基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

董守龙姚陈果杨 楠,2赵亚军王昌金

（1. 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 400030 2. 国网江苏省电力公司检修分公司南京运维分部 南京 210008）

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

董守龙1姚陈果1杨 楠1,2赵亚军1王昌金1

（1. 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 400030 2. 国网江苏省电力公司检修分公司南京运维分部 南京 210008）

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中，纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成，主电路为10级模块化设计的Marx电路，使用MOSFET作为主开关和尾切开关；控制电路产生同步触发脉冲信号，通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为：幅值0～8kV可调，脉宽100～1 000ns，重复频率1Hz～1kHz，上升沿30ns左右，下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体，其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台，并能够产生稳定的等离子体，为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。

大气压等离子体射流 脉冲功率 全固态 纳秒脉冲发生器 Marx 尾切开关

0 引言

由于非平衡大气压等离子体射流装置能够在开放空间、而不是如传统放电仅在放电间隙内产生等离子体[1-3]，这个显著优点使得大气压非平衡等离子射流在生物医学应用[4-7]、材料改性[8-12]、空气净化、食品灭菌等领域有着良好的应用前景，引起了国内外学者的广泛关注。用于产生大气压非平衡等离子体射流的激励电源是等离子体射流装置的一个重要组成部分，目前主要的激励电源有直流电源[13]、交流电源、射频装置、微波电源等[14]。采用直流电源产生等离子体需要串联几十欧的电阻进行限流，从而防止电弧放电，但是这样会消耗大量的功率；射频电源使用时需先将电极冷却，以防止局部过热而将等离子体蒸发。因此，如何设计出一种具有射流长度长、化学活性粒子种类和数量多、温度低、操作容易、击穿电压低、功率消耗小、放电稳定和结构简单等特点的大气压低温等离子体射流源，一直是学者研究的目标，也是工业应用领域的重要方向。

近几年，人们开始利用亚微秒或纳秒脉冲电源产生低温等离子体射流。与其他几种激励源不同的是，脉冲发生器可以产生很高的瞬时功率和较低的平均功率，这有利于对等离子体的产生进行控制。同时，由于脉冲电压的上升时间非常快从而可以获得更高的电子密度、产生更强的化学活性物质[15]。因此，脉冲电源被认为是一种高效的、有广泛前景等离子体激励源，已有许多研究学者对脉冲驱动产生等离子体的特性进行了研究。章程等[16-18]设计了紧凑型高频微秒脉冲用于产生大气压等离子体并对脉冲参数与等离子体射流长度等参数进行了研究；J. L. Walsh等[19,20]对脉冲源和交流正弦驱动产生等离子体射流分别进行了实验，研究了纳秒脉冲电压幅值对大气压介质阻挡放电的影响；卢新培等[21]研究了脉冲宽度（100ns～200μs）对等离子体射流长度的影响，结果表明等离子体射流长度随着脉冲宽度的增加而增加，脉冲宽度超过4μs时等离子体长度最大；E. Karakas等[22]使用能产生脉宽2μs、重复频率5kHz的纳秒脉冲源研究了等离子体射流的发展过程并对射流电流进行了测量；F. Iza等[23]通过建立计算机仿真模型对脉冲产生大气压等离子体进行研究，通过实验对比发现，脉冲电压的升高将使等离子体放电更迅速，并且可通过调节脉冲的形状控制等离子体的化学成分。

大气压低温等离子体射流具有诸多技术优势，例如产生于开放的空气环境中、高化学特性、气体温度低等，因此其非常适合于需要低温处理的领域，这也对脉冲激励源提出了新的要求。随着脉冲功率技术和电力电子技术的发展和潜在应用，基于全固态半导体开关的多种高压脉冲发生器被研制出来，如Marx发生器[24-28]、LTD[29]等。这些脉冲发生器所采用的半导体开关（如IGBT、MOSFET等）具有很好的可控性，而且使用寿命长、工作频率高[30-32]，因此对于研究脉冲参数与等离子体特性之间的关系，提供了很好的硬件平台。根据卢新培等[33]的研究，高压脉冲波形拥有较快的下降沿，其二次放电会更加明显。因此，设计一款具有较快脉冲上升沿和下降沿全固态脉冲发生器将极大地促进等离子体的应用。

