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上海徐吉電氣有限公司
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MSGK高低壓通電試驗(yàn)臺(tái) 基于固體開(kāi)關(guān)器件的新型高壓脈沖驅(qū)動(dòng)源
2012-8-1 閱讀(2154)
高壓快脈沖源的技術(shù)基礎(chǔ)核心是高壓快開(kāi)關(guān),。以前固體器件開(kāi)關(guān)盡管具有速度快、晃動(dòng)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(dòng)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(jí)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(kāi)關(guān)的脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù),，對(duì)雪崩管、高壓功率場(chǎng)效應(yīng)管的機(jī)理進(jìn)行了深入調(diào)研,，對(duì)其開(kāi)關(guān)原理和開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行了綜合分析研究,，著重對(duì)提高大功率高壓場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)速度的柵極驅(qū)動(dòng)及特殊的“過(guò)”驅(qū)動(dòng)方法開(kāi)展研究，確定采用MOSFET為主開(kāi)關(guān)元件的技術(shù)方案,，運(yùn)用ORC.ADPspice軟件對(duì)電路仿真,，分析并驗(yàn)證高壓MOSFET單管、多管級(jí)聯(lián)及驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)速度的提高
在選用納秒級(jí)的固體開(kāi)關(guān)上,，對(duì)固體雪崩三極管和MOSFET的性能進(jìn)行了對(duì)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(dòng)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(kāi)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(jí)），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(kāi)關(guān)速度較慢。但場(chǎng)效應(yīng)管脈沖源電壓幅度和寬度容易調(diào)節(jié),，只要在“過(guò)”驅(qū)動(dòng)電路上開(kāi)展研究,，以提高M(jìn)OSFET的開(kāi)關(guān)速度，這樣就可以產(chǎn)生納秒級(jí)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(kāi)關(guān)機(jī)理分析
采用“過(guò)”驅(qū)動(dòng)能提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，就是使對(duì)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)脈沖波形的前沿很快且上沖大大超過(guò)額定的柵源驅(qū)動(dòng)電壓,，柵極驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)能力在很大程度上決定了MOSFET的開(kāi)關(guān)速度,。加快MOSFET的開(kāi)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(dòng)電壓,。
為了提高M(jìn)OSFET管的開(kāi)關(guān)速度，從電路設(shè)計(jì)角度考慮要求柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路：能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)電流,、驅(qū)動(dòng)電壓以及具有較快前沿的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖,，同時(shí)要求驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻應(yīng)盡量小。因此柵極驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件必須能輸出瞬間大電流,，因而采用雪崩管來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET,，可以得到很快的導(dǎo)通速度。
3 MOSFET過(guò)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)開(kāi)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(dòng)很小,、開(kāi)關(guān)速度又很快，用雪崩管驅(qū)動(dòng)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(lái)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(duì)驅(qū)動(dòng)電路的影響,，必須使用帶隔離的驅(qū)動(dòng)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(guò)”驅(qū)動(dòng)的方法,，提供驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極所需的大電流“過(guò)”驅(qū)動(dòng)脈沖，以實(shí)現(xiàn)提高M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)速度的目的,。過(guò)驅(qū)動(dòng)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(jí)為集電極輸出形式,，輸出負(fù)載為高頻脈沖變壓器（次級(jí)接高壓場(chǎng)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(guò)反相脈沖變壓器變成正的大電流“過(guò)”驅(qū)動(dòng)脈沖去驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管,，使高壓場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)速度得以提高,。
柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)脈沖波形的前沿應(yīng)該很快，且上沖大大超過(guò)額定的柵源驅(qū)動(dòng)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(dòng)MOSFET的柵極,，又不會(huì)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(dòng)源輸出波形的前沿需要MOSFET的開(kāi)關(guān)速度盡量快。根據(jù)對(duì)MOSFET的開(kāi)關(guān)特性分析可知,，從電路上考慮,，加快MOSF ET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作有以下途徑：
（1）提供較大的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)高壓脈沖源納秒級(jí)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(lái)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(duì)許多特殊需求來(lái)說(shuō)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(chǎng)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(wèn)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(guò)其額定耐壓而損壞;多管串聯(lián)時(shí)為了做到一致驅(qū)動(dòng),，需要對(duì)每個(gè)管子實(shí)行“過(guò)”驅(qū)動(dòng)。要得到輸出脈沖的快前沿,，必須對(duì)多管級(jí)連的每個(gè)管子的柵源極間實(shí)行電壓脈沖過(guò)驅(qū)動(dòng),。因此，多管串聯(lián)的柵極驅(qū)動(dòng)不能采用直接驅(qū)動(dòng),，而只能采取脈沖變壓器耦合驅(qū)動(dòng)?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(jí)瞬間大電流傳遞的驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)要兼顧到功率特性和開(kāi)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(dòng),，故對(duì)抗電磁干擾是有利的，但因此需要大功率快脈沖的驅(qū)動(dòng),，從而加大了研制難度,，較易驅(qū)動(dòng)也是選管的重要考慮因素。選擇高壓雪崩三極管來(lái)產(chǎn)生瞬間大電流來(lái)提高M(jìn)OSFET的開(kāi)關(guān)速度,，每個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jí)串聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免柵極間電壓不能超過(guò)額定值，漏極電流不應(yīng)超過(guò)額定峰值電流,，否則會(huì)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(huì)造成管子分壓不致,，有些管子漏源之間電壓可能超過(guò)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(chǎng)效應(yīng)管串聯(lián)分別組成前沿充電組合開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)管柵極驅(qū)動(dòng)源采用高壓雪崩管加脈沖變壓器的“過(guò)”驅(qū)動(dòng)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(tái)，對(duì)各部分電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)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(dòng)小于3 ns,。達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
4 結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研制出基于固體開(kāi)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(dòng)小于3 ns的技術(shù)指標(biāo)的高壓脈沖驅(qū)動(dòng)源,，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)和使用的要求,。
