基于Marx電路的全固態納秒脈沖等離子體射流裝置的研制

董守龍姚陳果楊 楠,2趙亞軍王昌金

（1. 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400030 2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司南京運維分部 南京 210008）

基于Marx電路的全固態納秒脈沖等離子體射流裝置的研制

董守龍1姚陳果1楊 楠1,2趙亞軍1王昌金1

（1. 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400030 2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司南京運維分部 南京 210008）

研制一套具有快邊沿納秒脈沖等離子體射流裝置。該裝置由基于Marx電路的并帶有尾切開關的全固態納秒脈沖發生器和具有針環電極結構的等離子體射流裝置組成。其中，納秒脈沖源主要由直流電源、控制電路和主電路組成，主電路為10級模塊化設計的Marx電路，使用MOSFET作為主開關和尾切開關；控制電路產生同步觸發脈沖信號，通過光纖進行隔離后同步驅動MOSFET工作。輸出納秒脈沖電壓參數為：幅值0～8kV可調，脈寬100～1 000ns，重復頻率1Hz～1kHz，上升沿30ns左右，下降沿50ns以內。等離子體射流裝置使用氬氣作為工作氣體，其結構為針-環電極結構。搭建等離子體射流實驗平臺，并能夠產生穩定的等離子體，為進一步探索大氣壓等離子射流的應用奠定了基礎。

大氣壓等離子體射流 脈沖功率 全固態 納秒脈沖發生器 Marx 尾切開關

0 引言

由于非平衡大氣壓等離子體射流裝置能夠在開放空間、而不是如傳統放電僅在放電間隙內產生等離子體[1-3]，這個顯著優點使得大氣壓非平衡等離子射流在生物醫學應用[4-7]、材料改性[8-12]、空氣凈化、食品滅菌等領域有著良好的應用前景，引起了國內外學者的廣泛關注。用于產生大氣壓非平衡等離子體射流的激勵電源是等離子體射流裝置的一個重要組成部分，目前主要的激勵電源有直流電源[13]、交流電源、射頻裝置、微波電源等[14]。采用直流電源產生等離子體需要串聯幾十歐的電阻進行限流，從而防止電弧放電，但是這樣會消耗大量的功率；射頻電源使用時需先將電極冷卻，以防止局部過熱而將等離子體蒸發。因此，如何設計出一種具有射流長度長、化學活性粒子種類和數量多、溫度低、操作容易、擊穿電壓低、功率消耗小、放電穩定和結構簡單等特點的大氣壓低溫等離子體射流源，一直是學者研究的目標，也是工業應用領域的重要方向。

近幾年，人們開始利用亞微秒或納秒脈沖電源產生低溫等離子體射流。與其他幾種激勵源不同的是，脈沖發生器可以產生很高的瞬時功率和較低的平均功率，這有利于對等離子體的產生進行控制。同時，由于脈沖電壓的上升時間非常快從而可以獲得更高的電子密度、產生更強的化學活性物質[15]。因此，脈沖電源被認為是一種高效的、有廣泛前景等離子體激勵源，已有許多研究學者對脈沖驅動產生等離子體的特性進行了研究。章程等[16-18]設計了緊湊型高頻微秒脈沖用于產生大氣壓等離子體并對脈沖參數與等離子體射流長度等參數進行了研究；J. L. Walsh等[19,20]對脈沖源和交流正弦驅動產生等離子體射流分別進行了實驗，研究了納秒脈沖電壓幅值對大氣壓介質阻擋放電的影響；盧新培等[21]研究了脈沖寬度（100ns～200μs）對等離子體射流長度的影響，結果表明等離子體射流長度隨著脈沖寬度的增加而增加，脈沖寬度超過4μs時等離子體長度最大；E. Karakas等[22]使用能產生脈寬2μs、重復頻率5kHz的納秒脈沖源研究了等離子體射流的發展過程并對射流電流進行了測量；F. Iza等[23]通過建立計算機仿真模型對脈沖產生大氣壓等離子體進行研究，通過實驗對比發現，脈沖電壓的升高將使等離子體放電更迅速，并且可通過調節脈沖的形狀控制等離子體的化學成分。