大气压低温等离子体射流装置结构主要包括介质阻挡等离子体射流、类似介质阻挡等离子体射流及非介质阻挡等离子体射流等结构。目前研究人员也设计研制出多种不同结构的等离子体射流装置，并对产生的射流特性及其应用进行了深入的研究。其中针-环形的介质阻挡放电结构较为简单，可混入不同气体产生等离子体射流，并根据研究目的而改变射流的化学特性。

本文研制了一套纳秒脉冲等离子体射流发生装置，它由基于Marx原理且带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中纳秒脉冲发生器作为激励源，是一台独立可控的高稳定度的全固态脉冲发生器，可输出的脉冲参数为脉冲幅值0～8kV连续可调，脉冲宽度100～1 000ns，重复频率1Hz～1kHz，上升沿30ns左右，下降沿小于50ns。射流装置为针-环形的介质阻挡放电结构，采用石英玻璃作为绝缘介质，使用直径1.5mm黄铜棒作为高压电极，铜箔作为地电极，工作气体为氩气。实验结果表明，该装置能产生稳定的大气压等离子体射流，为进一步研究大气压等离子射流在各个领域的应用奠定了基础。

1 纳秒脉冲发生器设计

1.1 基本工作原理

基于Marx原理且带有尾切开关的纳秒脉冲发生器的基本电路如图1a所示，该发生器共有10级模块组成，每级结构完全相同，这使得增减和更换电路级数变得十分简便。其中VD1～VD10为快恢复高压二极管；S1～S10为半导体开关，是电路主开关；S11～S20同样也为半导体开关，作为尾切开关；C1～C10为电路的储能电容；Rload为负载电阻。

图1 带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器基本工作原理Fig.1 Basic structure and principle of nanosecond-pulse generator

该全固态纳秒脉冲发生器的工作过程如下：

（1）并联充电过程如图1b所示，用浅色表示各级主开关S1～S10处于可控关断状态，而各级尾切开关S11～S20处于导通状态，高压直流电源通过充电电阻R1和二极管VD1～VD10对主电容C1～C10充电，每一级上电容电压与高压直流电源输出电压相等，即Vin=VC1=VC2=VC3=…=VC10。

（2）串联放电过程。当并联充电过程结束后，控制各级主开关S1～S10导通，各级尾切开关S11～S20关断，二极管VD1～VD10因反向偏置而截止，各级电容与主开关形成串联回路对负载电阻放电，如图1c所示，此时会在负载上形成10Vin的正脉冲。

（3）尾切开关工作。在实际电路中，由于电路级数较多回路较长，不可避免地会有大量杂散电容和电感参数存在，这些杂散参数会对负载输出波形的下降沿产生非常大的影响，尤其是当负载为容性负载时，往往导致负载波形的下降沿大大增加（甚至达到μs级），这显然不利于射流装置中等离子射流的产生，因此需要一组尾切开关为电路中的杂散电容提供一个快速的放电回路，从而使负载上电压波形的下降沿大大缩短。尾切开关的工作过程如图1d所示，10级电路中的杂散电容参数往往能达到上百pF，当电路中各级主开关关断，触发原本关断的各级尾切开关导通，此时尾切开关给杂散电容提供了一个低阻抗的回路从而快速放电，这大大缩短了负载输出波形的下降沿。

1.2 参数选择

设计电路输出脉冲幅值Vm=8kV，各级开通时电路中最大瞬时电流Im=8kV/300Ω≈26.7A，因此本文选用的半导体开关是CREE公司生产的C2M0080120D碳化硅MOSFET，其最高工作电压1 200V，能够承受的最大脉冲电流80A，上升时间和下降时间分别是20ns和19ns。实验过程为保证发生器安全可靠运行，每个模块工作电压最大为800V，选用的快恢复二极管为IXYS公司生产的DES6012A，反向击穿电压1 200V，长期导通额定电流100A，恢复时间为40ns。

