基于固體開關(guān)器件的新型高壓脈沖驅(qū)動(dòng)源

摘要：從MOSFET的開關(guān)基理，以仿真與電路實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究出了MOSFET柵極的“過”驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以此采提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度。并結(jié)合多個(gè)MOSFET的串并聯(lián)的級(jí)聯(lián)技術(shù)，采用多管串聯(lián)方法來提高脈沖源的輸出脈沖幅度，采用多管并聯(lián)方法來提高脈沖源的其輸出脈沖功率，從而得到較大的脈沖寬度。在此研制出了輸出脈沖幅度大于4 kV、前沿小于10 ns、脈沖寬度大于100 ns的高壓快脈沖源。
關(guān)鍵詞：過驅(qū)動(dòng)；MOSFET；高壓固體器件；高壓寬脈沖

    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(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)其開關(guān)原理和開關(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)管開關(guān)速度的柵極驅(qū)動(dòng)及特殊的“過”驅(qū)動(dòng)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(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的選用和開關(guān)速度的提高
    在選用納秒級(jí)的固體開關(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?。坏怯捎谘┍莱掷m(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(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”驅(qū)動(dòng)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(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的開關(guān)機(jī)理分析
    采用“過”驅(qū)動(dòng)能提高功率MOSFET的開關(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(dòng)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(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(dòng)MOSFET，可以得到很快的導(dǎo)通速度。

3 MOSFET過驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)很小、開關(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”驅(qū)動(dòng)的方法，提供驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極所需的大電流“過”驅(qū)動(dòng)脈沖，以實(shí)現(xiàn)提高M(jìn)OSFET開關(guān)速度的目的。過驅(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(見圖1)。

    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，該輸出脈沖通過反相脈沖變壓器變成正的大電流“過”驅(qū)動(dòng)脈沖(見圖2)去驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管，使高壓場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度得以提高。
    柵極過驅(qū)動(dòng)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(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)如圖2所示。因此可以達(dá)到快速驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極，又不會(huì)損壞MOSFET。

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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的開關(guān)速度盡量快。根據(jù)對(duì)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(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)電路的輸出波形如圖3所示。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(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，最高可以達(dá)到千伏以上，但是對(duì)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(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(dòng)，需要對(duì)每個(gè)管子實(shí)行“過”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)的最關(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(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(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額定值，漏極電流不應(yīng)超過額定峰值電流，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”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)際脈沖源的輸出波形如圖4所示。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，滿足了設(shè)計(jì)和使用的要求。