基于功率MOSFET的激光器外觸發(fā)系統(tǒng)研制

為了推動(dòng)微波功率合成技術(shù)的發(fā)展，需要開(kāi)展多路同步輸出的脈沖功率源開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)電子束精確同步(同步抖動(dòng)≤10 ns)，源輸出波形一致性好，滿足負(fù)載工作要求。在氣體開(kāi)關(guān)的各種觸發(fā)方式中，激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)是減少開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)的一種比較理想的開(kāi)關(guān)。氣體介質(zhì)的激光開(kāi)關(guān)，時(shí)延可達(dá)到1 ns～2 ns，其時(shí)間抖動(dòng)可達(dá)到亞納秒量級(jí)[1]。因此，單路脈沖功率源主開(kāi)關(guān)采用吹氣式激光觸發(fā)氣體火花開(kāi)關(guān)，要求其開(kāi)關(guān)抖動(dòng)≤5 ns，重復(fù)頻率為50 Hz。
    在兩路脈沖功率源的同步輸出實(shí)驗(yàn)中，觸發(fā)控制系統(tǒng)是保證源正確有效合成的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)一方面產(chǎn)生兩臺(tái)源正常運(yùn)行的工作時(shí)序，同時(shí)通過(guò)同步考慮的設(shè)計(jì)，控制激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，達(dá)到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有單極型、電壓驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好及所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以采用MOSFET來(lái)設(shè)計(jì)激光觸發(fā)器的外觸發(fā)控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
    圖1為激光觸發(fā)脈沖功率源同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，單臺(tái)源均采用德國(guó)InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，將觸發(fā)信號(hào)分成多路，分別控制單元開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。激光觸發(fā)系統(tǒng)工作原理為：兩路脈沖功率源的儲(chǔ)能單元充電到設(shè)定值，控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)位置設(shè)定兩臺(tái)源的觸發(fā)時(shí)間間隔，分別發(fā)指令到兩臺(tái)源的激光觸發(fā)系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生激光注入主開(kāi)關(guān)，控制兩組主開(kāi)關(guān)各自擊穿，初級(jí)能源系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)向負(fù)載饋送。

    激光器對(duì)外觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下：
    (1)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號(hào)。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬
≥100 μs，工作頻率50 Hz，負(fù)載50 Ω；
    (2)產(chǎn)生普克爾盒觸發(fā)信號(hào)。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬≥100 ?滋s，脈沖上升沿≤5 ns，負(fù)載50 Ω，工作頻率50/N(N=1，2，…，50)。該信號(hào)與閃燈信號(hào)之間延時(shí)可調(diào)；
    (3)外觸發(fā)電路、激光器和脈沖功率源之間采取隔離和屏蔽等抗干擾保護(hù)措施，確保觸發(fā)系統(tǒng)在功率源高壓大電流強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境中正常工作。
2 理論設(shè)計(jì)與分析
    激光器外觸發(fā)系統(tǒng)由控制信號(hào)產(chǎn)生和控制信號(hào)觸發(fā)2部分組成，二者之間通過(guò)普通多模光纖(工作波長(zhǎng)為820 nm)進(jìn)行連接。其中，控制系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置(如工作頻率和工作次數(shù)等)、控制信號(hào)產(chǎn)生、輸出信號(hào)隔離及轉(zhuǎn)換(電/光)等功能在控制信號(hào)產(chǎn)生單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，它位于操作者所在的工作區(qū)；放置于脈沖功率源激光器側(cè)的是控制信號(hào)觸發(fā)單元，完成通過(guò)光纖傳輸而來(lái)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換(光/電)、放大、快上升沿信號(hào)形成以及隔離觸發(fā)輸出等功能。
2.1 控制信號(hào)產(chǎn)生單元設(shè)計(jì)
    控制信號(hào)產(chǎn)生單元分為2部分：
    (1)脈沖觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器。用于產(chǎn)生控制功率MOSFET器件、功率晶體管工作的脈沖觸發(fā)信號(hào)，具有輸出脈沖的個(gè)數(shù)、脈寬及頻率可調(diào)的能力，輸出為T(mén)TL電平。采用工業(yè)PC，內(nèi)置NI定時(shí)/計(jì)數(shù)卡PCI-6602，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編制計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，設(shè)置工作參數(shù)，編程產(chǎn)生激光器外觸發(fā)工作所需的控制信號(hào)。其中PCI-6602提供8路32 bit源頻率80 MHz的定時(shí)/計(jì)數(shù)通道，輸出脈沖信號(hào)上升沿實(shí)驗(yàn)測(cè)試在10 ns左右；
    (2)光纖隔離電路。用于隔離TTL電平的觸發(fā)信號(hào)和功率MOSFET的輸出電壓，具有響應(yīng)快、不失真的特點(diǎn)。光纖發(fā)送器件選用HFBR-1414，其帶寬可達(dá)5 MHz，滿足脈寬為數(shù)百?滋s的觸發(fā)脈沖信號(hào)傳輸要求。
2.2 控制信號(hào)觸發(fā)單元設(shè)計(jì)
    控制信號(hào)產(chǎn)生單元分為4部分：
    (1)光/電轉(zhuǎn)換電路。采用HFBR-2412光纖接收器件，將通過(guò)多模光纖傳輸至控制信號(hào)觸發(fā)單元的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電信號(hào)。
    (2)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)/功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路，前者用于將低電平的TTL信號(hào)提升到可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET器件的電平，以產(chǎn)生脈沖上升沿≤5 ns的激光器普克爾盒觸發(fā)信號(hào)。后者用來(lái)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號(hào)。
    (3)功率MOSFET器件。MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)是一種電壓控制型的器件，由于MOSFET是正溫度系數(shù)，所以可避免溫度持續(xù)上升而使器件損壞。同時(shí)由于它的導(dǎo)通電阻在理論上沒(méi)有上限值，因此導(dǎo)通時(shí)的能量損失可以非常小。其優(yōu)點(diǎn)是：具有非常快的導(dǎo)通和關(guān)斷能力(ns量級(jí))；非常低的觸發(fā)能量；能工作在高重復(fù)頻率下(MHz量級(jí))；使用壽命長(zhǎng)(平均109次)；高效率、脈寬可以調(diào)節(jié)(輸出由輸入觸發(fā)信號(hào)決定)。經(jīng)選擇采用IR公司的功率MOSFET器件——IRLML2803，它的漏源極擊穿電壓VDSS為30 V，直流電流ID為1.2 A，脈沖下最大輸出電流為7.3 A，導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間Td(on)為3.9 ns，關(guān)斷時(shí)間Toff為9 ns。
    (4)電源部分。采用鋰電池組提供給光纖隔離電路和功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路所使用的低壓電源。它配裝有專(zhuān)用保護(hù)板，具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流短路及反接保護(hù)功能，進(jìn)一步保證電池組控制部分的安全工作。這樣有效地消除了觸發(fā)單元與前級(jí)控制信號(hào)產(chǎn)生單元及后級(jí)功率源高壓工作回路因電源共地而可能產(chǎn)生的高壓擊穿等危險(xiǎn)因素。
    如圖2所示，變換后的TTL電平經(jīng)整形、功率MOSFET/功率晶體管驅(qū)動(dòng)、脈沖變壓器隔離輸出至激光器。為了保證觸發(fā)單元的正常工作，在其輸出至激光器之前需加入高耐壓(5 kV)脈沖變壓器進(jìn)行電氣隔離。

