董守龍姚陳果楊 楠,2趙亞軍王昌金

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400030 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司南京運(yùn)維分部 南京 210008）

基于Marx電路的全固態(tài)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(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400030 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司南京運(yùn)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(guān)的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器和具有針環(huán)電極結(jié)構(gòu)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(jí)模塊化設(shè)計(jì)的Marx電路，使用MOSFET作為主開關(guān)和尾切開關(guān)；控制電路產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖信號(hào)，通過光纖進(jìn)行隔離后同步驅(qū)動(dòng)MOSFET工作。輸出納秒脈沖電壓參數(shù)為：幅值0～8kV可調(diào)，脈寬100～1 000ns，重復(fù)頻率1Hz～1kHz，上升沿30ns左右，下降沿50ns以內(nèi)。等離子體射流裝置使用氬氣作為工作氣體，其結(jié)構(gòu)為針-環(huán)電極結(jié)構(gòu)。搭建等離子體射流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，為進(jìn)一步探索大氣壓等離子射流的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

大氣壓等離子體射流 脈沖功率 全固態(tài) 納秒脈沖發(fā)生器 Marx 尾切開關(guān)

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(tǒng)放電僅在放電間隙內(nèi)產(chǎn)生等離子體[1-3]，這個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)使得大氣壓非平衡等離子射流在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[4-7]、材料改性[8-12]、空氣凈化、食品滅菌等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。用于產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體射流的激勵(lì)電源是等離子體射流裝置的一個(gè)重要組成部分，目前主要的激勵(lì)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(chǎn)生等離子體需要串聯(lián)幾十歐的電阻進(jìn)行限流，從而防止電弧放電，但是這樣會(huì)消耗大量的功率；射頻電源使用時(shí)需先將電極冷卻，以防止局部過熱而將等離子體蒸發(fā)。因此，如何設(shè)計(jì)出一種具有射流長(zhǎng)度長(zhǎng)、化學(xué)活性粒子種類和數(shù)量多、溫度低、操作容易、擊穿電壓低、功率消耗小、放電穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的大氣壓低溫等離子體射流源，一直是學(xué)者研究的目標(biāo)，也是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)生低溫等離子體射流。與其他幾種激勵(lì)源不同的是，脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生很高的瞬時(shí)功率和較低的平均功率，這有利于對(duì)等離子體的產(chǎn)生進(jìn)行控制。同時(shí)，由于脈沖電壓的上升時(shí)間非常快從而可以獲得更高的電子密度、產(chǎn)生更強(qiáng)的化學(xué)活性物質(zhì)[15]。因此，脈沖電源被認(rèn)為是一種高效的、有廣泛前景等離子體激勵(lì)源，已有許多研究學(xué)者對(duì)脈沖驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生等離子體的特性進(jìn)行了研究。章程等[16-18]設(shè)計(jì)了緊湊型高頻微秒脈沖用于產(chǎn)生大氣壓等離子體并對(duì)脈沖參數(shù)與等離子體射流長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行了研究；J. L. Walsh等[19,20]對(duì)脈沖源和交流正弦驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生等離子體射流分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究了納秒脈沖電壓幅值對(duì)大氣壓介質(zhì)阻擋放電的影響；盧新培等[21]研究了脈沖寬度（100ns～200μs）對(duì)等離子體射流長(zhǎng)度的影響，結(jié)果表明等離子體射流長(zhǎng)度隨著脈沖寬度的增加而增加，脈沖寬度超過4μs時(shí)等離子體長(zhǎng)度最大；E. Karakas等[22]使用能產(chǎn)生脈寬2μs、重復(fù)頻率5kHz的納秒脈沖源研究了等離子體射流的發(fā)展過程并對(duì)射流電流進(jìn)行了測(cè)量；F. Iza等[23]通過建立計(jì)算機(jī)仿真模型對(duì)脈沖產(chǎn)生大氣壓等離子體進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，脈沖電壓的升高將使等離子體放電更迅速，并且可通過調(diào)節(jié)脈沖的形狀控制等離子體的化學(xué)成分。

