 5中(d)所示。
为实现模块化控制以简化开关管控制策略，在本文图 1结构中，当输出多电平阶梯波形时，正放电回路持续导通Tb3, Tb2和Tb1，负放电回路持续导通Td3，Td2和Td1。将系统中每四个开关管和其连接的两个电容组成一级子模块，如第一级中四个开关管为Ta1, Tb1, Tc1和Td1，两个电容为C11和C12; 同时最后一级只有一个电容。以此为基础，如果在正放电回路中需要增加两级正电平，只需控制整个系统中的某m级Tcm开通，便可将Cm1和Cm2串入放电回路中。如图 6中(A)理想工作过程所示，如若需要增加两级电平，可以导通第一级的Tc1，便可将C11和C12串入放电回路; 同时也可以如图 6中(B)理想工作过程所示，导通第二级Tc2，便可将C21和C22串入放电回路。如果同时导通第一级的Tc1、第二级的Tc2，便可将C11，C12，C21和C22一起串入放电回路增加四级电平。
如果需要增加一级电平，只需按照图 5中(a)理想工作过程所示，导通最后一级的Tc3，便可将C31串入放电回路中增加一级电平。负脉冲多电平工作原理同正极性，因此如果系统中共有n个电容，能够实现最大2n+1级电平输出的阶梯波。
为保证系统可靠稳定的运行，整体开关管控制策略的目的是平衡相邻级电平电压差，由此需要根据每个电容放电时长和放电次数来控制对应开关管，使所有电容在整个放电周期内放电时长和放电次数相同或相近。在图 1结构中，本文高压多电平发生器最多能实现11级电平放电，除去0电平，总共有18次放电现象，可设置相应开关管状态使各个电容均参与放电10次。如后续研究需要增加电压电平数，只需拓展结构，再控制对应开关平衡各个电容的放电次数即可。
2. 实验结果分析
假设各级电容充电电压相同，在输出11级电压时，对比传统结构所使用的开关管数量如表 1所示。通过表 1对比可以明显发现，在输出相同电压级数下，本文提出的新型全固态高压多电平发生器使用了更少的开关管数量，这意味着会使用更少的外围电路。
表 1 输出脉冲在相同电平时所用开关管数量对比(包括0电平)Table 1. Contrast the number of switches used for output pulse at the same levels (including 0 level)2.1 控制信号改进
理想放电回路通过体二极管，输出频率500 Hz，负载采用5 kΩ金属膜电阻，属于低感电阻，采用图 6中的理想工作原理，实验证明存在预脉冲现象。以三级正电平为例，实验波形如图 7所示，相邻两级电平电压差为50 V，从图中可以看到第一级输出存在50 V预脉冲泄放，第二级存在30 V左右预脉冲泄放。
三级正电平工作过程为：导通Tc3，Tb3，Tb2和Tb1，通过Td1, Td2的体二极管让C31对负载输出+Uc; 导通Tb3，Tc2，Tb2和Tb1，通过Td3，Td1的体二极管让C21和C22串联对负载输出+2Uc; 导通Tc3，Tb3，Tb2，Tc1和Tb1，通过Td2的体二极管让C31, C11和C12串联对负载输出+3Uc，经分析预脉冲产生主要是由于每个开关管自身结电容的影响，会造成开关管结电容放电现象，如图 8所示。
在图 8(a)中，由于放电的周期性，第一级电平放电之前Td1，Td2上的结电容CTd1和CTd2会充电，在第一级放电时沿着放电回路对负载泄放电荷; 同理在(b)中，第二级电平放电之前Td1，Td3上的结电容CTd1和CTd3会充电，结电容在第二级放电时沿着放电回路对负载泄放电荷，其中CTd1在第一级放电时已经泄放了大部分电荷，所以第二级预脉冲主要是由于CTd3的作用; 在(c)中第三级放电时，串入放电回路的主要是CTd2，由于第一级已经泄放了其大部分电荷，所以预脉冲现象不严重。
由此，需要对电阻负载下的控制时序进行改进，在开通满足电平要求开关管的同时，开通存在结电容放电的开关管，给结电容电荷一个快速泄放通道。例如在图 8中，输出+Uc电压时，正常导通Tc3，Tb3，Tb2和Tb1，同时导通Td1，Td2让结电容CTd1和CTd2快速泄放电荷; 输出+2Uc电压时，正常导通Tb3，Tc2，Tb2和Tb1，同时导通Td3，Td1让结电容CTd1和CTd3快速泄放电荷。根据此原理分析，在正负五级电平中对应开关管理想控制时序基础上，改进控制时序图如图 9所示。
图 9 各级电平对应开关管改进时序图Figure 9. Modified sequence diagram of switches corresponding to different levels2.2 阻性负载及容性负载测试波形
采用改进后控制时序，进行实验测试波形。测量使用Tektronix公司的示波器和探头，示波器型号为DPO2024B，其带宽为200 MHz，采样率为1 GS/s; 探头型号为P6015A，带宽为75 MHz，阻抗为100 MΩ/3 pF。
同样采用5 kΩ金属膜电阻，其最高耐压3 kV，实验工作频率为1 kHz，各级电容平均充电电压400 V，十一级阶梯下的输出电压实验波形如图 10所示。从图中可以看出，此时预脉冲沿着放电回路泄放的问题得到解决，五级电平最大幅值为±2 kV。图 11为负载阻值为5 kΩ，稳定工作在1 kHz和2 kHz下波形图，最大幅值均为±2 kV。
图 11 1 kHz和2 kHz下5 kΩ阻性负载波形Figure 11. 5 kΩ resistive load waveform at 1 kHz and 2 kHz为测试系统在不同阻值负载下的工作性能，分别采用了5，10 kΩ和20 kΩ金属膜电阻工作在1 kHz下，测试波形如图 12所示。从图中可以看出，随着负载阻值的大小的改变，波形不会出现明显改变趋势，因此不会存在阻抗匹配等问题，会具有更广的应用范围。
在传统双极性脉冲叠加器截尾过程中，开关管结电容沿着截尾开关对容性负载形成放电回路，正负极性放电结束不能到0电平，形成电压偏移[14]。在本文控制时序中，已经在放电过程中导通可能存在结电容电压的开关管，让电荷快速释放，所以并不会存在容性负载下电压偏移的现象。实验负载采用430 pF高压陶瓷电容，其最高耐压25 kV，工作频率1 kHz，各级电容平均充电电压为400 V，实验波形如图 13所示，工作最大幅值到±2 kV。图 14为440 pF电容稳定工作在1 kHz和2 kHz时的波形图，其最大幅值均为±2 kV。