大氣壓低溫等離子體射流具有諸多技術優勢，例如產生于開放的空氣環境中、高化學特性、氣體溫度低等，因此其非常適合于需要低溫處理的領域，這也對脈沖激勵源提出了新的要求。隨著脈沖功率技術和電力電子技術的發展和潛在應用，基于全固態半導體開關的多種高壓脈沖發生器被研制出來，如Marx發生器[24-28]、LTD[29]等。這些脈沖發生器所采用的半導體開關（如IGBT、MOSFET等）具有很好的可控性，而且使用壽命長、工作頻率高[30-32]，因此對于研究脈沖參數與等離子體特性之間的關系，提供了很好的硬件平臺。根據盧新培等[33]的研究，高壓脈沖波形擁有較快的下降沿，其二次放電會更加明顯。因此，設計一款具有較快脈沖上升沿和下降沿全固態脈沖發生器將極大地促進等離子體的應用。

大氣壓低溫等離子體射流裝置結構主要包括介質阻擋等離子體射流、類似介質阻擋等離子體射流及非介質阻擋等離子體射流等結構。目前研究人員也設計研制出多種不同結構的等離子體射流裝置，并對產生的射流特性及其應用進行了深入的研究。其中針-環形的介質阻擋放電結構較為簡單，可混入不同氣體產生等離子體射流，并根據研究目的而改變射流的化學特性。

本文研制了一套納秒脈沖等離子體射流發生裝置，它由基于Marx原理且帶有尾切開關的全固態納秒脈沖發生器和針環電極結構的等離子體射流裝置組成。其中納秒脈沖發生器作為激勵源，是一臺獨立可控的高穩定度的全固態脈沖發生器，可輸出的脈沖參數為脈沖幅值0～8kV連續可調，脈沖寬度100～1 000ns，重復頻率1Hz～1kHz，上升沿30ns左右，下降沿小于50ns。射流裝置為針-環形的介質阻擋放電結構，采用石英玻璃作為絕緣介質，使用直徑1.5mm黃銅棒作為高壓電極，銅箔作為地電極，工作氣體為氬氣。實驗結果表明，該裝置能產生穩定的大氣壓等離子體射流，為進一步研究大氣壓等離子射流在各個領域的應用奠定了基礎。

1 納秒脈沖發生器設計

1.1 基本工作原理

基于Marx原理且帶有尾切開關的納秒脈沖發生器的基本電路如圖1a所示，該發生器共有10級模塊組成，每級結構完全相同，這使得增減和更換電路級數變得十分簡便。其中VD1～VD10為快恢復高壓二極管；S1～S10為半導體開關，是電路主開關；S11～S20同樣也為半導體開關，作為尾切開關；C1～C10為電路的儲能電容；Rload為負載電阻。

圖1 帶有尾切開關的全固態納秒脈沖發生器基本工作原理Fig.1 Basic structure and principle of nanosecond-pulse generator

該全固態納秒脈沖發生器的工作過程如下：

（1）并聯充電過程如圖1b所示，用淺色表示各級主開關S1～S10處于可控關斷狀態，而各級尾切開關S11～S20處于導通狀態，高壓直流電源通過充電電阻R1和二極管VD1～VD10對主電容C1～C10充電，每一級上電容電壓與高壓直流電源輸出電壓相等，即Vin=VC1=VC2=VC3=…=VC10。

（2）串聯放電過程。當并聯充電過程結束后，控制各級主開關S1～S10導通，各級尾切開關S11～S20關斷，二極管VD1～VD10因反向偏置而截止，各級電容與主開關形成串聯回路對負載電阻放電，如圖1c所示，此時會在負載上形成10Vin的正脈沖。