发生器使用的直流电源选取中国天津东文生产的DW-P351-40F74，输出电压为直流且0～1 000V可调，输出电流最大值100mA。且具有短路、过载保护功能。

固态Marx电路中的电容起能量存储和传输的作用，对电容的选取主要考虑其耐压值和电容值两方面因素。储能电容的耐压值应该大于每一级MOSFET开关器件工作电压来选取，因此储能电容的耐压值应该选择1 200V以上。同时根据设计需求，在最大脉冲宽度和频率下允许输出方波脉冲有10%的电压降落，储能电容器的电容值需要满足

式中，CN为等效串联电容；C为每一级模块的电容量；τ为最大脉冲宽度；Vo为输出脉冲电压幅值；ΔVd为输出脉冲电压允许降落幅值；Rload为负载电阻；N为开关单元的级数。根据式（1）计算得到每个储能电容器的电容值不得小于0.33μF，在留有一定裕度的情况下，本文选用Rock公司生产的1μF、工作电压为1 200V的电容器作为Marx电路的各级主电容。

1.3 同步触发控制信号设计

控制信号通过控制各级MOSFET的开通或关断来改变电路中电容连接方式，从而在负载上产生所需要的纳秒脉冲。控制信号、驱动电路和固态器件三者之间的关系如图2所示。触发控制电路产生两路互补TTL方波脉冲控制信号，一路用来控制各级主开关，另一路用来控制各尾切开关工作。触发控制电路输出控制信号后，经光纤隔离传输又转换成为电信号传送至各级驱动电路。

图2 控制电路总体原理框图Fig.2 Overall principle diagram of control circuit

纳秒脉冲发生器中放电主开关S1～S10和尾切开关S11～S20的控制信号时序及负载输出电压波形如图3所示。图3中，在放电主开关关断和尾切开关导通之前需要设置一个较短的死区时间Td，这是为了避免电路主开关和尾切开关同时导通而形成短路，死区时间Td通常设置为20ns以上。尾切开关导通后，可获取快速的下降沿。

图3 控制信号及输出波形时序图Fig.3 Control signals and output waveform sequence diagram

2 脉冲发生器仿真分析及性能测试

2.1 Pspice仿真分析

为验证带尾切的纳秒脉冲发生器工作原理，本文在Pspice电路仿真软件中分别建立如图4所示的传统的固态Marx的仿真电路和如图5所示带有尾切开关的全固态Marx仿真电路。仿真电路中使用的主开关为根据C2M0080120D参数表采用描点法自建MOSFET模型，以便于更加真实地模拟该型号MOSFET的工作情况。

图4 理想开关状态下固态Marx发生器电路仿真模型Fig.4 Solid state Marx circuit model with ideal switches

图5 带有尾切开关的全固态Marx电路仿真模型Fig.5 Solid state Marx circuit model with chopping switches

脉冲发生器主电路共有10级，每级储能电容设为1μF，充电电压为1kV，负载为300Ω纯电阻负载。MOSFET的驱动信号电压幅值15V，脉宽300ns，频率1kHz。

两种拓扑结构的Marx发生器仿真输出波形如图6所示，在工作条件相同的情况下，带有尾切开关的Marx电路的输出波形的下降沿相比于传统Marx电路更快，输出脉冲的下降时间从原来的70ns缩短至30ns以内。仿真结果充分说明带有尾切开关的Marx电路用于产生快速下降沿的脉冲具有很好的效果。

图6 传统固态Marx电路和带有尾切开关的固态Marx电路单脉冲输出波形的比较Fig.6 The comparison between solid state Marx circuit model and solid state Marx circuit with chopping switches

