基于MOSFET的脉冲电源用于细菌转化

1.实验引言

高电压脉冲电场在生物技术和药品领域的应用使得癌症治疗、基因治疗、药物传递和非热灭活微生物等方面有了新的突破。无论何种应用，目标都是打开毛孔中的细胞膜，或是促进外在材料进入细胞或完全杀死细胞。电穿孔是一个将脉冲电场应用于活细胞以诱导细胞膜通透性的过程，在电穿孔过程中需要具有产生高电压可控脉冲的脉冲电源。据报道，电场强度在数十兆伏每米的微秒级脉冲能够将液态食物中的细菌杀死，脉冲电场的应用可以解决很多生物问题。

许多脉冲参数如电场强度、脉宽、上升时间、每秒内的脉冲数和脉冲之间的时间间隔等都能影响电穿孔的过程。然而，其中最重要的参数是脉宽和电场强度。此外，快的上升时间也是非常有利的。关键点在于这些脉冲参数必须高度控制以得到最合适的毛孔大小和入口，同时避免细胞膜因倒转而破裂。因此，具有控制在脉宽内的多个重要脉冲参数和在任何传导媒介下提供稳定脉冲形状的脉冲发生器非常必要。半导体开关有控制开关的能力，可以产生可控脉宽的方形脉冲。具有产生400V纳秒级脉冲能力的基于MOSFET的单个脉冲发生器已经设计出来，设计重点集中在可以控制脉冲形状的紧凑设备。本例中给出了类似的400V纳秒脉冲发生器，用于电穿孔介质药物和基因传递。为了克服基于MOSFET的脉冲发生器较低的电压率，实验采用多MOSFET串联的脉冲发生器以增加设备的电压能力。

实验中使用的基于MOSFET的脉冲电源可以产生幅度高达3000V，脉宽在纳秒至微秒级的可控方波的，没有对不同负载下的波形形状进行折中。

2.实验建立

本实验中使用的基于MOSFET的脉冲电源能够产生的可控方波幅度可达3000V，脉宽在100ns到几个微秒。图3-40中所示的脉冲电源包括一个微控制器，一个MOSFET驱动电路，一个用于保护MOSFET的门极保护电路，两个串联MOSFET，一个储能电容器（5μF），一个高电压直流电源（格拉斯曼高电压WX5R200，5kV，200mA）和负载电路，与电容器并联的作为电阻的电穿孔模块。图3-41给出了由基于MOSFET的脉冲电源产生的输出脉冲，负载传导率为0.7mS／m。

图3-40 串联MOSFET脉冲电源图(www.xing528.com)

图3-41 基于MOSFET的脉冲电源输出电压测量值

（1）功率控制模块 在脉冲电场的应用中，精确控制脉冲参数是非常重要的，特别是当有必要对过程进行优化的时候。因此，能够确定应该使用一个微控制器给MOSFET驱动电路以门极脉冲。微控制器采用的是PIC18LF458，时钟频率为40MHz，4个时钟周期为一个指令周期。因此，微控制器每秒能计算1000万个指令，这就意味着每个指令能在100ns内完成，这就限制了能够实现的最小脉冲宽度和脉冲间隔时间。除了100ns的限制，用户还可以精确控制脉冲宽度，脉冲数和两个连续脉冲之间的时间间隔。用户可以编写任何脉冲序列，而且不需要相同的脉宽，脉冲间的时间间隔也不必为常数。

在正常工作下，微控制器需要一个5V的直流电源，它可作为功率和控制模块的一部分以使设备更加紧凑而独立于外部元器件。电源和控制模块与标准110V有效电压、60Hz插座相连，同时使用常规的交流到直流转换器和5V稳压器将电源转换为直流。有此电源供给，微控制器可以给MOSFET门极驱动发送信号脉冲，利用15V的电源来驱动MOSFET。基于上述理由，15V的电源供应也是作为电源和控制模块的一部分。同时在MOSFET的开关过程中，能够在规定的时间内提供需要的门极电流。

（2）脉冲发生电路 基于MOSFET的脉冲电源使用两个额定电压值为1500V的MOSFET，理论上可以串联产生幅度达到3000V的可控方波。由于电路中的元器件为非理想，应该与MOSFET的最大阻断电压保持一定的安全裕度。虽然有两个MOSFET，此脉冲电源仍然使用一个驱动电路来驱动两个MOSFET，从而降低了元器件数目，也简化了电路板布局。设计中MOSFET的串联是基于扩大的思想和高压电源MOSFET，此外，还使用了一个门侧技术来利用MOSFET的内部电容实现门信号的同步。采用了单一的MOSFET驱动器和一个270pF电容器，位于第二个MOSFET的栅极和地电位之间。电路的正常工作依赖于MOSFET的栅源电容和附加270pF电容之间的电压分配。当直接连接于驱动电路的MOSFET开通时，漏电压的变化由第二个MOSFET的有效栅源电容和270pF电容分担。

当MOSFET不工作的时候，位于MOSFET的漏源端的分流电阻用于平分其两端的电压。为了达到在MOSFET不工作时均压的目的，分流电阻中的电流必须大于MOS-FET的漏电流。此外，设计中还应该考虑电阻的额定功率。低阻值的电阻必须有更高的额定功率，因为有更多的电流会通过。除了在低阻抗下增加电路的损耗，高功率电阻会更加昂贵难求，且体积比较大。基于以上考虑，电路中采用了1.2μA／2W的电阻。由此产生的通过分流电阻的1.25mA电流远大于MOSFET的100μA零栅压漏电流，以起到均压的作用。