图 14 1 kHz和2 kHz下430 pF容性负载波形Figure 14. 430 pF capacitive load waveform at 1 kHz and 2 kHz为验证系统工作在不同电容值的性能，实验的容性负载分别采取了0.43，1.07 nF和1.83 nF高压陶瓷电容，工作在1 kHz下进行对比实验。实验波形如图 15所示。从图中可以看出，尽管随着电容值的增大，输出的整体波形并没有太大的畸变。并且从图中可以明显发现，随着容值增大，每次阶梯前沿的震荡会加剧，这是由于电路本身电感等参数影响，属于正常且合理的。
图 15 不同容值负载工作在1 kHz波形Figure 15. Different capacitive resistance values loads waveforms at 1 kHz3. 结论
本文提出了一种新型全固态高压多电平发生器，双极性最大幅值时每个电容都能参与放电，最大程度提高工作效率。对比其他结构，在相同电平下，本文使用了更少的功率开关管数量，提高了调节精度，降低了控制复杂程度。本文采用光纤隔离驱动每个开关管，信号抗干扰性强。同时系统可拓展性高，在保证满足基本控制策略基础上，采用改进型控制时序，控制存在结电容电压的开关管快速泄放电荷，在阻性负载和容性负载都能得到预期波形。本文搭建的高压多电平发生器样机，由5个主储能电容能实现最大输出11级双极性脉冲电压，输出波形合理，幅值、脉宽和频率皆可调。其最大输出幅值为±2 kV，测试频率可达2 kHz，且输出性能不受负载改变而的影响，应用范围更广，为以后开展高压多电平发生器的研究提供基础。
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图 9 各级电平对应开关管改进时序图
Figure 9. Modified sequence diagram of switches corresponding to different levels
图 11 1 kHz和2 kHz下5 kΩ阻性负载波形
Figure 11. 5 kΩ resistive load waveform at 1 kHz and 2 kHz
图 14 1 kHz和2 kHz下430 pF容性负载波形
Figure 14. 430 pF capacitive load waveform at 1 kHz and 2 kHz
图 15 不同容值负载工作在1 kHz波形
Figure 15. Different capacitive resistance values loads waveforms at 1 kHz
表 1 输出脉冲在相同电平时所用开关管数量对比(包括0电平)
Table 1. Contrast the number of switches used for output pulse at the same levels (including 0 level)
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[1] Li Zi, Liu Hao, Jiang Song, et al. A novel drive circuit with overcurrent protection for solid state pulse generators[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(2): 361-366. doi: 10.1109/TDEI.2018.007701 [2] 饶俊峰, 李成建, 李孜, 等. 全固态高重频高压脉冲电源[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31: 035001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190005Rao Junfeng, Li Chengjian, Li Zi, et al. All solid state high repetition frequency high voltage pulse power supply. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 035001 doi: 10.11884/HPLPB201931.190005 [3] 饶俊峰, 章薇, 李孜, 等. 雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 095002. doi: 10.11884/HPLPB201830.180103Rao Junfeng, Zhang Wei, Li Zi, et al. Avalanche transistor series nanosecond pulse generator. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 095002 doi: 10.11884/HPLPB201830.180103 [4] 李戈琦, 庞磊, 孙玮, 等. 采用正负半桥子模块级联拓扑的高压多电平波形发生器[J]. 电网技术, 2018, 42(11): 3820-3826. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DWJS201811047.htmLi Geqi, Pang Lei, Sun Wei, et al. High voltage multilevel waveform generator using cascaded topology of positive and negative half-bridge submodules. Power System Technology, 2018, 42(11): 3820-3826 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DWJS201811047.htm [5] Elgenedy M A, Darwish A, Ahmed S, et al. A transition arm modular multilevel universal pulse-waveform generator for electroporation applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(12): 8979-8991. doi: 10.1109/TPEL.2017.2653243 [6] Dragonas F A, Grandi G, Neretti G. High-voltage high-frequency arbitrary waveform multilevel generator for dielectric barrier discharge[C]//IEEE International Symposium on Power Electronics. 