负载特性对输出波形会产生一定影响，当负载为介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）装置时，也相当于在负载两端并联杂散电容，这会导致负载输出波形的下降沿变得很长，不利于二次放电产生纳秒脉冲等离子体射流。为了研究负载两端电容对输出波形的影响，对不同负载两端间电容CK（0、20、50、100和200pF）下的固态Marx电路进行仿真，仿真结果如图7所示。从图中分析可知，负载两端间电容CK对输出脉冲的上升沿都有一定程度的变缓作用，且脉冲下降时间显著增加，但是由于尾切开关的存在，负载电压下降时间依然能够保证在50ns以内。

图7 负载两端间不同杂散电容下输出电压波形Fig.7 Output voltage waveforms with different stray capacitance between two terminals of load

2.2 脉冲发生器性能测试

为了验证上述的理论及仿真，本实验研发了由FPGA控制的10级模块化带尾切开关纳秒脉冲发生器，如图8所示。每一级模块均包括储能电容、主开关、尾切开关及相应的驱动电路，各级之间用铜柱固定并导电，使得模块的增减十分灵活。

实验中采用美国Tektronix公司的示波器DPO4054、P6139B和P6015A探头进行负载电压测量，采用美国Pearson公司的6600型电流传感器测量负载端电流，负载电阻为300Ω无感电阻。

图8 纳秒脉冲发生器主电路实物Fig.8 Prototype of nanosecond-pulse power generator

FPGA输出触发脉冲信号控制Marx电路中主开关和尾切开关的导通和关断，通过控制触发信号的脉冲宽度、重复频率及脉冲个数来控制纳秒脉冲发生器的输出波形。触发信号经过光电隔离后传输到各级MOSFET的驱动电路，当FPGA输出主开关触发脉冲信号的脉宽为300ns，频率1kHz时，每级电路板上主开关和尾切开关的驱动波形如图9所示。

图9 MOSFET的栅极驱动电压波形Fig.9 The gate driving voltage waveforms of MOSFET

从图9a中可知，主开关和尾切开关的驱动波形的上升沿和下降沿（10%～90%）均保持在30ns以内，其中主开关驱动波形的脉冲宽度为300ns，尾切开关驱动信号的脉冲宽度略大于主开关约为360ns。死区时间的设置是为了防止开关直通发生短路故障，但是死区时间过大又会导致尾切开关的作用不理想。因此，本文根据MOSFET器件本身和驱动电路特性，设置死区时间为30ns。图9b所示为主开关驱动波形下降沿和尾切开关的驱动波形上升沿之间死区时间放大图。

为了验证尾切开关的作用效果，通过FPGA控制调节主开关关断和尾切开关导通之间的死区时间来观察尾切开关对输出波形负载下降沿的影响。图10和图11所示分别为电压幅值8kV、重复频率1kHz、脉冲宽度600ns，负载电阻为300Ω时的死区时间为50ns和30ns的输出电压波形。

图10 死区时间为50ns时输出波形Fig.10 The voltage waveform with dead-time 50ns

死区时间设置为50ns时尾切效果不明显，输出脉冲波形的下降沿超过50ns，且呈现明显的阶梯式下降。若尾切开关导通与主开关关断的时间间隔合适时，即将死区时间调整到30ns，如图11尾切开关正常工作，输出脉冲波形的下降沿会大大减少，降低到30ns以内。

当高压直流电源输出的充电电压为850V时，300Ω电阻负载上的电压、电流输出波形如图12所示。脉冲发生器输出的纳秒方波脉冲上升沿和下降沿均在30ns以内（10%～90%），脉冲电压幅值达到8.2kV，脉冲半峰值脉宽为600ns，脉冲电流幅值28A。从结果可以看出，脉冲波头和波尾有一定程度的振荡，这是由于随着电路级数的增加，电路中的杂散电容和电感随之增加，使负载电压波形出现一定的振荡，但振荡波形相对于输出电压较小，没有引起输出电压波形出现较大畸变。

图12 发生器输出电压、电流波形Fig.12 The output voltage and current waveforms of nanosecond generator

