高压脉冲发生器可用于产生低温等离子体、脉冲电场^[1]、高功率微波^[2]、冲击波^[3]等。因此，输出参数可调的固态脉冲电源被广泛应用于生物医学^[4]、材料加工^[5]、污染控制^[6]等领域。许多应用都对脉冲发生器的小型化和便携性提出了要求^[7-8]。在众多脉冲发生器中，具有可调脉宽和重复频率的全固态Marx发生器是许多应用的首选^[9-10]。Marx发生器的基本原理是电容器的并联充电和级联放电^[11]，可轻松在不同负载上产生高压脉冲。全固态方波Marx发生器主要由直流充电电源、多级主电路和同步驱动电路组成。全固态Marx发生器具有寿命长、频率高和输出灵活可调^[12-13]等优点，目前Marx发生器正朝着小型化和模块化的方向发展。Matsukawa R等^[14]利用反激原理和同轴电缆Blumlein线将传统微秒脉冲电路和纳秒脉冲形成线的体积极大地缩小，但电源的最终体积仍然较大。Bae J S等^[15]通过优化PCB布局，设计了一种结构紧凑的Marx发生器，并提出了一种基于反激电路的非常紧凑的同步驱动器。这种10 kV全固态Marx发生器宽115 mm、长50 mm、高110 mm。庄龙宇等^[16]利用LC谐振对Marx主电容充电，提高了电容的充电电压，LC-Marx发生器所需的开关数量减半，简化了电路，节省了电源成本。但输出脉冲的上升沿相对较慢，电源效率较低。在大多数全固态Marx发生器中，充电开关和放电开关需要两个驱动电路分别进行驱动。为了进一步减小全固态Marx发生器的尺寸，提出了一种新的拓扑结构，即充电开关和放电开关可以共享相同的驱动信号^[17]。在这种新型固态方波Marx发生器中，P沟道MOSFET被用作充电开关。利用N沟道 MOSFET和P沟道MOSFET的导通特性相反的特点，将两种开关的栅极和源极分别短路，这意味着两个开关共享相同的栅-源电压V_gs。当V_gs正压足够高时，N沟道MOSFET接通，P沟道MOSFET关断；当V_gs负压足够高时，P沟道MOSFET接通，N沟道MOSFET关断。与串芯磁环磁隔离同步驱动电路相结合，只需一个双极性信号即可驱动所有开关。这种10 kV的固态方波Marx发生器宽20 cm、长13 cm、高5 cm。其缺点是商用P沟道MOSFET的漏极-源极耐压通常不高于500 V，这大大限制了最大电压幅值，并增大了脉冲发生器的尺寸。根据文献[17]中Marx发生器的优缺点，本文提出的新型小型全固态方波Marx发生器的充电开关和放电开关均使用耐压更高的N沟道MOSFET，并采用表面贴装的封装减小电源体积。因此，电源的工作电压可以提高，体积可以进一步缩小。

1.   小型化全固态Marx发生器结构

图1为提出的小型Marx发生器结构框图。主要由直流电源、控制电路、驱动电路和Marx电路组成。其中，直流电源在转换成不同的电压等级后为所有电路供电。控制电路产生所需的信号，并将其传输给栅极驱动器。然后通过半桥电路产生双极驱动信号，并将其隔离后传输至Marx电路。当充电开关导通、放电开关关断时，Marx电路中的储能电容器通过DC/DC转换器充电；当充电开关关断、放电开关导通时，储能电容器向负载放电。

图  1  提出的小型Marx发生器结构框图

Figure  1.  Block diagram of the proposed miniaturized Marx generator

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1.1   小型全固态方波Marx发生器的主电路

图2为典型的固态方波Marx发生器（solid-state Marx generator, SSMG）电路原理图。蓝色箭头线表示充电开关导通时电容并联充电的回路。同时，所有处于导通状态的充电开关S_ci会形成一个与负载并联的低阻抗支路，绿色箭头线表示该支路，这一环路可加速释放存储在电容性负载中的剩余电荷，从而产生具有快速后沿的方波脉冲。红色箭头线表示放电回路，当放电开关导通时，所有电容通过该回路对负载进行串联放电，并产生高压脉冲。为了缩小全固态方波Marx发生器的尺寸，所有元件均采用表面贴装封装。充分利用印刷电路板的两层来缩小尺寸。