大氣壓低溫等離子體射流具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，例如產(chǎn)生于開放的空氣環(huán)境中、高化學(xué)特性、氣體溫度低等，因此其非常適合于需要低溫處理的領(lǐng)域，這也對(duì)脈沖激勵(lì)源提出了新的要求。隨著脈沖功率技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展和潛在應(yīng)用，基于全固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)的多種高壓脈沖發(fā)生器被研制出來，如Marx發(fā)生器[24-28]、LTD[29]等。這些脈沖發(fā)生器所采用的半導(dǎo)體開關(guān)（如IGBT、MOSFET等）具有很好的可控性，而且使用壽命長(zhǎng)、工作頻率高[30-32]，因此對(duì)于研究脈沖參數(shù)與等離子體特性之間的關(guān)系，提供了很好的硬件平臺(tái)。根據(jù)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(huì)更加明顯。因此，設(shè)計(jì)一款具有較快脈沖上升沿和下降沿全固態(tài)脈沖發(fā)生器將極大地促進(jìn)等離子體的應(yīng)用。

大氣壓低溫等離子體射流裝置結(jié)構(gòu)主要包括介質(zhì)阻擋等離子體射流、類似介質(zhì)阻擋等離子體射流及非介質(zhì)阻擋等離子體射流等結(jié)構(gòu)。目前研究人員也設(shè)計(jì)研制出多種不同結(jié)構(gòu)的等離子體射流裝置，并對(duì)產(chǎn)生的射流特性及其應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。其中針-環(huán)形的介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可混入不同氣體產(chǎn)生等離子體射流，并根據(jù)研究目的而改變射流的化學(xué)特性。

本文研制了一套納秒脈沖等離子體射流發(fā)生裝置，它由基于Marx原理且?guī)в形睬虚_關(guān)的全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器和針環(huán)電極結(jié)構(gòu)的等離子體射流裝置組成。其中納秒脈沖發(fā)生器作為激勵(lì)源，是一臺(tái)獨(dú)立可控的高穩(wěn)定度的全固態(tài)脈沖發(fā)生器，可輸出的脈沖參數(shù)為脈沖幅值0～8kV連續(xù)可調(diào)，脈沖寬度100～1 000ns，重復(fù)頻率1Hz～1kHz，上升沿30ns左右，下降沿小于50ns。射流裝置為針-環(huán)形的介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)，采用石英玻璃作為絕緣介質(zhì)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能產(chǎn)生穩(wěn)定的大氣壓等離子體射流，為進(jìn)一步研究大氣壓等離子射流在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 納秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

1.1 基本工作原理

基于Marx原理且?guī)в形睬虚_關(guān)的納秒脈沖發(fā)生器的基本電路如圖1a所示，該發(fā)生器共有10級(jí)模塊組成，每級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同，這使得增減和更換電路級(jí)數(shù)變得十分簡(jiǎn)便。其中VD1～VD10為快恢復(fù)高壓二極管；S1～S10為半導(dǎo)體開關(guān)，是電路主開關(guān)；S11～S20同樣也為半導(dǎo)體開關(guān)，作為尾切開關(guān)；C1～C10為電路的儲(chǔ)能電容；Rload為負(fù)載電阻。

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

該全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器的工作過程如下：

（1）并聯(lián)充電過程如圖1b所示，用淺色表示各級(jí)主開關(guān)S1～S10處于可控關(guān)斷狀態(tài)，而各級(jí)尾切開關(guān)S11～S20處于導(dǎo)通狀態(tài)，高壓直流電源通過充電電阻R1和二極管VD1～VD10對(duì)主電容C1～C10充電，每一級(jí)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(lián)放電過程。當(dāng)并聯(lián)充電過程結(jié)束后，控制各級(jí)主開關(guān)S1～S10導(dǎo)通，各級(jí)尾切開關(guān)S11～S20關(guān)斷，二極管VD1～VD10因反向偏置而截止，各級(jí)電容與主開關(guān)形成串聯(lián)回路對(duì)負(fù)載電阻放電，如圖1c所示，此時(shí)會(huì)在負(fù)載上形成10Vin的正脈沖。