2014. [7] Hirmer K, Schuster P, Keil F, et al. Low-cost high-voltage arbitrary waveform generator for broad lifetime measurements of electroluminescent devices[C]//IEEE 2nd Annual Southern Power Electronics Conference (SPEC). 2016. [8] Gumley J R, D'Alessandro F, Kossmann C J, et al. A new, high voltage, arbitrary waveform generator for lightning protection research and other applications[C]//11th International Symposium on High Voltage Engineering. 1999. [9] Berners D P, Reginato L L. Arbitrary waveform generator for electrostatic dipoles in a heavy ion recirculator[C]//IEEE Particle Accelerator Conference. 1997. [10] 丁凯, 邹云屏, 王展, 等. 一种适用于高压大功率的新型混合二极管钳位级联多电平变换器[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(9): 66-71. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGDC200409011.htmDing Kai, Zou Yunping, Wang Zhan, et al. A novel hybrid diode-clamped cascaded multilevel converter for high voltage and high power. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(9): 66-71 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGDC200409011.htm [11] Babaei E, Hosseini S H. New multilevel converter topology with minimum number of gate driver circuits[C]//IEEE International Symposium on Power Electronics. 2008. [12] Rocha L L, Silva J F, Redondo L M. Multilevel high-voltage pulse generation based on a new modular solid-state switch[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(10): 2956-2961. doi: 10.1109/TPS.2013.2296141 [13] Redondo L M, Canacsinh H. Bipolar solid state arbitrary-waveform Marx generator for capacitive loads[C]//IEEE Pulsed Power Conference. 2011. [14] 葛劲伟, 姜松, 饶俊峰, 等. 全固态高压双极性方波脉冲叠加器的研制[J]. 高电压技术, 2019, 45(4): 1305-1312. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDYJ201904038.htmGe Jinwei, Jiang Song, Rao Junfeng, et al. Development of all solid state high voltage bipolar square wave pulse adder. High Voltage Engineering, 2019, 45(4): 1305-1312 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDYJ201904038.htm [15] Zhou Qianyu, Tong Liqing, Liu Kefu. Research of magnetic self-balance used in a repetitive high voltage rectangular waveform pulse adder[J]. Plasma Science Technology, 2018, 20(1): 51-57. 期刊类型引用(5)
1. 杜辉，周英怀，唐维斌，邓长春，李刚. 磁控管双能固态调制器研制. 强激光与粒子束. 2025(02): 162-167 . 
本站查看2. 李玉山，钱伟刚，滕甲训，孙孝峰. 新型全固态模块化多电平特种高压电源优化设计. 强激光与粒子束. 2024(02): 46-53 . 本站查看3. 陈磊，李国超，张戈，朱才会，邱剑，赵晖，刘克富. 高频纳秒脉冲调制器的分立磁耦合驱动器设计. 强激光与粒子束. 2024(05): 38-45 . 本站查看4. 刘向前，陈盈，彭梓皇，李柳霞，贺恒鑫. 分布式全固态波形可调高压脉冲发生器研制. 强激光与粒子束. 2024(10): 86-94 . 本站查看5. 吴忠航，石浩志，姜松，饶俊峰. 用于细胞电穿孔的双极性脉冲发生器的研制. 核技术. 2021(10): 19-24 . 百度学术其他类型引用(1)
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