一種升壓模式的可調極性高頻Blumlein脈沖形成線功率調制模塊

何映江 余 亮 馬劍豪 董守龍,2 姚陳果

一種升壓模式的可調極性高頻Blumlein脈沖形成線功率調制模塊

何映江1余 亮1馬劍豪1董守龍1,2姚陳果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. 重慶大學電氣工程博士后流動站 重慶 400030）

隨著脈沖功率技術在新型粒子加速器、生物細胞實驗儀器等領域拓展應用，對脈沖功率發生器高重復頻率、短脈沖、脈沖參數靈活可調提出更高的要求。該文研究了一種新型的功率變換模塊電路拓撲。這種電路拓撲由LC振蕩升壓單元和Blumlein形成線單元組成，利用多開關時序邏輯控制實現對輸出波形參數的調整，相對于傳統Blumlein線在保留其短脈沖成形優點的同時，能獲得輸出脈沖頻率數倍于開關頻率，輸出電壓幅值數倍于直流充電電壓，輸出脈沖的極性及間隔時間的靈活調整。同時，通過動態電路的時域分析和傳輸線波過程分析闡述該電路的工作原理，并通過電路仿真加以驗證。此外，采用射頻MOSFET開關和同軸電纜搭建一臺原理樣機，在負載匹配時，實現了在開關頻率500kHz時輸出脈沖頻率1MHz、輸出脈沖電壓幅值4倍于直流電源電壓20ns的短脈沖。

納秒脈沖發生器 LC振蕩電路 Blumlein脈沖形成線 半導體開關

0 引言

長期以來，熱核聚變研究、強光光源、電磁成形[1-2]等大型科學工程應用是推動脈沖功率技術發展的主要因素。這些大型裝置往往追求瞬態的高溫、高壓力、強電場和強磁場等極端物理環境。因此，驅動這種大型裝置的脈沖功率電源一直追求更高的輸出功率。而近年來，隨著脈沖功率技術應用領域的拓展，特別是在新型粒子加速器[3-4]、生物細胞研究科學儀器[5]等領域，僅僅要求脈沖功率電源輸出適當的功率，而對短脈沖、輸出極性、高重復頻率等波形特征參數有著更高的要求。

例如，在新型加速器應用領域，由于感應式回旋加速器具有高能量和高流強的優勢，正逐步取代傳統的射頻回旋加速器[6]。在感應式回旋加速器工作中，為了讓粒子束每次通過感應腔時都能加速，外部脈沖加速電場必須與粒子回旋頻率同步，這就要求脈沖發生器的重復頻率達到MHz級；并且感應式回旋加速器中的加速和聚束是由不同的脈沖調制器來完成，加速電壓為穩定的單極性脈沖，聚束電壓為雙極性電壓，所以要求脈沖發生器還具有可調極性的功能。此外，為了提高束流品質，往往要求注入器脈沖電源只能輸出數納秒的短脈沖[7]。

而在生物細胞試驗研究中，MHz級重復頻率的數納秒脈沖發生器也有著重要作用。研究表明，脈沖重復頻率、極性以及脈沖寬度對細胞的電滲透過程產生重要影響[8-10]。K. Matej等利用Blumlein形成線和全橋結構相結合實現最高重頻1.1MHz、電壓峰值±200V的脈沖輸出[11]，發現在高重頻納秒脈沖的作用下，可以實現細胞膜的透化并且減小了細胞質膜損傷。R. Lea等進一步研究發現，納秒級短脈沖具有透膜效應，能量更加集中在細胞核膜而不是細胞外膜[12]。

隨著半導體開關器件的發展，利用半導體開關在脈沖源中可輸出更高重復頻率脈沖。基于全固態半導體開關研制出來的高壓脈沖源主要為形成線脈沖源、Marx發生器、直線型變壓器驅動源（Linear Transformer Driver, LTD）等[13-16]。但是全固態Marx發生器受到開關驅動能力限制，形成脈寬難以低到幾十納秒[17]。全固態LTD雖然十分有助于快前沿短脈沖的形成[18]，但是在高重頻工作條件下，對于磁心材料的要求非常高，因為在多個脈沖連續工作后，磁心的等效電感量會減少，為了不影響其輸出電壓，還需要在脈沖間隔進行磁心復位操作，這增加了裝置的成本和復雜性。而形成線產生的脈沖寬度是由其長度決定的，有利于在高重頻下產生短脈沖。S. Romeo等利用微帶傳輸線產生了最短脈寬10ns、幅值800V的短脈沖[19]，但是直流充電電壓需要達到1 000V，效率較低。為了克服單級Blumlein形成線產生短脈沖的低效率問題，Mi Yan等利用Blumlein形成線和傳輸線變壓器（Transmission Line Trans- former, TLT）相結合的拓撲[20]，使多級Blumlein線產生的脈沖進行疊加，能輸出2.5kV、脈寬為20ns的短脈沖，但是隨著級數的增加，更多的電壓波饋入TLT次級線路，導致TLT電壓疊加效率逐漸下降。