图  2  固态Marx发生器的充电、放电和截尾回路示意图

Figure  2.  Schematic circuit of the solid-state Marx generator (SSMG) with charging, discharging and tail-cutting loops

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1.2   小型全固态方波Marx发生器的驱动电路

固态Marx发生器要求驱动电路具有良好的同步性、高压绝缘性和电磁兼容性。本文采用了初级绕组串联的磁隔离驱动方法，如图3所示。从次级侧可以看出，两个N沟道MOSFET共用一个栅极驱动器。以磁隔离驱动电路的第一个模块为例，放电开关S_d1的源极与充电开关S_c1的源极相连，两个开关的栅极分别与驱动电路的两端相连。原边控制电路产生的双极性驱动信号会在磁环的副边感应出双极性的电压脉冲。感应双极性电压脉冲可依次导通或断开S_c1和S_d1。

图  3  磁隔离驱动电路示意图

Figure  3.  Schematic of magnetic isolated drive circuit

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图4为放电开关的导通示意图。一个施加到初级绕组上的正压导通信号，在次级侧感应出一个正脉冲电压，开关管S_1-1的体二极管D_1-1和开关管S_1-2承受正压而导通。同时，感应正脉冲通过D_1-1和S_1-2向并联在两个栅极的电容C_p充电。两个开关的门极电容经过分压后，放电开关S_d1的栅-源极承受正压导通，充电开关的栅-源极承受负压关断。此时，Marx电路中的电容串联向负载放电。当导通信号结束时，开关管S_1-2关断，电容C_p由于没有泄放回路而维持电压基本不变，S_d1保持导通，直到关断信号到来。

图  4  放电开关导通示意图

Figure  4.  Schematic diagram of turning on of discharging switches

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图5为充电开关导通示意图。当向初级绕组施加负压关断信号时，感应负脉冲电压将D_1-2和S_1-1导通。并将电容器C_p充电至上负下正的电压，放电开关S_d1的栅-源电压迅速下降，直到S_d1关断。同时，充电开关S_c1的栅-源电压变为正值并导通。此时Marx电路中所有电容器进行充电，并通过截尾回路加快输出脉冲的下降沿。

图  5  充电开关驱动信号示意图

Figure  5.  Schematic diagram of driving signal of charging switches

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2.   实验结果与分析

为了验证所提出的小型全固态方波Marx发生器的可行性，制作了一台14级Marx发生器试验样机。如图6所示，小型全固态方波Marx发生器的总质量为314 g，尺寸为宽15 cm、长8 cm、高5 cm。驱动信号所用的磁环变压器的初级绕组串联在上部印刷电路板的背面。电压幅度和脉冲宽度可连续调节。

图  6  14级小型全固态方波Marx发生器实物图

Figure  6.  Image of the 14-stage miniaturized all-solid-state square wave Marx generator

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图7为充电开关和放电开关的栅-源极电压波形。可以看出，源极短路的两个开关通过分压产生了相反的驱动电压。放电开关上的V_gs电压幅值为15 V，而充电开关上的V_gs电压幅值为−15 V。通过同时测量充-放电管的栅-源极电压波形，验证了使用同一个双极性驱动信号同时控制两个开关的可行性。

图  7  充电开关和放电开关上的栅极电压波形图

Figure  7.  Waveforms of gate voltage across charging and discharging switches

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图8为在重复频率为1 kHz时、脉冲宽度设置为2 μs、在1 kΩ电阻负载上产生的电压波形。充电电压从150 V调整到740 V，输出电压幅值V_p从2 kV变化到10 kV。随着输出脉冲电压幅值的增加，脉冲边沿也略有增加。当输出电压从2 kV增加到10 kV时，输出脉冲的上升沿从8.5 ns增加到26.5 ns，下降沿从8.5 ns增加到20 ns。图9为重复频率为1 kHz、输出电压幅值为10 kV时的不同脉冲宽度T_w的电压波形图。脉冲宽度从200 ns到5 μs连续可调。

