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MSGK高低壓通電試驗(yàn)臺 基于固體開關(guān)器件的新型高壓脈沖驅(qū)動源
點(diǎn)擊次數(shù)：1297 發(fā)布時(shí)間：2012-8-15
高壓快脈沖源的技術(shù)基礎(chǔ)核心是高壓快開關(guān)。以前固體器件開關(guān)盡管具有速度快,、晃動小等優(yōu)點(diǎn),，但由于技術(shù)與工藝水平的限制,，不具備有電真空器件的大功率,、耐高壓,、大電流驅(qū)動能力等特點(diǎn),，因而只能用于低壓快脈沖源領(lǐng)域,，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了高壓固體器件,，采用多管級聯(lián)方式,，提高輸出功率，逐步改變了現(xiàn)狀,，并且在中小功率的脈沖源領(lǐng)域中,，逐步地取代了真空電子器件及氫閘流管。這里重點(diǎn)研究基于固體開關(guān)的脈沖驅(qū)動技術(shù),，對雪崩管,、高壓功率場效應(yīng)管的機(jī)理進(jìn)行了深入調(diào)研，對其開關(guān)原理和開關(guān)特性進(jìn)行了綜合分析研究,，著重對提高大功率高壓場效應(yīng)管開關(guān)速度的柵極驅(qū)動及特殊的“過”驅(qū)動方法開展研究,，確定采用MOSFET為主開關(guān)元件的技術(shù)方案，運(yùn)用ORC.ADPspice軟件對電路仿真,，分析并驗(yàn)證高壓MOSFET單管,、多管級聯(lián)及驅(qū)動理論，以提高脈沖的前沿的方法措施,，達(dá)到了電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),。
1 MOSFET的選用和開關(guān)速度的提高
在選用納秒級的固體開關(guān)上，對固體雪崩三極管和MOSFET的性能進(jìn)行了對比：
固體雪崩管被觸發(fā)工作在雪崩或二次擊穿瞬間時(shí),，能輸出很大的脈沖峰值電流,，且觸發(fā)晃動和上升時(shí)間都很小;但是由于雪崩持續(xù)時(shí)間很短,，大約只有幾個(gè)ns，所以輸出脈沖平均功率較低,，脈沖寬度較窄,，電流難以控制。因此廣泛用于制作重復(fù)頻率低而脈沖功率高的窄脈沖源,。
MOSFET具有大的脈沖開關(guān)電流（數(shù)十安培）,、較高的漏源電壓（達(dá)千伏）、和小的導(dǎo)通內(nèi)阻（歐姆量級）,，用它制作的脈沖源抗脈沖電磁干擾能力較強(qiáng),。由于其輸入/輸出電容較大，因此它的開關(guān)速度較慢,。但場效應(yīng)管脈沖源電壓幅度和寬度容易調(diào)節(jié),，只要在“過”驅(qū)動電路上開展研究，以提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度,，這樣就可以產(chǎn)生納秒級上升時(shí)間的大幅度的寬脈沖,，那么基于MOSFET納秒高壓寬脈沖源的研究就是十分可行的。
2 MOSFET的開關(guān)機(jī)理分析
采用“過”驅(qū)動能提高功率MOSFET的開關(guān)速度,，就是使對MOSFET柵極驅(qū)動脈沖波形的前沿很快且上沖大大超過額定的柵源驅(qū)動電壓,，柵極驅(qū)動源的驅(qū)動能力在很大程度上決定了MOSFET的開關(guān)速度。加快MOSFET的開關(guān)速度關(guān)鍵之一就是減小柵極電阻和柵極電容,，提高跨導(dǎo)gm,，提高柵極驅(qū)動電壓。
