重庆大学电磁脉冲技术及应用研究团队：基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源研制

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脉冲功率技术在民用领域应用愈发火热，近年来已被广泛应用于生物医学肿瘤消融、食品工业杀菌处理及等离子体材料改性等各个方向。针对上述领域双极性高压脉冲源的应用需求，本研究提出了一种基于磁隔离驱动型的双极性Marx脉冲源，从电路原理、仿真分析到样机研制与实验证明了脉冲源的输出性能可满足目前脉冲功率技术的热点应用。

研究背景

面向食品工业杀菌领域，相较于传统的热处理、紫外线照射、化学处理等方法，高压脉冲电场的非热杀菌方法因其无显著温升、处理时间短、杀菌效果好等优势受到广泛关注。杀菌的主要机理是高脉冲电场诱导食品中的微生物发生不可逆穿孔而死亡。高压脉冲电源作为脉冲电场发生的核心设备，其参数性能直接影响到最终的杀菌效果。

研究表明，除脉冲电场强度和作用时间外，双极性脉冲产生的交变应力使得细胞膜的结构疲劳，细胞膜的通透性提高，灭菌效果有效提升。其次，在食品杀菌处理过程中，高压电极往往采用金属电极。在与液态食品接触时，单一极性的脉冲输出容易发生电极腐蚀进而引发食品安全问题。相较于单极性脉冲，双极性脉冲通过极性切换，可有效抑制电极腐蚀，保障食品安全。

论文所解决的问题及意义

针对液态食品消杀灭菌等方向的高幅值双极性脉冲电源装置需求，基于磁隔离驱动技术和Marx电路原理，研制了新型磁隔离驱动双极性脉冲源，解决了脉冲发生电路固态开关的高电位悬浮隔离驱动难题。相较于传统的全固态双极性脉冲源，降低了驱动单元及固态开关等元件的使用数量，减少了装置设计复杂度与成本，提升了脉冲源的输出能力与运行可靠性，便于开展工业推广与应用。

论文方法及创新点

本文针对脉冲功率技术在食品杀菌处理等领域的双极性高电压应用需求，设计了一种基于磁隔离驱动的全固态双极性Marx脉冲源。该双极性脉冲源主电路采用双Marx型电路拓扑。驱动电路采用磁心传递控制信号，利用磁心堆叠和次级绕组反并联方式，使得系统仅需两路驱动信号即可实现双Marx主电路拓扑中四种开关的协同控制。

磁隔离驱动型双极性Marx脉冲源相较于目前普遍采用的光电隔离驱动型脉冲源，避免了隔离DC-DC电源模块等器件的引入，极大增加了固态开关的隔离驱动能力，使得装置的最终输出电压等级进一步提升。

图1 实验测试平台

图2 单级Marx硬件

结论

针对传统双极性脉冲源输出受隔离驱动的限制，难以实现高幅值输出的难题，研制了基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源，得出以下结论：

1）设计了针对双极性脉冲源的磁隔离驱动电路，该驱动电路采用磁心堆叠和二次侧绕组反并联方式方式，仅需两路驱动信号即可实现对双极性Marx脉冲源开关的分别控制，大大减少了驱动信号数量，缩小了驱动系统的体积。开关触发的同步性良好，脉冲源输出幅值及可靠性大幅提升。

2）开展了磁隔离驱动型双极性脉冲源的仿真，验证了所提拓扑的可靠性，为脉冲源的样机研制奠定基础。

3）研制了一台20级的双极性Marx脉冲源，该脉冲源输出电压0~±20kV，脉冲宽度3~10μs，最大输出频率200Hz，正负脉冲间隔灵活可调。脉冲源采用模块化设计，其输出幅值、脉冲宽度可分别通过模块叠加和增大储能电容值等方式实现更高参数要求。

团队介绍

重庆大学电磁脉冲技术及应用研究团队是依托重庆大学电气工程学院高电压与绝缘技术国家重点学科，以输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室、重庆金凤实验室以及重庆市极端电磁脉冲生物效应技术创新技术中心为支撑的教学科研团队。团队围绕电磁脉冲能量产生变换与应用，从特种半导体器件、高重频脉冲功率装备和产业应用三个层面，开展理论研究、技术攻关和工程样机研发，致力于成为新一代脉冲功率技术与高端装备的核心理念开拓者、科学技术的引领者、标准与应用的践行者。

目前团队包括教授1人、副教授2人、博士后1人、博士研究生11人，硕士研究生36人。迄今培养毕业博士研究生20余人、硕士研究生60余人。已发表高质量论文200余篇，授权专利50余项；近5年来，承担国家自然科学基金重点项目/重点仪器专项/面上项目/青年项目、国家重点研发计划重大仪器专项课题、ZB预研基金等国家级科研项目10余项。

董守龙

副教授，博士生导师。研究方向：脉冲功率技术、脉冲功率技术生物医学应用、电力电子开关及脉冲电源技术、电力系统设备在线监测。

姚陈果

教授，博士生导师。研究方向：生物医学中的电工新技术及其诊疗装备、高重频全固态脉冲功率技术及应用、高频脉冲工况下的绝缘特性及新材料制备。

本工作成果发表在2023年第8期《电工技术学报》，论文标题为“基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源研制”。本课题得到国家自然科学基金青年科学基金项目、重庆市自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费和重庆市高等教育教学改革研究项目的支持。

引用本文

董守龙, 周晓宇, 余亮, 刘鑫, 姚陈果. 基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源研制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(8): 2015-2024. Dong Shoulong, Zhou Xiaoyu, Yu Liang, Liu Xin, Yao Chenguo. The Development of Bipolar Marx Pulse Generator Based on Magnetic Isolated Driver. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(8): 2015-2024.

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