图  8  脉冲宽度为2 μs时的不同电压波形

Figure  8.  Waveforms of different voltages under the pulse width of 2 μs

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图  9  不同脉冲宽度下的10 kV电压波形

Figure  9.  10 kV voltage waveform with different pulse widths

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图10为空载时10 kHz重频下的脉冲波形，输出电压幅值为10 kV。表明所提出的小型化全固态方波Marx发生器可以在高频下稳定工作。

图  10  在10 kHz重频下的10 kV脉冲电压波形

Figure  10.  Voltage waveform of 10 kV pulses at 10 kHz

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此外还进行了介质阻挡放电（DBD）实验。实验所用DBD反应器为板-板结构，放电介质为1 mm的氧化铝介质板，介质板与金属正极之间的气隙为1.5 mm。所用实验装置的结构和等效电路如图11（a）所示，C_g和C_d分别表示气隙和介质层的等效电容，采用电流源I_g(t)表示DBD气隙中的传导放电电流；图11（b）为小型化全固态Marx发生器驱动DBD实验系统连接示意图，高压探头和电流环测得的电压、电流波形如图12所示。

图  11  介质阻挡放电(DBD)装置及实验系统示意图

Figure  11.  Schematic diagram of dielectric barrier discharge (DBD) device and experimental system

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图13为小型全固态方波Marx发生器在重复频率1 kHz、脉冲宽度为500 ns、电压幅值为10 kV时驱动的DBD图像，可以看出放电强烈且均匀。从图12对应的脉冲电压和电流波形图可以看出，脉冲的电压幅值为10 kV，脉冲上升沿为33.5 ns，脉冲下降沿为33 ns。脉冲前沿对应的正向电流峰值为36.5A，脉冲后沿对应的负向电流峰值为35 A。正是由于方波脉冲具有非常快速的前后沿，从而在一个脉冲下可激发两次DBD放电，充分利用了介质层积累的残余电荷^[18-19]，提高了放电效率，而500 ns的窄脉宽也有利于促进放电的均匀性^[20]。

图  12  介质阻挡层放电的电压和电流波形

Figure  12.  Voltage and current waveforms of dielectric barrier discharge

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图  13  小型全固态方波Marx发生器驱动的DBD图像

Figure  13.  Image of DBD excited by the miniaturized all-solid-state square wave Marx generator

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3.   结　论

本文提出了一种紧凑型磁隔离同步驱动电路，通过短接相邻级充电开关和放电开关的源极，将两个开关的栅极分别连接到双极性驱动信号的两端，以共享同一个驱动信号，可以用一个双极性脉冲信号同时控制两个开关处于交替导通的工作状态。根据该方案研制了一台14级小型化全固态方波Marx发生器样机，其尺寸为宽15 cm、长8 cm、高5 cm，整套电源总质量仅314 g，非常小巧轻便。实验表明，该原理样机可输出电压幅度高达10 kV的脉冲，样机带1 kΩ阻性负载时，当输出电压从2 kV增加到10 kV时，输出脉冲的上升沿从8.5 ns增加到26.5 ns，下降沿从8.5 ns增加到20 ns；样机驱动气隙为1.5 mm、介质层厚度1 mm的DBD在10 kV电压下的放电脉冲上升沿为33.5 ns，脉冲下降沿为33 ns。宽度可在200～5 μs之间连续调节，重复频率为1～10 kHz。且在阻性负载和介质阻挡放电等容性负载上均可产生具有快速前沿的方波脉冲。本文提出的紧凑型磁隔离同步驱动电路只需要一个双极性信号就能驱动方波Marx发生器中所有的充放电开关，并且由于栅极驱动器具有自维持功能，脉冲宽度不受磁饱和的限制。这种驱动电路大大简化了Marx发生器的驱动电路，有利于实现全固态方波Marx发生器的小型化。