（3）尾切開關(guān)工作。在實(shí)際電路中，由于電路級(jí)數(shù)較多回路較長(zhǎng)，不可避免地會(huì)有大量雜散電容和電感參數(shù)存在，這些雜散參數(shù)會(huì)對(duì)負(fù)載輸出波形的下降沿產(chǎn)生非常大的影響，尤其是當(dāng)負(fù)載為容性負(fù)載時(shí)，往往導(dǎo)致負(fù)載波形的下降沿大大增加（甚至達(dá)到μs級(jí)），這顯然不利于射流裝置中等離子射流的產(chǎn)生，因此需要一組尾切開關(guān)為電路中的雜散電容提供一個(gè)快速的放電回路，從而使負(fù)載上電壓波形的下降沿大大縮短。尾切開關(guān)的工作過程如圖1d所示，10級(jí)電路中的雜散電容參數(shù)往往能達(dá)到上百pF，當(dāng)電路中各級(jí)主開關(guān)關(guān)斷，觸發(fā)原本關(guān)斷的各級(jí)尾切開關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)尾切開關(guān)給雜散電容提供了一個(gè)低阻抗的回路從而快速放電，這大大縮短了負(fù)載輸出波形的下降沿。

1.2 參數(shù)選擇

設(shè)計(jì)電路輸出脈沖幅值Vm=8kV，各級(jí)開通時(shí)電路中最大瞬時(shí)電流Im=8kV/300Ω≈26.7A，因此本文選用的半導(dǎo)體開關(guān)是CREE公司生產(chǎn)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(shí)間和下降時(shí)間分別是20ns和19ns。實(shí)驗(yàn)過程為保證發(fā)生器安全可靠運(yùn)行，每個(gè)模塊工作電壓最大為800V，選用的快恢復(fù)二極管為IXYS公司生產(chǎn)的DES6012A，反向擊穿電壓1 200V，長(zhǎng)期導(dǎo)通額定電流100A，恢復(fù)時(shí)間為40ns。

發(fā)生器使用的直流電源選取中國(guó)天津東文生產(chǎn)的DW-P351-40F74，輸出電壓為直流且0～1 000V可調(diào)，輸出電流最大值100mA。且具有短路、過載保護(hù)功能。

固態(tài)Marx電路中的電容起能量存儲(chǔ)和傳輸?shù)淖饔茫瑢?duì)電容的選取主要考慮其耐壓值和電容值兩方面因素。儲(chǔ)能電容的耐壓值應(yīng)該大于每一級(jí)MOSFET開關(guān)器件工作電壓來選取，因此儲(chǔ)能電容的耐壓值應(yīng)該選擇1 200V以上。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)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(chǔ)能電容器的電容值需要滿足

式中，CN為等效串聯(lián)電容；C為每一級(jí)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(fù)載電阻；N為開關(guān)單元的級(jí)數(shù)。根據(jù)式（1）計(jì)算得到每個(gè)儲(chǔ)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(chǎn)的1μF、工作電壓為1 200V的電容器作為Marx電路的各級(jí)主電容。

1.3 同步觸發(fā)控制信號(hào)設(shè)計(jì)

控制信號(hào)通過控制各級(jí)MOSFET的開通或關(guān)斷來改變電路中電容連接方式，從而在負(fù)載上產(chǎn)生所需要的納秒脈沖?？刂菩盘?hào)、驅(qū)動(dòng)電路和固態(tài)器件三者之間的關(guān)系如圖2所示。觸發(fā)控制電路產(chǎn)生兩路互補(bǔ)TTL方波脈沖控制信號(hào)，一路用來控制各級(jí)主開關(guān)，另一路用來控制各尾切開關(guān)工作。觸發(fā)控制電路輸出控制信號(hào)后，經(jīng)光纖隔離傳輸又轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)傳送至各級(jí)驅(qū)動(dòng)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(fā)生器中放電主開關(guān)S1～S10和尾切開關(guān)S11～S20的控制信號(hào)時(shí)序及負(fù)載輸出電壓波形如圖3所示。圖3中，在放電主開關(guān)關(guān)斷和尾切開關(guān)導(dǎo)通之前需要設(shè)置一個(gè)較短的死區(qū)時(shí)間Td，這是為了避免電路主開關(guān)和尾切開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通而形成短路，死區(qū)時(shí)間Td通常設(shè)置為20ns以上。尾切開關(guān)導(dǎo)通后，可獲取快速的下降沿。

圖3 控制信號(hào)及輸出波形時(shí)序圖Fig.3 Control signals and output waveform sequence diagram