為了提高M(jìn)OSFET管的開關(guān)速度,，從電路設(shè)計(jì)角度考慮要求柵級驅(qū)動電路：能夠提供較大的驅(qū)動電流,、驅(qū)動電壓以及具有較快前沿的柵極驅(qū)動脈沖，同時(shí)要求驅(qū)動電路的輸出電阻應(yīng)盡量小,。因此柵極驅(qū)動開關(guān)器件必須能輸出瞬間大電流,，因而采用雪崩管來驅(qū)動MOSFET，可以得到很快的導(dǎo)通速度,。
3 MOSFET過驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
MOSFET柵極驅(qū)動開關(guān)器件必須能輸出瞬間大電流,。而雪崩晶體管是工作在雪崩或二次擊穿狀態(tài)，瞬間輸出的脈沖峰值電流很大,、幅度很高,、晃動很小、開關(guān)速度又很快,，用雪崩管驅(qū)動MOSFET可以得到很快的導(dǎo)通速度,。實(shí)驗(yàn)中采取射極跟隨和雪崩電路來觸發(fā)MOSFET，因而可以得到了較快的前沿和較小的輸出電阻,。為了消除因分布電容耦合效應(yīng)所造成的功率電路對驅(qū)動電路的影響,，必須使用帶隔離的驅(qū)動電路,。為此在電路設(shè)計(jì)中采用雪崩管加脈沖變壓器組合的“過”驅(qū)動的方法，提供驅(qū)動MOSFET柵極所需的大電流“過”驅(qū)動脈沖,，以實(shí)現(xiàn)提高M(jìn)OSFET開關(guān)速度的目的,。過驅(qū)動電路是由射極跟隨器、雪崩管電路和脈變壓器耦合電路組成,。
射極跟隨器起阻抗變換的作用,，雪崩管脈沖峰值電流達(dá)60 A。電路設(shè)計(jì)時(shí),，高壓電源電壓為300 V,，輸出級為集電極輸出形式，輸出負(fù)載為高頻脈沖變壓器（次級接高壓場效應(yīng)管的柵極）,，由此管產(chǎn)生輸出脈沖極性為負(fù),，脈沖幅度300 V左右,，脈沖前沿?cái)?shù)納秒的大電流脈沖輸出,，該輸出脈沖通過反相脈沖變壓器變成正的大電流“過”驅(qū)動脈沖去驅(qū)動場效應(yīng)管，使高壓場效應(yīng)管的開關(guān)速度得以提高,。
柵極過驅(qū)動脈沖波形的前沿應(yīng)該很快,，且上沖大大超過額定的柵源驅(qū)動電壓值（脈沖前沿約為3 ns、幅度約為170 V）,，但因上沖的脈沖寬度很窄（約為7 ns）,。因此可以達(dá)到快速驅(qū)動MOSFET的柵極，又不會損壞MOSFET,。
3.1 單路MOSFET仿真實(shí)驗(yàn)
為得到較快的脈沖驅(qū)動源輸出波形的前沿需要MOSFET的開關(guān)速度盡量快,。根據(jù)對MOSFET的開關(guān)特性分析可知，從電路上考慮,，加快MOSF ET的開關(guān)動作有以下途徑：
（1）提供較大的柵極驅(qū)動電流和電壓,，使功率MOSFET柵極電容迅速充放電，從而減小功率MOSFET關(guān)斷時(shí)間;
（2）提供較快的驅(qū)動脈沖,，從而提高功率MOSFET的關(guān)斷速度,。
單管MOSFET實(shí)驗(yàn)電路的輸出波形。波形幅度約1 kV,，前沿時(shí)間約為1.6 ns,，脈寬約1.4μs。MOSFET單管仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：選擇合適的管子和過驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)高壓脈沖源納秒級快前沿時(shí)間是可以辦到的,。單管研究的突破,，為多管串并聯(lián)的組合得到更高幅度納秒脈沖源的研究帶來了希望。
3.2 多管串并聯(lián)的MOSFET仿真與電路實(shí)驗(yàn)
盡管隨著MOSFET技術(shù)的發(fā)展,，其單管耐壓已經(jīng)大大提高,，zui高可以達(dá)到千伏以上,，但是對許多特殊需求來說其電壓幅度是遠(yuǎn)不夠的。脈沖源要求的輸出脈沖幅度要高達(dá)到4 kV以上,，因此需多個(gè)千伏高壓場效應(yīng)管串連才能達(dá)到幅度要求,。