本文提出了一種利用LC振蕩充電與Blumlein形成線相結合的新型拓撲結構，具有數倍的升壓功能，并且只使用了3個半導體開關就能在500kHz的開關頻率下實現重頻1MHz的雙極性、同極性輸出以及脈沖串內延遲時間靈活可調。

1 脈沖發生器拓撲結構研究

1.1 LC振蕩充電升壓

本文所提出的LC振蕩充電與Blumlein線結合的可調極性納秒脈沖發生器電路拓撲如圖1所示。圖中，為充電電感，m為穩壓電容，T1與T2為兩段傳輸線，DC為高壓直流電源，L為負載電阻，S1、S2和S3為MOSFET開關。

首先通過該電路的動態時域分析闡述脈沖發生器的LC振蕩升壓充電原理。其脈沖發生器工作工程主要分為：①開關閉合時，傳輸線放電形成脈沖并且直流電源對電感充電；②開關斷開時，電源與電感、傳輸線等效電容和負載L形成阻尼振蕩，在極短時間內提高傳輸線的端電壓。由于傳輸線是等效為電容和電感組成的分布參數電路，需要考慮電磁波傳輸的時間。從圖1中可以看出，開關S1/S3和S2在閉合對電感充電時等效電路有所不同。

圖1 脈沖發生器電路拓撲結構

（1）首先分析開關S1/S3閉合時的充電過程，其等效電路如圖2所示。由于前端LC振蕩周期遠大于傳輸線波長，所以Blumlein形成線可以等效為電容器1和2。

圖2 開關S1/S3閉合時等效電路

可以根據該等效電路計算出流過電感的電流()為

式中，dc為充電電壓；為電磁波在每段傳輸線傳播的時間。當已知開關的導通時間on時，代入式（1）就能求出當開關斷開時的電感初始電流0。

（2）然后分析開關S2閉合時充電過程，沒有經過傳輸線和負載，其充電等效電路如圖3所示。

圖3 開關S2閉合時等效電路

根據等效電路得到()為

式中，on為開關的導通電阻。經過計算，當時間足夠小（ms級及以下）時，式（2）和不帶2延時時間的式（1）計算結果基本相同。由于S2閉合給電感充電時沒有2的延時時間，為了使正負極性脈沖幅值相等，應增加S1導通時間、減小S2導通時間，保證正負極性脈沖能量相等。

（3）開關S1、S2、S3斷開時的等效電路相同，開關S1斷開時等效電路如圖4所示。由于兩段傳輸線中的電容1和2可以認為是并聯，所以圖中取等效電容=1+2。

圖4 開關S1斷開時等效電路

根據圖4電路結構，可以知道，當開關斷開時電路為全響應過程。根據基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff's Voltage Law, KVL）可得到

把式（4）代入式（3）可得

由于該電路狀態為全響應過程，所以解分為通解和特解。

式中，為振蕩電壓的初始相位，可以根據初始條件i0=0（0為開關斷開時電感的初始電流），計算出其表達式為

其中

感抗的表達式為

可以看出，電感在高頻下呈高阻抗特性，能量表達式為

可以看出，在高頻條件下，電感不僅能起到有效隔離作用，并且電感的積累能量即發熱量遠小于傳統Blumlein脈沖發生器中的充電電阻。

1.2 脈沖發生器的可調極性輸出

該脈沖發生器除了能單極性輸出外，還可以進行雙極性和同極性的多模式輸出。圖5和圖6分別為雙極性和同極性的工作模式示意圖。

圖5 雙極性脈沖輸出

圖6 同極性脈沖輸出

當開關S1和開關S2交替動作，S3為關斷狀態時，就能在負載上實現雙極性脈沖輸出；而當開關S1和開關S3交替動作，S2為關斷狀態時，就能在負載上實現同極性脈沖輸出。其具體原理需對開關動作時的波過程進行分析。以雙極性脈沖輸出為例，假設在所有開關關斷時，傳輸線端電壓已經通過LC振蕩充電為0。這時開關S1閉合，開關S2保持關斷狀態，其波過程形成如圖7所示。