（3）尾切開關工作。在實際電路中，由于電路級數較多回路較長，不可避免地會有大量雜散電容和電感參數存在，這些雜散參數會對負載輸出波形的下降沿產生非常大的影響，尤其是當負載為容性負載時，往往導致負載波形的下降沿大大增加（甚至達到μs級），這顯然不利于射流裝置中等離子射流的產生，因此需要一組尾切開關為電路中的雜散電容提供一個快速的放電回路，從而使負載上電壓波形的下降沿大大縮短。尾切開關的工作過程如圖1d所示，10級電路中的雜散電容參數往往能達到上百pF，當電路中各級主開關關斷，觸發原本關斷的各級尾切開關導通，此時尾切開關給雜散電容提供了一個低阻抗的回路從而快速放電，這大大縮短了負載輸出波形的下降沿。

1.2 參數選擇

設計電路輸出脈沖幅值Vm=8kV，各級開通時電路中最大瞬時電流Im=8kV/300Ω≈26.7A，因此本文選用的半導體開關是CREE公司生產的C2M0080120D碳化硅MOSFET，其最高工作電壓1 200V，能夠承受的最大脈沖電流80A，上升時間和下降時間分別是20ns和19ns。實驗過程為保證發生器安全可靠運行，每個模塊工作電壓最大為800V，選用的快恢復二極管為IXYS公司生產的DES6012A，反向擊穿電壓1 200V，長期導通額定電流100A，恢復時間為40ns。

發生器使用的直流電源選取中國天津東文生產的DW-P351-40F74，輸出電壓為直流且0～1 000V可調，輸出電流最大值100mA。且具有短路、過載保護功能。

固態Marx電路中的電容起能量存儲和傳輸的作用，對電容的選取主要考慮其耐壓值和電容值兩方面因素。儲能電容的耐壓值應該大于每一級MOSFET開關器件工作電壓來選取，因此儲能電容的耐壓值應該選擇1 200V以上。同時根據設計需求，在最大脈沖寬度和頻率下允許輸出方波脈沖有10%的電壓降落，儲能電容器的電容值需要滿足

式中，CN為等效串聯電容；C為每一級模塊的電容量；τ為最大脈沖寬度；Vo為輸出脈沖電壓幅值；ΔVd為輸出脈沖電壓允許降落幅值；Rload為負載電阻；N為開關單元的級數。根據式（1）計算得到每個儲能電容器的電容值不得小于0.33μF，在留有一定裕度的情況下，本文選用Rock公司生產的1μF、工作電壓為1 200V的電容器作為Marx電路的各級主電容。

1.3 同步觸發控制信號設計

控制信號通過控制各級MOSFET的開通或關斷來改變電路中電容連接方式，從而在負載上產生所需要的納秒脈沖。控制信號、驅動電路和固態器件三者之間的關系如圖2所示。觸發控制電路產生兩路互補TTL方波脈沖控制信號，一路用來控制各級主開關，另一路用來控制各尾切開關工作。觸發控制電路輸出控制信號后，經光纖隔離傳輸又轉換成為電信號傳送至各級驅動電路。

圖2 控制電路總體原理框圖Fig.2 Overall principle diagram of control circuit

納秒脈沖發生器中放電主開關S1～S10和尾切開關S11～S20的控制信號時序及負載輸出電壓波形如圖3所示。圖3中，在放電主開關關斷和尾切開關導通之前需要設置一個較短的死區時間Td，這是為了避免電路主開關和尾切開關同時導通而形成短路，死區時間Td通常設置為20ns以上。尾切開關導通后，可獲取快速的下降沿。

圖3 控制信號及輸出波形時序圖Fig.3 Control signals and output waveform sequence diagram

2 脈沖發生器仿真分析及性能測試

2.1 Pspice仿真分析

為驗證帶尾切的納秒脈沖發生器工作原理，本文在Pspice電路仿真軟件中分別建立如圖4所示的傳統的固態Marx的仿真電路和如圖5所示帶有尾切開關的全固態Marx仿真電路。仿真電路中使用的主開關為根據C2M0080120D參數表采用描點法自建MOSFET模型，以便于更加真實地模擬該型號MOSFET的工作情況。

圖4 理想開關狀態下固態Marx發生器電路仿真模型Fig.4 Solid state Marx circuit model with ideal switches