2 脈沖發(fā)生器仿真分析及性能測(cè)試

2.1 Pspice仿真分析

為驗(yàn)證帶尾切的納秒脈沖發(fā)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(tǒng)的固態(tài)Marx的仿真電路和如圖5所示帶有尾切開關(guān)的全固態(tài)Marx仿真電路。仿真電路中使用的主開關(guān)為根據(jù)C2M0080120D參數(shù)表采用描點(diǎn)法自建MOSFET模型，以便于更加真實(shí)地模擬該型號(hào)MOSFET的工作情況。

圖4 理想開關(guān)狀態(tài)下固態(tài)Marx發(fā)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(guān)的全固態(tài)Marx電路仿真模型Fig.5 Solid state Marx circuit model with chopping switches

脈沖發(fā)生器主電路共有10級(jí)，每級(jí)儲(chǔ)能電容設(shè)為1μF，充電電壓為1kV，負(fù)載為300Ω純電阻負(fù)載。MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓幅值15V，脈寬300ns，頻率1kHz。

兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Marx發(fā)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(guān)的Marx電路的輸出波形的下降沿相比于傳統(tǒng)Marx電路更快，輸出脈沖的下降時(shí)間從原來的70ns縮短至30ns以內(nèi)。仿真結(jié)果充分說明帶有尾切開關(guān)的Marx電路用于產(chǎn)生快速下降沿的脈沖具有很好的效果。

圖6 傳統(tǒng)固態(tài)Marx電路和帶有尾切開關(guān)的固態(tài)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(fù)載特性對(duì)輸出波形會(huì)產(chǎn)生一定影響，當(dāng)負(fù)載為介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）裝置時(shí)，也相當(dāng)于在負(fù)載兩端并聯(lián)雜散電容，這會(huì)導(dǎo)致負(fù)載輸出波形的下降沿變得很長(zhǎng)，不利于二次放電產(chǎn)生納秒脈沖等離子體射流。為了研究負(fù)載兩端電容對(duì)輸出波形的影響，對(duì)不同負(fù)載兩端間電容CK（0、20、50、100和200pF）下的固態(tài)Marx電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中分析可知，負(fù)載兩端間電容CK對(duì)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(shí)間顯著增加，但是由于尾切開關(guān)的存在，負(fù)載電壓下降時(shí)間依然能夠保證在50ns以內(nèi)。

圖7 負(fù)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(fā)生器性能測(cè)試

為了驗(yàn)證上述的理論及仿真，本實(shí)驗(yàn)研發(fā)了由FPGA控制的10級(jí)模塊化帶尾切開關(guān)納秒脈沖發(fā)生器，如圖8所示。每一級(jí)模塊均包括儲(chǔ)能電容、主開關(guān)、尾切開關(guān)及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，各級(jí)之間用銅柱固定并導(dǎo)電，使得模塊的增減十分靈活。

實(shí)驗(yàn)中采用美國(guó)Tektronix公司的示波器DPO4054、P6139B和P6015A探頭進(jìn)行負(fù)載電壓測(cè)量，采用美國(guó)Pearson公司的6600型電流傳感器測(cè)量負(fù)載端電流，負(fù)載電阻為300Ω無感電阻。

圖8 納秒脈沖發(fā)生器主電路實(shí)物Fig.8 Prototype of nanosecond-pulse power generator

FPGA輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)控制Marx電路中主開關(guān)和尾切開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過控制觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度、重復(fù)頻率及脈沖個(gè)數(shù)來控制納秒脈沖發(fā)生器的輸出波形。觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過光電隔離后傳輸?shù)礁骷?jí)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)FPGA輸出主開關(guān)觸發(fā)脈沖信號(hào)的脈寬為300ns，頻率1kHz時(shí)，每級(jí)電路板上主開關(guān)和尾切開關(guān)的驅(qū)動(dòng)波形如圖9所示。

圖9 MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形Fig.9 The gate driving voltage waveforms of MOSFET

從圖9a中可知，主開關(guān)和尾切開關(guān)的驅(qū)動(dòng)波形的上升沿和下降沿（10%～90%）均保持在30ns以內(nèi)，其中主開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形的脈沖寬度為300ns，尾切開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度略大于主開關(guān)約為360ns。死區(qū)時(shí)間的設(shè)置是為了防止開關(guān)直通發(fā)生短路故障，但是死區(qū)時(shí)間過大又會(huì)導(dǎo)致尾切開關(guān)的作用不理想。因此，本文根據(jù)MOSFET器件本身和驅(qū)動(dòng)電路特性，設(shè)置死區(qū)時(shí)間為30ns。圖9b所示為主開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形下降沿和尾切開關(guān)的驅(qū)動(dòng)波形上升沿之間死區(qū)時(shí)間放大圖。