圖7 開關S1閉合時波過程形成

式中，為傳輸線波阻抗，阻抗匹配時滿足=2。

而當開關S1關斷，S2閉合時，A點短路，B點開路，波過程傳播方向是從A點到B點，由于方向反向，在負載上會形成與上一個脈沖極性相反、幅值與脈寬相同的脈沖。

相同地，在同極性脈沖輸出時，開關S1關斷、S3閉合時形成的波過程與S1閉合時形成的波過程完全相同，所以會在負載上形成兩個極性、幅值以及脈寬一樣的脈沖。

1.3 半導體開關控制時序

為了讓該納秒脈沖發生器能夠有效地可調極性輸出，需要對開關S1、S2和S3的動作時序進行協調控制，開關控制時序及負載波形如圖8所示。可以看出，無論是雙極性還是同極性輸出，都巧妙地利用了兩個開關在一個周期內同時處于關斷狀態時，給前端LC振蕩充電提供了充足的時間，所以可以用更少的開關數量和更低的開關動作頻率實現脈沖的可調極性和2倍頻輸出，并且當改變一個開關周期內兩個開關閉合的延時（即改變兩個脈沖之間的延遲時間）時，只需要通過改變兩個開關的導通時間，就能形成幅值相同、延遲時間可調的雙極性或同極性脈沖，這對于加速器的調制是非常重要的。在后文的仿真與實驗中有所詳述。

圖8 開關控制時序及負載波形

2 高頻可調極性脈沖發生器仿真分析

本節為了驗證第1節理論推導的正確性，利用PSpise仿真軟件搭建電路仿真模型。內容主要分為兩部分：①電路主要參數的選取；②控制開關導通占空比改變LC振蕩升壓比以及脈沖的可調極性倍頻輸出。

2.1 參數選取

該脈沖發生器的主要參數有傳輸線、負載電阻、充電電感和直流充電電壓。

2.1.1 傳輸線參數

為了精確地擬合實際的實驗測試，傳輸線的各項基本參數與市場上同軸電纜設置相同，傳輸線采用有電容電感組合的分布參數模型。同軸電纜的單位電容r=100pF/m，單位電感r=250nH/m。波阻抗為

計算得到波阻抗=50W。同軸電纜的單位延時時間=5ns/m。根據脈寬w=2，傳輸線長度取值2m才能使脈沖寬度為20ns。

2.1.2 負載電阻

該脈沖發生器為使脈沖波形達到最優化，設計為負載匹配。匹配公式為

計算得到負載電阻L=100W。

2.1.3 充電電感

Blumlein線在形成脈沖時，在電感處要基本等效為開路，這就要求的等效阻抗L絕對值遠大于傳輸線波阻，一般為10倍數量級以上。并且當控制開關動作周期大于1/2固有振蕩周期時，才能通過改變開關導通占空比有效調節和提升脈沖電壓幅值。可以得到

式中，為開關工作頻率；為傳輸線等效電容。通過計算選取電感的值為1.6mH。

2.1.4 直流充電電壓

該脈沖發生器依靠前端LC振蕩電路具有數倍于直流充電電壓的能力，實際中的同軸線耐壓為1 000V，為了保留耐壓裕度，設定直流充電電壓為200V。仿真電路模型的各元器件參數見表1。

表1 仿真各元器件參數

Tab.1 Each device parameters of simulation

2.2 脈沖發生器仿真驗證

2.2.1 LC振蕩升壓仿真

圖9給出了當設定開關S2及S3處于斷開狀態，S1的動作周期為1s，不同導通時間on時的傳輸線端電壓0的變化曲線。

圖9 傳輸線端電壓仿真波形

可以看出，當開關的導通時間on變大時，其端電壓振蕩幅值有所增加，造成這種現象的原因是由于on的增加，當開關閉合時，直流電源通過負載L為電感充電的時間增加，電感積累的磁場能量越大，而當開關斷開進行LC振蕩充電時，電感中轉換為電場能量越大，所以就導致振蕩電壓幅值越高。

圖10給出了當開關S1動作頻率為500kHz，導通時間on分別為200ns、500ns以及1ms時的傳輸線端電壓和負載電壓仿真波形。可以看出，隨著導通時間的增加，端電壓和負載脈沖輸出電壓峰值增大。當開關導通時間為1ms時，脈沖電壓峰值達到800V，為直流充電電壓的4倍。說明該脈沖發生器可以通過調節開關動作占空比來調節脈沖電壓峰值，更加智能化。