圖5 帶有尾切開關的全固態Marx電路仿真模型Fig.5 Solid state Marx circuit model with chopping switches

脈沖發生器主電路共有10級，每級儲能電容設為1μF，充電電壓為1kV，負載為300Ω純電阻負載。MOSFET的驅動信號電壓幅值15V，脈寬300ns，頻率1kHz。

兩種拓撲結構的Marx發生器仿真輸出波形如圖6所示，在工作條件相同的情況下，帶有尾切開關的Marx電路的輸出波形的下降沿相比于傳統Marx電路更快，輸出脈沖的下降時間從原來的70ns縮短至30ns以內。仿真結果充分說明帶有尾切開關的Marx電路用于產生快速下降沿的脈沖具有很好的效果。

圖6 傳統固態Marx電路和帶有尾切開關的固態Marx電路單脈沖輸出波形的比較Fig.6 The comparison between solid state Marx circuit model and solid state Marx circuit with chopping switches

負載特性對輸出波形會產生一定影響，當負載為介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）裝置時，也相當于在負載兩端并聯雜散電容，這會導致負載輸出波形的下降沿變得很長，不利于二次放電產生納秒脈沖等離子體射流。為了研究負載兩端電容對輸出波形的影響，對不同負載兩端間電容CK（0、20、50、100和200pF）下的固態Marx電路進行仿真，仿真結果如圖7所示。從圖中分析可知，負載兩端間電容CK對輸出脈沖的上升沿都有一定程度的變緩作用，且脈沖下降時間顯著增加，但是由于尾切開關的存在，負載電壓下降時間依然能夠保證在50ns以內。

圖7 負載兩端間不同雜散電容下輸出電壓波形Fig.7 Output voltage waveforms with different stray capacitance between two terminals of load

2.2 脈沖發生器性能測試

為了驗證上述的理論及仿真，本實驗研發了由FPGA控制的10級模塊化帶尾切開關納秒脈沖發生器，如圖8所示。每一級模塊均包括儲能電容、主開關、尾切開關及相應的驅動電路，各級之間用銅柱固定并導電，使得模塊的增減十分靈活。

實驗中采用美國Tektronix公司的示波器DPO4054、P6139B和P6015A探頭進行負載電壓測量，采用美國Pearson公司的6600型電流傳感器測量負載端電流，負載電阻為300Ω無感電阻。

圖8 納秒脈沖發生器主電路實物Fig.8 Prototype of nanosecond-pulse power generator

FPGA輸出觸發脈沖信號控制Marx電路中主開關和尾切開關的導通和關斷，通過控制觸發信號的脈沖寬度、重復頻率及脈沖個數來控制納秒脈沖發生器的輸出波形。觸發信號經過光電隔離后傳輸到各級MOSFET的驅動電路，當FPGA輸出主開關觸發脈沖信號的脈寬為300ns，頻率1kHz時，每級電路板上主開關和尾切開關的驅動波形如圖9所示。

圖9 MOSFET的柵極驅動電壓波形Fig.9 The gate driving voltage waveforms of MOSFET

從圖9a中可知，主開關和尾切開關的驅動波形的上升沿和下降沿（10%～90%）均保持在30ns以內，其中主開關驅動波形的脈沖寬度為300ns，尾切開關驅動信號的脈沖寬度略大于主開關約為360ns。死區時間的設置是為了防止開關直通發生短路故障，但是死區時間過大又會導致尾切開關的作用不理想。因此，本文根據MOSFET器件本身和驅動電路特性，設置死區時間為30ns。圖9b所示為主開關驅動波形下降沿和尾切開關的驅動波形上升沿之間死區時間放大圖。

為了驗證尾切開關的作用效果，通過FPGA控制調節主開關關斷和尾切開關導通之間的死區時間來觀察尾切開關對輸出波形負載下降沿的影響。圖10和圖11所示分別為電壓幅值8kV、重復頻率1kHz、脈沖寬度600ns，負載電阻為300Ω時的死區時間為50ns和30ns的輸出電壓波形。

