MSGK高低壓通電試驗臺 基于固體開關器件的新型高壓脈沖驅(qū)動源

高壓快脈沖源的技術基礎核心是高壓快開關。以前固體器件開關盡管具有速度快、晃動小等優(yōu)點，但由于技術與工藝水平的限制，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，因而只能用于低壓快脈沖源領域，隨著半導體技術的發(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域中，逐步地取代了真空電子器件及氫閘流管。這里重點研究基于固體開關的脈沖驅(qū)動技術，對雪崩管、高壓功率場效應管的機理進行了深入調(diào)研，對其開關原理和開關特性進行了綜合分析研究，著重對提高大功率高壓場效應管開關速度的柵極驅(qū)動及特殊的“過”驅(qū)動方法開展研究，確定采用MOSFET為主開關元件的技術方案，運用ORC.ADPspice軟件對電路仿真，分析并驗證高壓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，達到了電路的優(yōu)化設計。

1 MOSFET的選用和開關速度的提高

在選用納秒級的固體開關上，對固體雪崩三極管和MOSFET的性能進行了對比：

固體雪崩管被觸發(fā)工作在雪崩或二次擊穿瞬間時，能輸出很大的脈沖峰值電流，且觸發(fā)晃動和上升時間都很小;但是由于雪崩持續(xù)時間很短，大約只有幾個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頻率低而脈沖功率高的窄脈沖源。

MOSFET具有大的脈沖開關電流（數(shù)十安培）、較高的漏源電壓（達千伏）、和小的導通內(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。由于其輸入/輸出電容較大，因此它的開關速度較慢。但場效應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MOSFET的開關速度，這樣就可以產(chǎn)生納秒級上升時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的開關機理分析

采用“過”驅(qū)動能提高功率MOSFET的開關速度，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的開關速度。加快MOSFET的開關速度關鍵之一就是減小柵極電阻和柵極電容，提高跨導gm，提高柵極驅(qū)動電壓。

為了提高MOSFET管的開關速度，從電路設計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，同時要求驅(qū)動電路的輸出電阻應盡量小。因此柵極驅(qū)動開關器件必須能輸出瞬間大電流，因而采用雪崩管來驅(qū)動MOSFET，可以得到很快的導通速度。

3 MOSFET過驅(qū)動電路設計

MOSFET柵極驅(qū)動開關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、開關速度又很快，用雪崩管驅(qū)動MOSFET可以得到很快的導通速度。實驗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。為此在電路設計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，以實現(xiàn)提高MOSFET開關速度的目的。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60 A。電路設計時，高壓電源電壓為300 V，輸出級為集電極輸出形式，輸出負載為高頻脈沖變壓器（次級接高壓場效應管的柵極），由此管產(chǎn)生輸出脈沖極性為負，脈沖幅度300 V左右，脈沖前沿數(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)動場效應管，使高壓場效應管的開關速度得以提高。

柵極過驅(qū)動脈沖波形的前沿應該很快，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）。因此可以達到快速驅(qū)動MOSFET的柵極，又不會損壞MOSFET。

3.1 單路MOSFET仿真實驗

為得到較快的脈沖驅(qū)動源輸出波形的前沿需要MOSFET的開關速度盡量快。根據(jù)對MOSFET的開關特性分析可知，從電路上考慮，加快MOSF ET的開關動作有以下途徑：

（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關斷時間;

（2）提供較快的驅(qū)動脈沖，從而提高功率MOSFET的關斷速度。

單管MOSFET實驗電路的輸出波形。波形幅度約1 kV，前沿時間約為1.6 ns，脈寬約1.4μs。MOSFET單管仿真和實驗的結果表明：選擇合適的管子和過驅(qū)動電路實現(xiàn)高壓脈沖源納秒級快前沿時間是可以辦到的。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仿真與電路實驗

盡管隨著MOSFET技術的發(fā)展，其單管耐壓已經(jīng)大大提高，zui高可以達到千伏以上，但是對許多特殊需求來說其電壓幅度是遠不夠的。脈沖源要求的輸出脈沖幅度要高達到4 kV以上，因此需多個千伏高壓場效應管串連才能達到幅度要求。

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致串聯(lián)時分壓不一致，有些管子可能超過其額定耐壓而損壞;多管串聯(lián)時為了做到一致驅(qū)動，需要對每個管子實行“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管子的柵源極間實行電壓脈沖過驅(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)動柵極的方式。高速多管串并聯(lián)的zui關鍵技術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的性能要好。此外，選用MOSFET作為高速高壓脈沖源的開關要兼顧到功率特性和開關特性，因為它們是互相制約的，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MOSFET的開關速度，每個驅(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)設計時應避免柵極間電壓不能超過額定值，漏極電流不應超過額定峰值電流，否則會使管子損壞。多管串聯(lián)時由于每個管子的漏電流不同，因此當加載高壓時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，從而導致該管損壞，引起連鎖反應導致整路管子的損壞，因此設計時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。

實驗電路采用5 kV高壓場效應管串聯(lián)分別組成前沿充電組合開關，分別成形輸出脈沖的前沿，同時為達到較快的前沿速度，場效應管柵極驅(qū)動源采用高壓雪崩管加脈沖變壓器的“過”驅(qū)動方法，脈沖源輸出負載為100 Ω的高壓電阻。根據(jù)電路原理圖設計電路，搭建實驗平臺，對各部分電路進行實驗和測試。

實際脈沖源輸出波形幅度約4.3 kV，前沿時間小于8 ns，脈沖寬度約105 ns，晃動小于3 ns。達到了設計的要求。

4 結語

實驗結果表明：研制出基于固體開關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的技術指標的高壓脈沖驅(qū)動源，滿足了設計和使用的要求。