為了驗(yàn)證尾切開關(guān)的作用效果，通過FPGA控制調(diào)節(jié)主開關(guān)關(guān)斷和尾切開關(guān)導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間來觀察尾切開關(guān)對(duì)輸出波形負(fù)載下降沿的影響。圖10和圖11所示分別為電壓幅值8kV、重復(fù)頻率1kHz、脈沖寬度600ns，負(fù)載電阻為300Ω時(shí)的死區(qū)時(shí)間為50ns和30ns的輸出電壓波形。

圖10 死區(qū)時(shí)間為50ns時(shí)輸出波形Fig.10 The voltage waveform with dead-time 50ns

死區(qū)時(shí)間設(shè)置為50ns時(shí)尾切效果不明顯，輸出脈沖波形的下降沿超過50ns，且呈現(xiàn)明顯的階梯式下降。若尾切開關(guān)導(dǎo)通與主開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間間隔合適時(shí)，即將死區(qū)時(shí)間調(diào)整到30ns，如圖11尾切開關(guān)正常工作，輸出脈沖波形的下降沿會(huì)大大減少，降低到30ns以內(nèi)。

當(dāng)高壓直流電源輸出的充電電壓為850V時(shí)，300Ω電阻負(fù)載上的電壓、電流輸出波形如圖12所示。脈沖發(fā)生器輸出的納秒方波脈沖上升沿和下降沿均在30ns以內(nèi)（10%～90%），脈沖電壓幅值達(dá)到8.2kV，脈沖半峰值脈寬為600ns，脈沖電流幅值28A。從結(jié)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(jí)數(shù)的增加，電路中的雜散電容和電感隨之增加，使負(fù)載電壓波形出現(xiàn)一定的振蕩，但振蕩波形相對(duì)于輸出電壓較小，沒有引起輸出電壓波形出現(xiàn)較大畸變。

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

對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)，可以看出，實(shí)際脈沖發(fā)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(shí)際電路中包含的多種雜散參數(shù)，如回路電感、對(duì)地電容等均會(huì)對(duì)負(fù)載波形產(chǎn)生一定影響。

圖13為設(shè)定脈寬300ns，重復(fù)頻率1kHz不變，高壓直流電源輸出不同充電電壓時(shí)發(fā)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(dǎo)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(fā)生器裝置輸出的電壓波形如圖14所示，設(shè)置直流電源充電電壓為650V、重復(fù)頻率1kHz時(shí)，輸出脈沖的寬度可從200ns到1 000ns連續(xù)可調(diào)，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(shè)定充電電壓450V、脈寬300ns、重復(fù)頻率1kHz時(shí)，發(fā)生器裝置輸出到負(fù)載電阻上的電壓波形。從圖中可以看出，在重復(fù)輸出脈沖的情況下，發(fā)生器裝置工作頻率與設(shè)定值吻合，并且輸出脈沖的一致性較好，電壓跌落現(xiàn)象不明顯。

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

在不同負(fù)載阻值下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)定發(fā)生器輸出電壓相同，幅值均為6kV，觸發(fā)脈沖的重復(fù)頻率和脈沖寬度分別為100Hz和500ns，表1為不同負(fù)載電阻下輸出波形的邊沿時(shí)間、脈沖寬度、重復(fù)頻率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1中分析可知，脈沖下降沿隨負(fù)載變化呈正相關(guān)趨勢(shì)，當(dāng)負(fù)載阻值增加，輸出脈沖的時(shí)間常數(shù)也相應(yīng)增加，導(dǎo)致輸出脈沖的下降沿增大。從測(cè)試結(jié)果可以得出，輸出脈沖的上升沿和脈沖寬度與負(fù)載的關(guān)系不大，總體基本可保持恒定。

表1 不同負(fù)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(qū)動(dòng)等離子體射流實(shí)驗(yàn)