圖10 死區時間為50ns時輸出波形Fig.10 The voltage waveform with dead-time 50ns

死區時間設置為50ns時尾切效果不明顯，輸出脈沖波形的下降沿超過50ns，且呈現明顯的階梯式下降。若尾切開關導通與主開關關斷的時間間隔合適時，即將死區時間調整到30ns，如圖11尾切開關正常工作，輸出脈沖波形的下降沿會大大減少，降低到30ns以內。

當高壓直流電源輸出的充電電壓為850V時，300Ω電阻負載上的電壓、電流輸出波形如圖12所示。脈沖發生器輸出的納秒方波脈沖上升沿和下降沿均在30ns以內（10%～90%），脈沖電壓幅值達到8.2kV，脈沖半峰值脈寬為600ns，脈沖電流幅值28A。從結果可以看出，脈沖波頭和波尾有一定程度的振蕩，這是由于隨著電路級數的增加，電路中的雜散電容和電感隨之增加，使負載電壓波形出現一定的振蕩，但振蕩波形相對于輸出電壓較小，沒有引起輸出電壓波形出現較大畸變。

圖12 發生器輸出電壓、電流波形Fig.12 The output voltage and current waveforms of nanosecond generator

對比仿真與實驗，可以看出，實際脈沖發生器輸出的波形與仿真波形基本一致，但是仍存在輕微振蕩，這是由于實際電路中包含的多種雜散參數，如回路電感、對地電容等均會對負載波形產生一定影響。

圖13為設定脈寬300ns，重復頻率1kHz不變，高壓直流電源輸出不同充電電壓時發生器裝置的輸出電壓波形。隨著輸出脈沖電壓的提高，流過放電回路的電流增大，從而導致波形的振蕩有一定程度的增加。

圖13 不同充電電壓下的輸出電壓波形Fig.13 The output voltage waveforms with charging voltage variable

不同脈寬條件下發生器裝置輸出的電壓波形如圖14所示，設置直流電源充電電壓為650V、重復頻率1kHz時，輸出脈沖的寬度可從200ns到1 000ns連續可調，并保持很好的輸出波形。

圖14 不同脈寬下的輸出電壓波形Fig.14 Output voltage waveforms with width variable

圖15為設定充電電壓450V、脈寬300ns、重復頻率1kHz時，發生器裝置輸出到負載電阻上的電壓波形。從圖中可以看出，在重復輸出脈沖的情況下，發生器裝置工作頻率與設定值吻合，并且輸出脈沖的一致性較好，電壓跌落現象不明顯。

圖15 重復頻率為1kHz輸出電壓波形Fig.15 Voltage waveforms with 1kHz repetition frequency

在不同負載阻值下進行實驗。設定發生器輸出電壓相同，幅值均為6kV，觸發脈沖的重復頻率和脈沖寬度分別為100Hz和500ns，表1為不同負載電阻下輸出波形的邊沿時間、脈沖寬度、重復頻率的統計結果。由表1中分析可知，脈沖下降沿隨負載變化呈正相關趨勢，當負載阻值增加，輸出脈沖的時間常數也相應增加，導致輸出脈沖的下降沿增大。從測試結果可以得出，輸出脈沖的上升沿和脈沖寬度與負載的關系不大，總體基本可保持恒定。

表1 不同負載條件下輸出特性變化Tab.1 The parameters of the output pulses with various resistive loads

3 納秒脈沖驅動等離子體射流實驗

本文研制的納秒脈沖發生器用來產生介質阻擋放電的等離子體射流。射流發生裝置的結構主要由高壓電極、接地電極和絕緣介質管組成，如圖16所示。其中高壓電極為長度12cm、直徑1.5mm的黃銅棒，頭部為錐形，尾部用橡皮塞固定在絕緣介質管中。使用內徑2mm、外徑4mm的石英玻璃管作為絕緣介質管，絕緣介質管設計為T形，主管和支管的長度分別為12cm和5cm；接地電極使用寬度為1cm的銅箔，纏繞在絕緣介質管的末端，距出口1cm。

