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应用于模块化高压纳秒脉冲源的SiC与射频Si基MOSFET瞬态开关特性对比研究

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中国电机工程学报 2020年第6期40卷 1817-1828页

作者：马剑豪何映江余亮董守龙姚陈果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) 重庆市沙坪坝区400044

碳化硅(silicon carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,MOSFET)比Si MOSFET具有更低的导通电阻、更高的通流能力和热稳定性。但射频硅(radio frequency silicon,RF-Si)基MOSFET凭借其优异的开关动态特性,在高压纳秒脉冲发生器中的使用比SiCMOSFET更为普及。为了拓展SiC MOSFET的应用范围,通过RF-Si和SiCMOSFET在多脉冲参数条件下瞬态开关特性(动态特性、瞬态开关损耗、时间抖动)的对比研究,该文揭示2种半导体器件在瞬态高压和强流下的开关特性差异。实验结果表明:相对于RF-Si基MOSFET,SiC MOSFET的优势体现在开通、关断时间。但由于寄生参数的影响,SiC MOSFET呈现出更大的振荡和过冲,而在瞬态开关损耗、时间抖动方面没有明显的优势。因此,通过改进SiCMOSFET的封装从而减小寄生参数,将推动SiC MOSFET在高压纳秒脉冲发生器中的应用。

关键词： SiC MOSFET 射频纳秒短脉冲脉冲功率源高电压

一种升压模式的可调极性高频Blumlein脉冲形成线功率调制模块

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电工技术学报 2021年第2期36卷 425-434页

作者：何映江余亮马剑豪董守龙姚陈果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 重庆大学电气工程博士后流动站重庆400030

随着脉冲功率技术在新型粒子加速器、生物细胞实验仪器等领域拓展应用,对脉冲功率发生器高重复频率、短脉冲、脉冲参数灵活可调提出更高的要求。该文研究了一种新型的功率变换模块电路拓扑。这种电路拓扑由LC振荡升压单元和Blumlein形... 详细信息

随着脉冲功率技术在新型粒子加速器、生物细胞实验仪器等领域拓展应用,对脉冲功率发生器高重复频率、短脉冲、脉冲参数灵活可调提出更高的要求。该文研究了一种新型的功率变换模块电路拓扑。这种电路拓扑由LC振荡升压单元和Blumlein形成线单元组成,利用多开关时序逻辑控制实现对输出波形参数的调整,相对于传统Blumlein线在保留其短脉冲成形优点的同时,能获得输出脉冲频率数倍于开关频率,输出电压幅值数倍于直流充电电压,输出脉冲的极性及间隔时间的灵活调整。同时,通过动态电路的时域分析和传输线波过程分析阐述该电路的工作原理,并通过电路仿真加以验证。此外,采用射频MOSFET开关和同轴电缆搭建一台原理样机,在负载匹配时,实现了在开关频率500kHz时输出脉冲频率1MHz、输出脉冲电压幅值4倍于直流电源电压20ns的短脉冲。

关键词：纳秒脉冲发生器 LC振荡电路 Blumlein脉冲形成线半导体开关

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一种全固态多匝直线型变压器驱动源的研制

电工技术学报 2020年第7期35卷 1584-1591页

作者：董守龙王艺麟曾伟荣马剑豪姚陈果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 重庆大学电气工程博士后流动站重庆400030

针对脉冲电磁场生物医学应用中高电压大电流宽范围脉冲的应用需求,设计了一种多匝直线型变压器驱动源(LTD)。该LTD脉冲发生器的磁心采用多匝绕制的方式,可输出宽脉宽的脉冲。设计了各级LTD模块同向绕制的驱动供电及储能充电隔离方式,各... 详细信息

针对脉冲电磁场生物医学应用中高电压大电流宽范围脉冲的应用需求,设计了一种多匝直线型变压器驱动源(LTD)。该LTD脉冲发生器的磁心采用多匝绕制的方式,可输出宽脉宽的脉冲。设计了各级LTD模块同向绕制的驱动供电及储能充电隔离方式,各级磁心隔离电压为LTD模块的工作电压。多匝LTD脉冲发生器共由10级LTD模块组成,各级LTD模块由18个储能电容及MOSFET放电开关并联,并设计了其同步驱动电路。通过对各主要器件的型号进行分析筛选,研制了模块化紧凑型多匝LTD全固态脉冲源样机,可输出脉冲参数为:电压幅值0~5kV,输出脉冲电流高达500A,脉冲宽度200ns^5μs,上升沿30ns,下降沿16ns,其脉冲宽度、幅值等参数均灵活可调,并且可通过增加LTD模块的数量,实现更高电压的脉冲输出。

关键词：脉冲源直线型变压器驱动源纳米晶磁心固态开关宽脉冲

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一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器

电工技术学报 2020年第4期35卷 799-806页

作者：王晓雨董守龙马剑豪余亮姚陈果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 国网河北省电力有限公司沧州供电分公司沧州061000 重庆大学电气工程博士后流动站重庆400030