圖10 不同開關導通時間的端電壓和負載電壓仿真波形

圖11給出了當設置開關導通時間500ns，動作頻率500kHz時的單個負載脈沖仿真波形，可以看出，該波形為脈寬為20ns，上升沿時間為4ns，峰值為560V的方波脈沖。

圖11 負載脈沖仿真波形

2.2.2 可調極性倍頻輸出仿真

在可調極性脈沖輸出的仿真中，同樣保持直流充電電壓為200V不變，并且維持脈沖峰值為±600V的基礎上，驗證可調極性脈沖的2倍頻（1MHz）輸出和脈沖之間的延遲時間靈活可調。

圖12給出了當開關動作頻率為500kHz，開關S1與S2/S3的導通延時時間為1ms時的雙極性和同極性端電壓及負載脈沖仿真波形，其脈沖頻率為1MHz，驗證了倍頻功能。與單極性相比，可以看出，無論是雙極性或是同極性，脈沖重復頻率提升為兩倍。

圖12 可調極性脈沖仿真波形

該脈沖發生器不僅可調極性脈沖輸出，并且脈沖間的延遲時間可通過控制開關的動作時序進行靈活調節。以雙極性脈沖為例，圖13分別給出了延遲時間為600ns和1.4ms的端電壓和負載脈沖仿真波形。

圖13 不同延遲時間雙極性脈沖仿真波形

當脈沖間的延時時間改變時，需要通過調節相應的開關S1、S2和S3的導通占空比，使得電磁場能量轉換動態平衡后，保證開關動作周期內的兩個脈沖（雙極性或同極性）幅值相等。

3 基于LC振蕩充電的可調極性納秒脈沖發生器實驗測試

3.1 實驗設計

該納秒脈沖發生器主要由開關驅動電路和脈沖形成主電路構成。為了減小主電路和驅動電路的雜散信號干擾和高低壓隔離，采用光電轉換電路把信號發生器產生的邏輯門電路（Transistor-Transistor Logic, TTL）信號進行一次電光-光電轉換，然后送到開關柵級以有效驅動開關動作。在印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）的設計中，盡量減小放電回路中的雜散電感，有利于脈沖快前沿的形成。相關主要元器件參數見表2。

表2 脈沖發生器主要元器件

Tab.2 Main components of pulse generator

主電路中的充電電感采用1.6mH的繞線電感，負載電阻采用最大功率100W、阻值100W的無感電阻。

圖14給出了該納秒脈沖發生器的實驗測試平臺。由于該發生器的工作重復頻率達到1MHz，即使采用倍頻輸出，單個開關的工作頻率也達到了500kHz。在高頻工作條件下，開關的熱損耗非常嚴重，所以采用散熱片對開關進行散熱處理，防止過高的溫度對開關動作產生影響甚至損壞。在實驗樣機測試時，考慮到該納秒脈沖發生器內存在的損耗和在高重頻情況下對直流電源功率的要求，本實驗選用東文生產的型號為DW-P102-5000ACC2的高壓電源模塊作為脈沖發生器的直流電源，該電源輸出電壓1 000V、電流5A，最大輸出功率達到5kW。信號發生器采用Stanford Research Systems超低抖動數字延時觸發器DG645。示波器選用Lecroy WavePro760Zi-A，其采樣率和帶寬分別為10GS/s及6GHz。高壓測量探頭為Lecroy PPE6kV，帶寬400MHz。

圖14 納秒脈沖發生器實物

3.2 實驗測試結果

（1）在單極性輸出實驗中，圖15為設置開關S1動作周期1ms以及導通時間分別為200ns、500ns和1ms的傳輸線端電壓波形。

圖15 實測端電壓波形

可以看出，該測試電壓就是恒定周期的正弦衰減振蕩波形，與第1節理論推導和第2節仿真相互驗證。其中在第一個振蕩周期時電壓降到零電位以下時，由于開關的反向二極管的鉗位作用，維持在二極管的導通電壓下。

然后使脈沖發生器在500kHz重復頻率下連續運行，圖16分別給出在充電電壓200V，開關S1導通時間為200ns、500ns和1ms的傳輸線端口電壓0和負載脈沖輸出波形UL。實驗證明了該發生器的升壓性能和調制開關占空比來調節脈沖峰值的功能。