圖16 等離子射流裝置電極結構原理Fig.16 The electrode structure of plasma jet device

圖17所示為納秒脈沖等離子體射流實驗平臺示意圖，其中使用本文研制的納秒脈沖發生器作為驅動電源來產生低溫等離子體，其高壓輸出端與針-環結構的射流裝置的高壓電極相連，接地端與射流裝置的銅箔相連。由于氬氣比較容易獲得且不與其他元素反應，同時其電子碰撞反應較少而穩定性高，因此本文使用高壓氬氣作為等離子體的工作氣體。氬氣氣體的流速通過轉子流量計來進行控制，流速1～10L/min連續可調，氣體通過導管與經轉子與射流裝置的支管相連。

圖17 納秒脈沖等離子體射流實驗平臺Fig.17 Nanosecond pulse driving plasma jet experiment platform

圖18給出了在峰值電壓7kV、脈沖寬度500ns、重復頻率1kHz、氣體流速4L/min時，使用本文設計的等離子體射流裝置進行實驗的氬氣等離子體射流的圖像。從圖中可以明顯看出，高壓電極尖端與接地電極之間放電均勻，有明亮的細絲放電而無火花放電通道。從噴口噴出到大氣壓環境中的射流長度約為2cm，有明亮的內核和“拖尾”。整個等離子體射流放電過程中比較安靜，沒有發生劇烈尖銳的放電聲。

圖18 納秒脈沖氬氣等離子體射流圖像Fig.18 The images of nanosecond pulse argon plasma jet

圖19所示為傳導電流即等離子體放電電流波形。從圖中可知，放電主要發生在脈沖電壓的上升沿和下降沿階段，即一個脈沖周期內發生了兩次放電，且正極性放電電流（上升沿）略大于負極性放電電流（下降沿）。其中正極性放電時的電流在脈沖電壓上升到最大值時幅值也達到了峰值（0.53A），此時外加空間電場也為最大。由于本文研制設計的納秒脈沖發生器輸出波形在經過尾切開關的處理后可以得到快速的下降沿，因此在一個脈沖周期內可以發生兩次放電。經過分析，在正極性放電期間，石英玻璃管上積累了許多反向電荷，形成了與外加電場極性相反的空間電場，導致負極性放電的產生。二次放電提高了等離子體射流產生的效率，本文設計的帶有尾切開關的納秒脈沖發生器能夠產生較快的上升沿和下降沿，使得負極性放電的發生更為有利。

圖19 氬氣等離子體射流的電壓、電流波形Fig19 The voltage and current waveforms of Ar plasma jets

4 結論

本文結合脈沖功率中納秒脈沖產生的相關原理和固態開關技術，研制了一種基于Marx電路并帶有尾切開關可以獲取輸出脈沖具有快速下降沿的高性能全固態納秒脈沖發生器，并作為激勵源驅動產生等離子體射流。得出如下結論。

1）根據納秒脈沖驅動產生等離子體射流的要求，提出一種基于Marx電路并帶有尾切開關的固態納秒脈沖發生器的拓撲結構，通過引入尾切開關可以有效地減少輸出脈沖波形的下降沿。

2）通過對該納秒脈沖發生器性能進行測試表明，該發生器能夠輸出電壓連續可變（0～8kV）、脈寬靈活可調（100～1 000ns）、重復頻率（1～1 000Hz）、且上升沿和下降沿均在30ns以內的高壓納秒級方波脈沖。

3）通過等離子體射流實驗驗證了該納秒脈沖源可產生低溫等離子體射流，可在一個脈沖周期產生兩次放電，從而提高了等離子體射流產生的效率。后續將進行等離子體射流參數與脈沖重復頻率、脈寬及幅值等參數之間的關系研究。

[1] Brandenlourg R, Navrátil Z, Jánsky J, et al. The transition between different modes of barrier discharges at atmospheric pressure[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2009, 42(8): 85208-85217.

[2] Massines F, Gherardi N, Naudé N, et al. Glow and Townsend dielectric barrier discharge in various atmosphere[J]. Plasma Physics & Controlled Fusion, 2005, 47(12B): 577-588.