随着脉冲功率技术在生物医疗、食品加工、电磁成形、等离子体研究等领域日益广泛而深入的应用,脉冲发生器的研制面临高压高频化、双极性、全固态化等新要求。因此,该文提出一种新型模块化的双极性高压高频脉冲发生器的研制策略,主要包... 详细信息

随着脉冲功率技术在生物医疗、食品加工、电磁成形、等离子体研究等领域日益广泛而深入的应用,脉冲发生器的研制面临高压高频化、双极性、全固态化等新要求。因此,该文提出一种新型模块化的双极性高压高频脉冲发生器的研制策略,主要包括拓扑结构研究、电路理论仿真及原型机研制等内容。通过理论分析、仿真和实验,结果表明此发生器较好地结合了固态Marx和桥式电路的优点,可根据实际需求,通过量化的多级模块堆叠实现高压输出;并可使用开关的时序逻辑控制实现输出极性和脉冲宽度灵活调节;同时具有高重频长寿命。实验原理样机具体参数为输出电压幅值±5kV,脉冲串内重复频率2.5MHz,脉冲宽度200ns^10μs连续可调。

关键词：脉冲功率源碳化硅MOSFET Marx电路高电压技术双极性

基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制

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电工技术学报 2018年第13期33卷 3089-3097页

作者：王昌金姚陈果董守龙马剑豪谭坚文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

针对不同应用领域中负载阻抗的多样性,研制一种基于Marx和直线型变压器驱动源(LTD)拓扑的复合模式脉冲源。该脉冲源包含4个LTD模块,且每个LTD模块由1个3级Marx电路组成。其主要优点是可以降低对隔离电源模块、触发同步性的要求,负载适... 详细信息

针对不同应用领域中负载阻抗的多样性,研制一种基于Marx和直线型变压器驱动源(LTD)拓扑的复合模式脉冲源。该脉冲源包含4个LTD模块,且每个LTD模块由1个3级Marx电路组成。其主要优点是可以降低对隔离电源模块、触发同步性的要求,负载适应能力强,并且可使脉冲装置小型化。首先对该脉冲源拓扑结构和参数进行设计和理论计算,并采用PSpice软件验证其可行性,最后研制复合模式脉冲源的样机并测试其性能。该脉冲源采用MOSFET作为主开关,二极管作为隔离元件,用含锁相环功能的现场可编程门阵列(FPGA)产生控制信号。该脉冲源的输出脉冲参数:幅值为0~8 kV,脉宽为60~160 ns,脉宽步进可达1 ns,重复频率为1 kHz,上升沿约10 ns。通过FPGA产生相移控制信号对该脉冲源的每级进行单独控制,可实现对输出脉冲上升沿和下降沿的灵活调节。脉冲源采用模块化设计,可以通过增加模块数量方便地提高最大输出电压。

关键词：脉冲源 Marx 直线型变压器驱动源固态开关现场可编程逻辑门阵列锁相环

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协同纳微秒的全固态脉冲发生器研制

高电压技术 2020年第11期46卷 4061-4068页

作者：王艺麟马剑豪董守龙曾伟荣余亮姚陈果重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400030

高压窄脉冲与低压宽脉冲的协同方式可显著增强不可逆电穿孔(irreversible electroporation,IRE)的杀伤效果,扩大消融体积。为了深入研究协同脉冲增强不可逆电穿孔杀伤机制,设计了一种能灵活产生高压纳秒–低压微秒的协同脉冲序列的全固... 详细信息

高压窄脉冲与低压宽脉冲的协同方式可显著增强不可逆电穿孔(irreversible electroporation,IRE)的杀伤效果,扩大消融体积。为了深入研究协同脉冲增强不可逆电穿孔杀伤机制,设计了一种能灵活产生高压纳秒–低压微秒的协同脉冲序列的全固态脉冲发生器拓扑结构;基于现场可编程门阵列,搭建了满足控制时序要求的固态开关控制平台;最终研制了一套灵活产生协同脉冲的全固态脉冲发生器,并进行了样机的性能测试与实验验证。结果表明:该脉冲发生器能有效产生协同脉冲序列并增强细胞杀伤效果;该脉冲源可输出的纳秒脉冲参数为:电压幅值0~10 kV可调、脉宽100 ns^1μs可调、在100Ω负载下电流幅值可达100 A,微秒脉冲参数为:电压幅值0~3 kV可调、脉宽5~100μs可调、在100Ω负载下电流幅值可达30 A,且纳秒与微秒脉冲间隔时间任意可调。经过实验验证,全固态协同脉冲发生器的输出参数、样机性能满足协同脉冲诱导IRE相关生物实验需求,对于进一步研究协同脉冲的生物电学效应奠定了硬件基础。