多管串聯(lián)的需要解決的問題是：由于各管的漏電流不一致導(dǎo)致串聯(lián)時(shí)分壓不一致，有些管子可能超過其額定耐壓而損壞;多管串聯(lián)時(shí)為了做到一致驅(qū)動,，需要對每個(gè)管子實(shí)行“過”驅(qū)動,。要得到輸出脈沖的快前沿，必須對多管級連的每個(gè)管子的柵源極間實(shí)行電壓脈沖過驅(qū)動,。因此,，多管串聯(lián)的柵極驅(qū)動不能采用直接驅(qū)動，而只能采取脈沖變壓器耦合驅(qū)動?xùn)艠O的方式,。高速多管串并聯(lián)的zui關(guān)鍵技術(shù)是具有體積小耐高壓和納秒級瞬間大電流傳遞的驅(qū)動脈沖變壓器的研制,。由于觸發(fā)脈沖要求有很快的前沿，因此要求脈沖變壓器的高頻響應(yīng)的性能要好,。此外,，選用MOSFET作為高速高壓脈沖源的開關(guān)要兼顧到功率特性和開關(guān)特性，因?yàn)樗鼈兪腔ハ嘀萍s的,，由于管子的輸入電容很大,，需要較大能量才能驅(qū)動，故對抗電磁干擾是有利的,，但因此需要大功率快脈沖的驅(qū)動,，從而加大了研制難度，較易驅(qū)動也是選管的重要考慮因素,。選擇高壓雪崩三極管來產(chǎn)生瞬間大電流來提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度,，每個(gè)驅(qū)動電路均由相同的5路組成，每路后接脈沖變壓器分別驅(qū)動一個(gè)MOSFET,。其仿真輸出波形前沿約為1.4 ns,，脈寬約為600 ns，幅度約為4 kV,。
采用多管串聯(lián)方法可以提高脈沖源的其輸出脈沖幅度和功率,，從而得到較大的脈沖寬度。值得注意的是：在多級串聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免柵極間電壓不能超過額定值,，漏極電流不應(yīng)超過額定峰值電流,，否則會使管子損壞。多管串聯(lián)時(shí)由于每個(gè)管子的漏電流不同,，因此當(dāng)加載高壓時(shí)會造成管子分壓不致,，有些管子漏源之間電壓可能超過管子額定耐壓值，從而導(dǎo)致該管損壞,，引起連鎖反應(yīng)導(dǎo)致整路管子的損壞,，因此設(shè)計(jì)時(shí)除盡量選擇漏電流一致的管子外,，在每管漏、源之間并聯(lián)大電阻,，這樣使各管分壓保持一致,，防止各管因分壓不均勻而損壞。
實(shí)驗(yàn)電路采用5 kV高壓場效應(yīng)管串聯(lián)分別組成前沿充電組合開關(guān),，分別成形輸出脈沖的前沿,，同時(shí)為達(dá)到較快的前沿速度，場效應(yīng)管柵極驅(qū)動源采用高壓雪崩管加脈沖變壓器的“過”驅(qū)動方法,，脈沖源輸出負(fù)載為100 Ω的高壓電阻,。根據(jù)電路原理圖設(shè)計(jì)電路，搭建實(shí)驗(yàn)平臺,，對各部分電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測試,。
實(shí)際脈沖源輸出波形幅度約4.3 kV，前沿時(shí)間小于8 ns,，脈沖寬度約105 ns,，晃動小于3 ns。達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,。
4 結(jié)語
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研制出基于固體開關(guān)器件快脈沖源符合高壓脈沖輸出500～4 000 V可調(diào),，前沿小于10 ns,，脈寬大于100 ns,，晃動小于3 ns的技術(shù)指標(biāo)的高壓脈沖驅(qū)動源，滿足了設(shè)計(jì)和使用的要求,。