[3] 王新新. 介質阻擋放電及其應用[J]. 高電壓技術, 2009, 35(1): 1-11. Wang Xinxin. Dielectric barrier discharge and its applications[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(1): 1-11.

[4] Fridman G, Friedman G, Gutsol A, et al. Applied plasma medicine[J]. Plasma Processes & Polymers, 2008, 5(6): 503-533.

[5] 盧新培. 等離子體射流及其醫學應用[J]. 高電壓技術, 2011, 37(6): 1416-1425. Lu Xinpei. Plasma jets and their biomedical application[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(6): 1416-1425.

[6] Laroussi M. Low temperature plasma-based sterilization: overview and state-of-the-art[J]. Plasma Processes & Polymers, 2005, 2(5): 391-400.

[7] Kong M G, Kroesen G, Morfill G, et al. Plasma medicine: an introductory review[J]. New Journal of Physics, 2009, 11(11): 1-35.

[8] Katja F, Hartmut S, Thomas V W, et al. High rate etching of polymers by means of an atmospheric pressure plasma jet[J]. Plasma Processes & Polymers, 2011, 8(1): 51-58.

[9] Lowke J J. Plasma predictions: past, present and future[J]. Plasma Sources Science & Technology, 2013, 22(2): 23002-23015.

[10] Nowling G R, Babayan S E, Jankovic V, et al. Remote plasma-enhanced chemical vapour deposition of silicon nitride at atmospheric pressure[J]. Plasma Sources Science & Technology, 2002, 11(1): 97-103.

[11] 章程, 邵濤, 于洋, 等. 納秒脈沖介質阻擋放電特性及其聚合物材料表面改性[J]. 電工技術學報, 2010, 25(5): 31-37. Zhang Cheng, Shao Tao, Yu Yang, et al. Characteristics of unipolar nanosecond pulse DBD and its application on surface treatment of polyimer films[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(5): 31-37.

[12] 劉熊, 林海丹, 梁義明, 等. 空氣中微秒脈沖沿面放電對環氧樹脂表面特性影響研究[J]. 電工技術學報, 2015, 30(13): 158-165. Liu Xiong, Lin Haidan, Liang Yiming, et al. Effect of atmospheric-pressure microsecond pulsed discharge on epoxy resin surface[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(13): 158-165.

[13] 陳桂濤, 劉春強, 孫強, 等. 基于前饋控制的等離子體電源恒流控制策略[J]. 電工技術學報, 2014, 29(8): 187-195. Chen Guitao, Liu Chunqiang, Sun Qiang, et al. A current control strategy based on feedforward for plasma[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(8): 187-195.

[14] Chang C, Sun J, Xiong Z F, et al. A compact two-way high-power microwave combiner[J]. Review of Scientific Instruments, 2014, 85(8): 84704.

[15] Lu X, Naidis G V, Laroussi M, et al. Guided ionization waves: theory and experiments[J]. Physics Reports, 2014, 540(3): 123-166.

[16] Zhang C, Shao T, Wang R, et al. A repetitive microsecond pulse generator for atmospheric pressure plasma jets[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2015, 22(4): 1907-1915.

[17] Li W, Shao T, Zhang C, et al. A repetitive microsecondpulse generator for plasma application[C]//Power Modulator and High Voltage Conference, 2012: 465-468.

[18] 周亦驍, 方志, 邵濤. Ar/O2和Ar/H2O中大氣壓等離子體射流放電特性的比較[J]. 電工技術學報, 2014, 29(11): 229-238. Zhou Yixiao, Fang Zhi, Shao Tao. Comparison of discharge characteristics of atmospheric pressure plasma jet in Ar/O2and Ar/H2O mixtures[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(11): 229-238.

[19] Walsh J L, Liu D X, Iza F, et al. Fast track communication: contrasting characteristics of sub-microsecond pulsed atmospheric air and atomspheric pressure helium-oxygen glow discharges[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010, 43(3): 32001-32007.

