动态负载匹配策略的高压纳秒级方波电穿孔系统研制与输出特性分析

1. 摘要 (Abstract)

纳秒脉冲电场（nsPEF）技术由于可以穿透细胞膜并在胞器膜上产生极化效应而在生物医疗领域受到关注。但是，在进行电穿孔的时候，组织的非线性时变阻抗特性非常明显，即随着电孔形成等效电阻会迅速降低，并且会导致传统脉冲电源出现电压下降、波形失真以及能量耦合效率减小的问题。

本项目研制出一套用碳化硅（SiC）MOSFET器件构成的高压纳秒级方波电穿孔系统，并且首次提出了动态负载匹配策略。实验表明，当该系统的输出阻抗由1kΩ骤降至100Ω时，在负载电阻为475KΩ的情况下仍可以保证其幅值误差小于3%，上升沿时间为约2.8ns（±0.6ns），大大提高了治疗剂量的准确度和控制性。

2. 研究背景及问题 (Introduction)

传统的电穿孔系统一般使用固定的脉冲形成网络（PFN）或者简单的电容放电方式。在异质性生物组织中应用时，由于细胞膜被击穿所引起的电导率变化使得该区域的电阻可以降低一个数量级，在大约50到100纳秒的时间内发生这种转变。

“失配”现象会导致：

反射波效应：由于源-负载阻抗不匹配，能量被反向传播到电源端，并损坏功率器件。

拖尾现象：方波脉冲后沿拖尾严重，加大了热损伤的风险。

因此，开发出一个可以实时感知负载变化并动态调节输出内阻的纳秒脉冲发生器就是本项目的首要任务。

3. 系统架构设计（System Architecture）

本系统使用了改进型的模块化固态Marx发生器（Solid-state Marx Generator）拓扑结构。与传统的气体开关相比，固体电容器具有寿命长、频率高、抖动小的特点。

高压脉冲功率实验室研发环境与测试平台搭建

3.1 主要功率级

使用耐压为1200V的第三代半导体SiC MOSFET作为主开关器件。利用它超低通态电阻（Rds(on）以及极快的工作速度，达到纳秒级前沿响应的效果。

3.2 控制逻辑

采用FPGA（Field Programmable Gate Array）作为中央控制单元，利用光纤隔离驱动电路来调控各个Marx模块的充放电时序，并达到10kV以上的电压叠加输出。

4. 动态负载匹配策略（Dynamic Load Matching Strategy）

本系统的主要创新点。设计了“多级并联补偿和有源钳位”的机制

功率模块PCB局部特写，展示了低感布局与高频驱动设计

策略详解：

1. 实时阻抗监测：利用高频霍尔传感器和分压网络，在脉冲发出前 10ns 内采样电流、电压，计算出瞬时负载电阻。

2. 动态级联调整：在负载处于高阻状态（穿孔初期）的时候，系统会切断一部分并联回路来保持高压输出。

当负载阻抗突然降低（穿孔形成阶段）时，FPGA微秒级指令触发备用并联功率模块介入，减小电源内阻、提供瞬态大电流以防止电压下降。

有源截尾技术：在脉冲结束的时候，利用并联的“截尾开关（Crowbar Switch）”快速释放负载上残留的能量，在20ns以内保持下降沿陡峭，并且消除拖尾带来的焦耳热损伤。

5. 输出特性分析及实验结果 (Experimental Results)

在模拟生物负载（电阻-电容并联网络）以及离体肝脏组织上进行了大量的测试。

5.1 波形质量分析

下图是负载发生剧烈变化时输出波形的比较。

高带宽示波器捕获的纳秒方波脉冲

关键指标实测：

脉冲宽度（Pulse Width）：100ns～10ns连续可调。

2. 上升沿(Rise Time)：12.5ns（在 500 Ω 负载下测得）。

3. 电压平顶度 (Voltage Droop): <2%（传统的系统一般>10%)。

5.2 细胞实验验证

在Hela细胞系的不可逆电穿孔实验中，用本系统处理过的样本进行操作时发现，在凋亡边界处没有出现由于波形拖尾所引起的热坏死区域。

电穿孔处理后的细胞荧光显微成像

6. 结论 (Conclusion)

本研究成功研制出一套带有动态负载匹配功能的高压纳秒级方波电穿孔系统。通过引入有源阻抗补偿和FPGA实时反馈控制，有效解决了由于生物组织变电阻特性而引起的信号畸变问题。

该系统研制后纳秒脉冲频谱纯度得到改善，也给临床肿瘤消融治疗提供了一种更加安全、精确的能量施加工具。未来的工作将重点放在多针电极的独立通道阻抗平衡控制上，并且要适应更复杂的解剖环境。