对比仿真与实验，可以看出，实际脉冲发生器输出的波形与仿真波形基本一致，但是仍存在轻微振荡，这是由于实际电路中包含的多种杂散参数，如回路电感、对地电容等均会对负载波形产生一定影响。

图13为设定脉宽300ns，重复频率1kHz不变，高压直流电源输出不同充电电压时发生器装置的输出电压波形。随着输出脉冲电压的提高，流过放电回路的电流增大，从而导致波形的振荡有一定程度的增加。

图13 不同充电电压下的输出电压波形Fig.13 The output voltage waveforms with charging voltage variable

不同脉宽条件下发生器装置输出的电压波形如图14所示，设置直流电源充电电压为650V、重复频率1kHz时，输出脉冲的宽度可从200ns到1 000ns连续可调，并保持很好的输出波形。

图14 不同脉宽下的输出电压波形Fig.14 Output voltage waveforms with width variable

图15为设定充电电压450V、脉宽300ns、重复频率1kHz时，发生器装置输出到负载电阻上的电压波形。从图中可以看出，在重复输出脉冲的情况下，发生器装置工作频率与设定值吻合，并且输出脉冲的一致性较好，电压跌落现象不明显。

图15 重复频率为1kHz输出电压波形Fig.15 Voltage waveforms with 1kHz repetition frequency

在不同负载阻值下进行实验。设定发生器输出电压相同，幅值均为6kV，触发脉冲的重复频率和脉冲宽度分别为100Hz和500ns，表1为不同负载电阻下输出波形的边沿时间、脉冲宽度、重复频率的统计结果。由表1中分析可知，脉冲下降沿随负载变化呈正相关趋势，当负载阻值增加，输出脉冲的时间常数也相应增加，导致输出脉冲的下降沿增大。从测试结果可以得出，输出脉冲的上升沿和脉冲宽度与负载的关系不大，总体基本可保持恒定。

表1 不同负载条件下输出特性变化Tab.1 The parameters of the output pulses with various resistive loads

3 纳秒脉冲驱动等离子体射流实验

本文研制的纳秒脉冲发生器用来产生介质阻挡放电的等离子体射流。射流发生装置的结构主要由高压电极、接地电极和绝缘介质管组成，如图16所示。其中高压电极为长度12cm、直径1.5mm的黄铜棒，头部为锥形，尾部用橡皮塞固定在绝缘介质管中。使用内径2mm、外径4mm的石英玻璃管作为绝缘介质管，绝缘介质管设计为T形，主管和支管的长度分别为12cm和5cm；接地电极使用宽度为1cm的铜箔，缠绕在绝缘介质管的末端，距出口1cm。

图16 等离子射流装置电极结构原理Fig.16 The electrode structure of plasma jet device

图17所示为纳秒脉冲等离子体射流实验平台示意图，其中使用本文研制的纳秒脉冲发生器作为驱动电源来产生低温等离子体，其高压输出端与针-环结构的射流装置的高压电极相连，接地端与射流装置的铜箔相连。由于氩气比较容易获得且不与其他元素反应，同时其电子碰撞反应较少而稳定性高，因此本文使用高压氩气作为等离子体的工作气体。氩气气体的流速通过转子流量计来进行控制，流速1～10L/min连续可调，气体通过导管与经转子与射流装置的支管相连。

图17 纳秒脉冲等离子体射流实验平台Fig.17 Nanosecond pulse driving plasma jet experiment platform

图18给出了在峰值电压7kV、脉冲宽度500ns、重复频率1kHz、气体流速4L/min时，使用本文设计的等离子体射流装置进行实验的氩气等离子体射流的图像。从图中可以明显看出，高压电极尖端与接地电极之间放电均匀，有明亮的细丝放电而无火花放电通道。从喷口喷出到大气压环境中的射流长度约为2cm，有明亮的内核和“拖尾”。整个等离子体射流放电过程中比较安静，没有发生剧烈尖锐的放电声。