[20] Walsh J L, Kong M G. 10ns pulsed atmospheric air plasma for uniform treatment of polymeric surfaces[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(25): 251504.

[21] Xiong Q, Lu X, Ostrikov K, et al. Length control of He atmospheric plasma jet plumes: effects of discharge parameters and ambient air[J]. Physics of Plasmas, 2009, 16(4): 43505.

[22] Akman M A, Laroussi M, Karakas E. The evolution of atmospheric-pressure low-temperature plasma jets: jet current measurements[J]. Plasma Sources Science & Technology, 2012, 21(3): 34016-34025.

[23] Iza F, Walsh J L, Kong M G. From submicrosecondto nanosecond-pulsed atmospheric-pressure plasmas[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, 37(7): 1289-1296.

[24] Wu Y, Liu K, Qiu J, et al. Repetitive and high voltage Marx generator using solid-state devices[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2007, 14(4): 937-940.

[25] Jiang W, Diao W, Wang X. Marx generator usingpower mosfets[C]// IEEE Pulsed Power Conference, PPC'09, Washington D. C, USA, 2009: 408-410.

[26] Rao J, Liu K, Qiu J. All solid-state nanosecond pulsed generators based on Marx and magnetic switches[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2013, 20(4): 1123-1128.

[27] 姚陳果, 章錫明, 李成祥, 等. 基于現場可編程門陣列的全固態高壓ns脈沖發生器[J]. 高電壓技術, 2012, 38(40: 929-934. Yao Chenguo, Zhang Ximing, Li Chengxiang, et al. All solid-state high-voltage nanosecond pulse generator based on FPGA[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(4): 929-934.

[28] 熊蘭, 馬龍, 胡國輝, 等. 具有負載普適性的高壓雙極性方波脈沖源研制[J]. 電工技術學報, 2015, 30(12): 51-60. Xiong Lan, Ma Long, Hu Guohui, et al. A newly high-voltage square bipolar pulse generator for various loads[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 51-60.

[29] Jiang W. Solid-state LTD module using power MOSFETs[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2010, 38(10): 2730-2733.

[30] 布盧姆. 脈沖功率系統的原理與應用[M]. 北京:清華大學出版社, 2008.

[31] 梁美, 鄭瓊林, 可翀, 等. SiC MOSFET、Si CoolMOS和IGBT的特性對比及其在DAB變換器中的應用[J]. 電工技術學報, 2015, 30(12): 41-50. Liang Mei, Zheng Qionglin, Ke Chong, et al. Performance comparison of SiC MOSFET, Si CoolMOS and IGBT for DAB converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 41-50.

[32] 楊廣羽, 馬玉新, 傅亞光, 等. 光電耦合MOS柵固態繼電器回路研究與誤觸發改進措施[J]. 電力系統保護與控制, 2016, 44(15): 135-141. Yang Guangyu, Ma Yuxin, Fu Yaguang, et al. Research of photoelectric MOS gate solid state relay circuit and spurious triggering improvement[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(15): 135-141.

[33] 盧新培, 嚴萍, 任春生, 等. 大氣壓脈沖放電等離子體的研究現狀與展望[J]. 中國科學: 物理學力學天文學, 2011, 41(7): 801-815. Lu Xinpei, Yan Ping, Ren Chunsheng, et al. Review on atmospheric pressure pulsed DC discharge[J]. SCIENTIA SINICA: Phys, Mech & Astron, 2011, 41(7): 801-815.

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

董守龍 男，1989年生，博士研究生，研究方向為脈沖功率技術、等離子體源及其生物醫學應用等。

E-mail: dsl@cqu.edu.cn（通信作者）

姚陳果 男，1975年生，教授，博士生導師，研究方向為電氣設備在線監測與故障診斷技術、生物醫學中的電工新技術及高電壓新技術研究等。

E-mail: yaochenguo@cqu.edu.cn

國家創新研究群體基金（51321063），重慶市杰出青年基金（cstc2014jcyjjq90001）和中央高校基本科研業務費（106112015CDJZR151102）資助項目。

2016-05-25 改稿日期 2016-08-15