学术报告

第一部分：研究背景、主要作者、发表信息

这项研究的主要作者包括刘向前、陈盈、彭梓皇、李柳霞、贺恒鑫，隶属于华中科技大学电气与电子工程学院。研究成果发表在《High Power Laser and Particle Beams》（《强激光与粒子束》）的第36卷第10期，发布时间为2024年10月。该研究提出了一种基于分布式理念的全固态波形可调高压脉冲发生器，并详细阐述了其工作原理、设计流程、实验验证以及实际表现。

第二部分：学术背景与研究目的

高压脉冲技术近年来在灭菌、食品处理、高压绝缘测试、等离子体技术、臭氧处理等多个领域得到广泛应用。在这些应用中，高压脉冲的幅值、波形形状、脉宽以及重复频率是影响性能的重要参数。为了满足这些多样化的需求，高压脉冲设备需要具备高度的定制性和灵活性。

1966年，E. A. Jung和R. N. Lewis首次提出雪崩晶体管的全固态Marx发生器，并在之后半个世纪里取得了一系列技术进展。然而，这种集中式设计的脉冲发生器存在规模扩展难度大、拓展不灵活的问题，难以满足多样化场景下的需求。因此，本研究希望解决集中式设计的局限性，提出一种分布式全固态波形可调高压脉冲发生器，提供更高的系统规模扩展性、更灵活的组合方式以及更高的标准化设计水平。

第三部分：研究流程与方法

模块化设计与工作原理

研究提出了一种基于分布式结构的分层设计，脉冲发生器由多个模块化全固态Marx单元组成。每个模块具有独立的半桥型Marx拓扑（marx circuit topology with half-bridge structure），支持充电模式、放电模式与电压钳位模式的切换。模块通过磁隔离驱动信号控制各级开关的导通与关断，从而实现电容的高效充放电。

1. 单模块的电路拓扑设计
   单模块包括n级Marx电路，每级包含2n+1个半导体开关，能够提供n+1级的多电平脉冲输出。设计中特别考虑了减少结电容导致的预脉冲现象和杂散电容造成的信号拖尾问题，以提高输出的波形质量。

2. 磁隔离驱动机制
   由于每级半导体开关处于不同电位，驱动系统需要分布式隔离。采用成本低、技术成熟的磁隔离方案，为高压侧开关提供驱动信号。通过精心设计的硬件系统和同步时序控制，保证不同开关在导通与关断时的协调。

3. 分布式组合架构
   分布式架构将系统分解为多个标准化模块，每个模块独立控制。模块通过通信总线进行连接和协调，同步信号确保多个模块能够配合工作。结构中，高压侧与低压侧分别分工明确，既简化了控制复杂性，又增强了整体的稳定性。

波形产生机制

波形采用“最接近电平调制策略”（Nearest Level Modulation, NLM）来模拟目标脉冲波形。NLM方法通过分解波形为等电压阶跃的叠加效果近似任意单极性波形，同时结合模块的多电平输出能力，对实际的波形进行高精度的拟合。以高斯波形为例，研究提出了一种基于分布式脉冲叠加的调制算法，通过模块协调输出构建精确可调的高压波形。

实验样机搭建与测试

作者搭建了3台具备8级基本单元的实物样机，单模块输出包含0电平的9级波形，三台串联后组成25级Marx电路。每级的储能电容选用耐压1000V的100nF多层陶瓷电容，充电电压为700V，总输出幅值达到16kV，符合气隙放电等高压应用场景的需求。

实验平台包括高压直流电源、低压驱动电源以及高速示波器。同步实验验证中，采用不同单极性复杂波形（如高斯波、双指数波、正弦波、梯形波等），展示了脉冲幅值和波形的自由调整能力。

第四部分：主要研究结果

1. 电路设计与模块性能评估
   单模块设计紧凑，占用空间15cm×11.5cm×25cm，输出包含0电平和8个电平，总幅值5.6kV。多模块串联后，在实现16kV输出电压的同时保持了紧凑性和高可靠性。

2. 波形生成机制验证
   实验验证了分布式结构下高斯波形、双指数波形等多种波形的精确再现能力。实际波形与理论模拟波形吻合较好，最大误差控制在5%以内。进一步测试显示，随着模块和电平数量的增加，波形拟合精度和幅值都获得显著提升。

3. 分布式控制优势
   相比传统的集中式Marx设计，这种分布式方法显著简化了控制系统的复杂性。模块化设计使得整体系统具备强大的可拓展性：通过简单增加模块数量，即可提升级数与电压幅值。此外，在模块故障情况下，可快速替换故障单元而不影响系统运行。

第五部分：研究意义与价值

这项研究不仅在理论上突破了集中式设计的限制，还通过实验验证了分布式设计在高压脉冲发生器领域中的实际应用价值。其主要意义包括： - 科学价值：该研究为分布式高压脉冲电源的设计提供了参考范例，特别是多模块协调控制、高压波形拟合等方面的创新。 - 工程应用：系统的灵活性、可扩展性和可靠性使其能够满足灭菌、食品处理、气隙放电等多个领域的需求。模块化设计降低了制造与维护成本，提高了系统的普及性。

第六部分：研究亮点

1. 分布式架构创新性
   本研究采用分布式设计，将传统集中式电路拆解为多个独立功能模块。这种方法提升了整体性能，简化了硬件设计，增强了系统拓展性。

2. 多电平高压波形生成技术
   基于Marx多级电路的多电平生成方法结合NLM近似策略，第一次在分布式结构下实现了对复杂波形的模拟生成。

3. 实验验证的实际价值
   实验验证了样机在高压复杂波形产生中的优良性能，证明其符合不同领域的实际需求。

第七部分：总结与展望

通过分布式设计的全固态波形可调高压脉冲发生器为传统高压脉冲供电系统带来了新的可能性。这种系统简单易扩展、高度标准化，可为未来高压技术领域的研究及应用提供重要技术支持。进一步研究中，可尝试优化模块间通信延迟、提升对非线性负载的适应能力，以及探索更高电压与更复杂波形的生成能力。