圖16 不同開關導通時間的實測端電壓和負載脈沖波形

圖17為在開關導通時間為500ns時的測試波形時間軸進行縮短，測試的單個脈沖輸出波形。可以看出，該電壓波形為峰值為600V，上升時間和下降時間分別為3.1ns和6.3ns，半高寬為20ns的方波脈沖。由于在負載回路中不可避免存在一些雜散電感，所以產生脈沖后會有局部振蕩。

圖17 單個脈沖實測波形

（2）控制開關S1的導通時間220ns，開關S2和S3的導通時間180ns，對該脈沖發生器的可調極性脈沖輸出進行測試。圖18給出脈沖間延時為1ms的雙極性脈沖和同極性脈沖的傳輸線端口電壓0以及負載脈沖輸出波形UL，其脈沖峰值為±600V，重復頻率1MHz。可以看出，當重復頻率達到1MHz時，脈沖之間會存在一個20V左右的直流分量，原因是前端充電電感1MHz下沒有及時放完電，可以考慮適當減小充電電感以抑制直流分量。實驗結果驗證了該脈沖發生器利用更少的開關實現更高頻率的可調極性脈沖輸出。

最后以雙極性脈沖輸出為例，對正負極性脈沖的延遲時間可調進行實驗驗證。圖19分別給出了延遲時間為600ns和1.4ms的雙極性端電壓0和脈沖波形UL。可以看出，正負極性脈沖幅值基本相等。實驗結果驗證了該納秒脈沖發生器可以通過控制開關時序來對脈沖間的時延進行靈活調制的功能。

圖18 可調極性脈沖測試波形

4 結論

本文提出了一種升壓模式的可調極性高頻Blumlein脈沖形成線脈沖發生器。通過理論推導、仿真分析和初步的樣機實驗得到如下結論：

1）該脈沖發生器利用LC振蕩充電，配合開關的動作頻率能在單級電路下實現最高脈沖電壓幅值4倍于直流充電電壓，降低對直流電源的供電需求，并且可通過控制開關導通占空比實現脈沖電壓幅值的靈活調節。

2）該電路方法可利用多個開關的延時控制，實現脈沖的可調極性輸出和倍頻功能，不僅能有效降低單個開關損耗，相對于傳統的Blumlein線在輸出波形靈活性方面更具優勢。盡管，初步的實驗樣機僅能達到數千瓦的功率輸出，其主要受限于半導體開關的功率容量，然而本文中的模塊可以通過模塊化的疊加路線得以實現[20]。

因此，本文所提的電路方法對研制高重頻、電壓增益、納秒級短脈沖、可控雙極性脈沖功率發生器提供了新的思路。

[1] 張永民, 邱愛慈, 黃建軍, 等. 幾項新技術在“閃光二號”加速器上的應用[J]. 強激光與粒子束, 2008, 20(5): 876-880.

Zhang Yongmin, Qiu Aici, Huang Jianjun, et al. Application of several new technologies in flash 2 accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(5): 876-880.

[2] Zhou Yan, Tan Jianwen, Yao Chenguo, et al. Finite- element simulation and experiments on plastic heating in the process of electromagnetic pulse forming[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2018, 46(10): 3427-3437.

[3] Takayama K, Kishiro J. Induction synchrotron[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A-Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2000, 451(1): 304-317.

[4] Takayama K, Arakida Y, Dixit T, et al. Experimental demonstration of theinduction synchrotron[J]. Physi- cal Review Letters, 2007, 98(5): 054801.

[5] 郭飛, 李成祥, 唐賢倫, 等. 沖激輻射天線實現皮秒脈沖電場在人體大腦模型中聚焦的研究[J]. 電工技術學報, 2016, 31(3): 195-202.

Guo Fei, Li Chengxiang, Tang Xianlun, et al. Focusing of picosecond pulsed electric fields electric fields in human brain model with impulse radiating antenna[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(3): 195-202.

[6] Kakad A, Kakad B, Omura Y, et al. Modulation of electromagnetic ion cyclotron waves by Pc5 ULF waves and energetic ring current ions[J]. Journal of Geophysical Research-Space Physics, 2019, 124(3): 1992-2009.

[7] Archana S, Naresh P, Ranjeet K, et al. Sub- nanosecond pulse generator and electron beam source for nToF application[C]//IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, Santa Fe, New Mexico, 2014: 73-75.

[8] Kolb J F, Kono S, Schoenbach K H. Nanosecond pulsed electric field generators for the study of subcellular effects[J]. Bioelectromagnetics, 2006, 27(3): 172-187.

[9] Pakhomov A G, Shevin R, White J A, et al. Membrane permeabilization and cell damage by ultrashort electric field shocks[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2007, 465(1): 109-118.