关键词：脉冲源协同脉冲全固态开关不可逆电穿孔 FPGA

基于测量脉冲反馈信号的组织电穿孔动态过程分析

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高电压技术 2018年第2期44卷 575-583页

作者：姚陈果刘红梅董守龙赵亚军吕彦鹏马剑豪重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室

为深入研究脉冲电场与生物组织的相互作用机制,通过在脉冲处理全过程施加低压测量脉冲的方式,探究了组织电穿孔过程的动态变化,分析了组织的电容效应、电穿孔过程中的形成与释放。研究结果表明：生物组织作为电阻电容性负载,在脉冲电场... 详细信息

为深入研究脉冲电场与生物组织的相互作用机制,通过在脉冲处理全过程施加低压测量脉冲的方式,探究了组织电穿孔过程的动态变化,分析了组织的电容效应、电穿孔过程中的形成与释放。研究结果表明：生物组织作为电阻电容性负载,在脉冲电场作用下发生复杂电穿孔形式（可逆电穿孔、不可逆电穿孔）,脉冲参数大小可调控所诱导发生的电穿孔形式,在传统脉冲（脉冲宽度为100μs,重复频率为1 Hz,电场强度为100~1 000 V/cm）作用下,随着脉冲个数增加,电穿孔程度增加,组织由可逆电穿孔向不可逆电穿孔形式转变;同时,脉冲期间电穿孔的释放主要发生在ms级时间内,1 s时间后以不可逆电穿孔占主导形式。综上所述,通过测量脉冲反馈信号的分析进一步了解了脉冲与生物组织或细胞的相互作用机制,建议通过此反馈信号来建立电穿孔效果实时评估体系,结合实际的电场分布、热场分布以及电穿孔消融阈值,从而更加准确地模拟脉冲电场作用下的处理效果,为进一步深入了解脉冲电场作用下组织的生物电效应,推进脉冲电场的应用提供理论依据。

关键词：电穿孔组织消融过程脉冲电场测量脉冲反馈信号 IRE 不可逆电穿孔

高速SiC-MOSFET叠层封装结构设计及性能评估

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强激光与粒子束 2024年第2期36卷 138-144页

作者：马久欣马剑豪任吕衡余亮姚陈果董守龙重庆大学输变电装备技术全国重点实验室重庆400044

作为脉冲系统的核心部件,开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用,开关通断速度往往决定脉冲上升时间,高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构,整体布局无引线、无外接,具有极低寄生电感。开展了电磁场... 详细信息

作为脉冲系统的核心部件,开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用,开关通断速度往往决定脉冲上升时间,高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构,整体布局无引线、无外接,具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究,揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律,明确了封装结构电磁薄弱环节,为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台,对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明,大电流工况下,所提封装电流开通速度提升48%,关断速度提升50%,开通损耗降低54.6%,关断损耗降低62.8%,实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。

关键词：脉冲功率开关 SiC-MOSFET 开关封装结构双脉冲测试开关动态性能

高压纳秒脉冲电场杀伤化疗抗性肿瘤细胞的实验机理研究

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中国生物医学工程学报 2019年第3期38卷 332-338页

作者：刘红梅王莉董守龙马剑豪王艺麟姚陈果重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044 陆军军医大学基础医学院免疫学教研室重庆400038

肿瘤严重危害人类生命和健康,化疗抵抗是当前临床肿瘤治疗所面临的主要屏障之一。为探究高压纳秒脉冲电场是否能够对化疗抵抗的肿瘤细胞具有同等敏感性,以肺癌细胞系A549及顺铂化疗抵抗的A549/R为研究对象,用80个脉冲宽度为200 ns,场强... 详细信息

肿瘤严重危害人类生命和健康,化疗抵抗是当前临床肿瘤治疗所面临的主要屏障之一。为探究高压纳秒脉冲电场是否能够对化疗抵抗的肿瘤细胞具有同等敏感性,以肺癌细胞系A549及顺铂化疗抵抗的A549/R为研究对象,用80个脉冲宽度为200 ns,场强为5~15 kV/cm的纳秒脉冲作用后分析对比其活性情况、致死效应及消融阈值差异。结果表明:当场强为8、10、15 kV/cm纳秒脉冲电场作用下A549/R细胞的存活率分别为5.65%、7.78%、2.80%,显著低于A549(分别为48.31%、26.8%、5.96%);诱导的凋亡和坏死率也显著高于A549(P<0.05);在80个宽度为200 ns,场强为15 kV/cm的脉冲作用下,A549/R单层细胞消融面积是A549的1.59倍;A549/R的消融阈值为~8 kV/cm,显著低于A549(~13 kV/cm)。因此,纳秒脉冲电场为可优先选择杀伤化疗抵抗的A549/R细胞,诱导更高的凋亡率、消融面积,并且有更低的消融阈值。高压纳秒脉冲对化疗抵抗的肿瘤细胞的选择性作用,可望作为一种新型的物理选择方式联合其他肿瘤治疗方法,克服肿瘤治疗临床难点,为化疗抵抗或高恶性度的肿瘤消融提供新策略。

关键词：纳秒脉冲化疗抵抗电穿孔肿瘤治疗靶向消融