本文研制的納秒脈沖發(fā)生器用來產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電的等離子體射流。射流發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)主要由高壓電極、接地電極和絕緣介質(zhì)管組成，如圖16所示。其中高壓電極為長(zhǎng)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(zhì)管中。使用內(nèi)徑2mm、外徑4mm的石英玻璃管作為絕緣介質(zhì)管，絕緣介質(zhì)管設(shè)計(jì)為T形，主管和支管的長(zhǎng)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(zhì)管的末端，距出口1cm。

圖16 等離子射流裝置電極結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖，其中使用本文研制的納秒脈沖發(fā)生器作為驅(qū)動(dòng)電源來產(chǎn)生低溫等離子體，其高壓輸出端與針-環(huán)結(jié)構(gòu)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(yīng)，同時(shí)其電子碰撞反應(yīng)較少而穩(wěn)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(zhuǎn)子流量計(jì)來進(jìn)行控制，流速1～10L/min連續(xù)可調(diào)，氣體通過導(dǎo)管與經(jīng)轉(zhuǎn)子與射流裝置的支管相連。

圖17 納秒脈沖等離子體射流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(fù)頻率1kHz、氣體流速4L/min時(shí)，使用本文設(shè)計(jì)的等離子體射流裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(xì)絲放電而無火花放電通道。從噴口噴出到大氣壓環(huán)境中的射流長(zhǎng)度約為2cm，有明亮的內(nèi)核和“拖尾”。整個(gè)等離子體射流放電過程中比較安靜，沒有發(fā)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(dǎo)電流即等離子體放電電流波形。從圖中可知，放電主要發(fā)生在脈沖電壓的上升沿和下降沿階段，即一個(gè)脈沖周期內(nèi)發(fā)生了兩次放電，且正極性放電電流（上升沿）略大于負(fù)極性放電電流（下降沿）。其中正極性放電時(shí)的電流在脈沖電壓上升到最大值時(shí)幅值也達(dá)到了峰值（0.53A），此時(shí)外加空間電場(chǎng)也為最大。由于本文研制設(shè)計(jì)的納秒脈沖發(fā)生器輸出波形在經(jīng)過尾切開關(guān)的處理后可以得到快速的下降沿，因此在一個(gè)脈沖周期內(nèi)可以發(fā)生兩次放電。經(jīng)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(chǎng)極性相反的空間電場(chǎng)，導(dǎo)致負(fù)極性放電的產(chǎn)生。二次放電提高了等離子體射流產(chǎn)生的效率，本文設(shè)計(jì)的帶有尾切開關(guān)的納秒脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生較快的上升沿和下降沿，使得負(fù)極性放電的發(fā)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(jié)論

本文結(jié)合脈沖功率中納秒脈沖產(chǎn)生的相關(guān)原理和固態(tài)開關(guān)技術(shù)，研制了一種基于Marx電路并帶有尾切開關(guān)可以獲取輸出脈沖具有快速下降沿的高性能全固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器，并作為激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生等離子體射流。得出如下結(jié)論。

1）根據(jù)納秒脈沖驅(qū)動(dòng)產(chǎn)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(guān)的固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過引入尾切開關(guān)可以有效地減少輸出脈沖波形的下降沿。

2）通過對(duì)該納秒脈沖發(fā)生器性能進(jìn)行測(cè)試表明，該發(fā)生器能夠輸出電壓連續(xù)可變（0～8kV）、脈寬靈活可調(diào)（100～1 000ns）、重復(fù)頻率（1～1 000Hz）、且上升沿和下降沿均在30ns以內(nèi)的高壓納秒級(jí)方波脈沖。

3）通過等離子體射流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該納秒脈沖源可產(chǎn)生低溫等離子體射流，可在一個(gè)脈沖周期產(chǎn)生兩次放電，從而提高了等離子體射流產(chǎn)生的效率。后續(xù)將進(jìn)行等離子體射流參數(shù)與脈沖重復(fù)頻率、脈寬及幅值等參數(shù)之間的關(guān)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

董守龍 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)、等離子體源及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)中的電工新技術(shù)及高電壓新技術(shù)研究等。

E-mail: yaochenguo@cqu.edu.cn

國(guó)家創(chuàng)新研究群體基金（51321063），重慶市杰出青年基金（cstc2014jcyjjq90001）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（106112015CDJZR151102）資助項(xiàng)目。

2016-05-25 改稿日期 2016-08-15