[10] Vernier P T, Ziegler M J. Nanosecond field alignment of head group and water dipoles in electroporating phospholipid bilayers[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2007, 111: 12993-12996.

[11] Matej R, Matej K, Denis P, et al. Blumlein con- figuration for high-repetition-rate pulse generation of variable duration and polarity using synchronized switch control[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2009, 56(11): 2642-2648.

[12] Lea R, Gorazd P, Damijan M. Electroporation of intracellular liposomes using nanosecond electric pulses-a theoretical study[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2013, 60(9): 2624-2635.

[13] 喬中興, 劉凱, 董寅. 鐵氧體同軸傳輸線脈沖銳化特性的研究[J]. 電工技術學報, 2015, 30(2): 21-25.

Qiao Zhongxing, Liu Kai, Dong Yin. Investigation of ferrite-filled coaxial transmission lines for pulse sharpening[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(2): 21-25.

[14] 李江濤, 趙政, 鐘旭, 等. 基于模塊化Marx電路和傳輸線變壓器的重頻納秒脈沖源設計[J]. 電工技術學報, 2017, 32(8): 121-128.

Li Jiangtao, Zhao Zheng, Zhong Xu, et al. Design of repetitive nanosecond pulse generator based on modularized Marx circuit and transmission line trans- former[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(8): 121-128.

[15] Redondo L M, Kandratsyeu A, Barnes M J. Marx generator prototype for kicker magnets based on SiC MOSFETs[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2018, 46(10): 3334-3339.

[16] Sugai T, Tokuchi A, Jiang Weihua. Effects of pulsed power control on plasma water treatment using ltd[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2018, 46(10): 3566-3573.

[17] Shi Haozheng, Lu Yuanda, Gu Tianyu, et al. High- voltage pulse waveform modulator based on solid- state Marx generator[J]. IEEE Transactions on Diele- ctrics & Electrical Insulation, 2015, 22(4): 1983-1990.

[18] Kazemi M R, Sugai T, Tokuchi A, et al. Waveform control of pulsed-power generator based on solid- state ltd[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2017, 45(2): 247-251.

[19] Romeo S, D'avino C, Zeni O. A Blumlein-type, nanosecond pulse generator with interchangeable transmission lines for bioelectrical applications[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2013, 20(4): 1224-1230.

[20] Mi Yan, Bian Changhao, Wan Jialun, et al. A modular solid-state nanosecond pulsed generator based on Blumlein-line and transmission line transformer with microstrip line[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2016, 24(4): 2196-2202.

An Adjustable Polarity High Frequency Blumlein Pulse Forming Line Power Modulation Module with Boost Mode

1111,21

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China 2. Electrical Engineering Postdoctoral Mobile Station Chongqing University Chongqing 400030 China）

With the development of pulse power technology in new particle accelerators, biological cell experimental instruments and other fields, higher requirements are put forward for pulse power generators with high repetition frequency, short pulse and flexible adjustment of pulse parameters. This paper studies a new power conversion module circuit topology composed of an LC oscillating boost unit and a Blumlein line unit. The multi-switch timing logic is used to adjust the output waveform parameters. Compared with the traditional Blumlein line, it can obtain output pulse frequency several times the switching frequency while retaining the advantages of short pulse forming. In addition, the output voltage amplitude is several times the DC source voltage, and the polarity and interval time of the output pulse are flexibly adjusted. At the same time, the working principle of the circuit is explained by the time domain analysis of the dynamic circuit and the analysis of the transmission line wave process, and is verified by circuit simulation. Moreover, a principle prototype is built using RF MOSFET switch and coaxial cable. When the load is matched, the output pulse frequency is 1MHz at the switching frequency of 500kHz, and the output pulse voltage amplitude is 4 times the DC supply voltage with 20ns pulse width.

Nanosecond pulse generator, LC oscillation circuit, Blumlein pulse forming line, semiconductor switch

TM832

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191425

國家自然科學基金（51907011）、重慶市基金（cstc2019jcyj-msxm0368）和中央高校基本科研業務費（2019CDXYDQ0010）資助項目。

2019-11-02

2019-12-17

何映江 男，1995年生，碩士研究生，研究方向為脈沖功率技術及其應用。E-mail: heyingjiang@cqu.edu.cn

余 亮 男，1986年生，講師，碩士生導師，研究方向為脈沖功率技術及其應用、大功率半導體器件應用。E-mail: yu_liang@cqu.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）