图18 纳秒脉冲氩气等离子体射流图像Fig.18 The images of nanosecond pulse argon plasma jet

图19所示为传导电流即等离子体放电电流波形。从图中可知，放电主要发生在脉冲电压的上升沿和下降沿阶段，即一个脉冲周期内发生了两次放电，且正极性放电电流（上升沿）略大于负极性放电电流（下降沿）。其中正极性放电时的电流在脉冲电压上升到最大值时幅值也达到了峰值（0.53A），此时外加空间电场也为最大。由于本文研制设计的纳秒脉冲发生器输出波形在经过尾切开关的处理后可以得到快速的下降沿，因此在一个脉冲周期内可以发生两次放电。经过分析，在正极性放电期间，石英玻璃管上积累了许多反向电荷，形成了与外加电场极性相反的空间电场，导致负极性放电的产生。二次放电提高了等离子体射流产生的效率，本文设计的带有尾切开关的纳秒脉冲发生器能够产生较快的上升沿和下降沿，使得负极性放电的发生更为有利。

图19 氩气等离子体射流的电压、电流波形Fig19 The voltage and current waveforms of Ar plasma jets

4 结论

本文结合脉冲功率中纳秒脉冲产生的相关原理和固态开关技术，研制了一种基于Marx电路并带有尾切开关可以获取输出脉冲具有快速下降沿的高性能全固态纳秒脉冲发生器，并作为激励源驱动产生等离子体射流。得出如下结论。

1）根据纳秒脉冲驱动产生等离子体射流的要求，提出一种基于Marx电路并带有尾切开关的固态纳秒脉冲发生器的拓扑结构，通过引入尾切开关可以有效地减少输出脉冲波形的下降沿。

2）通过对该纳秒脉冲发生器性能进行测试表明，该发生器能够输出电压连续可变（0～8kV）、脉宽灵活可调（100～1 000ns）、重复频率（1～1 000Hz）、且上升沿和下降沿均在30ns以内的高压纳秒级方波脉冲。

3）通过等离子体射流实验验证了该纳秒脉冲源可产生低温等离子体射流，可在一个脉冲周期产生两次放电，从而提高了等离子体射流产生的效率。后续将进行等离子体射流参数与脉冲重复频率、脉宽及幅值等参数之间的关系研究。

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The Development of Solid-State Nanosecond Pulsed Plasma Jet Apparatus Based on Marx Structure

Dong Shoulong1Yao Chenguo1Yang Nan1,2Zhao Yajun1Wang Changjin1
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China 2. Nanjing Operation and Maintenance Division Maintenance Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Company Nanjing 210008 China）

A nanosecond-pulse power generator apparatus is developed, which consists of a nanosecond pulse generator with chopping switch based on Marx circuit and a needle-ring structure electrode. The pulse generator is composed of DC power, control circuit and main circuit. The main circuit has 10 stages. Two MOSFETs are used as the main switch and chopping switch respectively in each stage. The control circuit can generate trigger pulse signals to drive MOSFET work by fiber-optic isolation. The generator can produce repetitive pulses. Herein, the range of output voltage is 0～8kV, pulse width is 100～1 000ns, pulse repetition frequency is 1Hz～1kHz, rise time is less than 30ns and fall time is less than 50ns. In the plasma jets, needle-ring electrode structure is adopted, and the working gas is argon device. Plasma jets experiment platform is also developed, which can sustain stable atmospheric pressure plasma jets.

Atmosphere-pressure plasma jet, pulsed power, all solid-state, nanosecond pulse generator, Marx, chopping switch

TN78; TM832

董守龙 男，1989年生，博士研究生，研究方向为脉冲功率技术、等离子体源及其生物医学应用等。

E-mail: dsl@cqu.edu.cn（通信作者）

姚陈果 男，1975年生，教授，博士生导师，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断技术、生物医学中的电工新技术及高电压新技术研究等。

E-mail: yaochenguo@cqu.edu.cn

国家创新研究群体基金（51321063），重庆市杰出青年基金（cstc2014jcyjjq90001）和中央高校基本科研业务费（106112015CDJZR151102）资助项目。

2016-05-25 改稿日期 2016-08-15