2.3 功率MOSFET器件及其驅(qū)動(dòng)電路選擇
    圖3為功率MOSFET器件的工作原理電路示意圖。圖3(a)中，RG和CGS是影響MOSFET導(dǎo)通延時(shí)的主要參數(shù)；漏柵極電容CGD是造成開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中柵極電壓受干擾的主要參數(shù)；漏源極電容CDS是影響關(guān)斷時(shí)間的主要參數(shù)。MOSFET器件轉(zhuǎn)換過(guò)程有2個(gè)：導(dǎo)通轉(zhuǎn)換和關(guān)斷轉(zhuǎn)換。導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過(guò)程的漏源電壓VDS、漏極電流iD、柵源電壓VGS和與柵極電流iG隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖3(b)所示。導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過(guò)程分成4個(gè)階段，各個(gè)階段分別是：

    (1)t₀～t₁階段：柵極驅(qū)動(dòng)電流iG對(duì)CDS和CGS充電，使CGS上的電壓從0上升到MOSFET導(dǎo)通閾值V_GS(th)。
    (2)t₁～t₂階段：柵源電壓V_GS繼續(xù)以指數(shù)規(guī)律上升，超過(guò)MOSFET導(dǎo)通闡值VGS(th)達(dá)到Va，在V_GS超過(guò)V_GS(th)后，漏極電流開(kāi)始增長(zhǎng)，并達(dá)到最終的輸出電流Io。在這一過(guò)程中，由于電壓與電流重疊，MOSFET功耗最大。
    (3)t₂～t₃階段：從t₂時(shí)刻開(kāi)始，MOSFET漏源電壓V_DS開(kāi)始下降，引起從漏極到柵極的密勒電容效應(yīng)，使得V_GS不能上升而出現(xiàn)平臺(tái)，在t₃時(shí)刻漏源電壓下降到最小值。
    (4)t₃～t₄階段：在這一區(qū)間柵源電壓V_GS從平臺(tái)上升到最后的驅(qū)動(dòng)電壓。上升的柵壓使漏源電阻R_DS(on)減小，t₄以后MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。
    MOSFET器件的截止轉(zhuǎn)換過(guò)程與上面的過(guò)程相反。由上面的分析可知對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有：
    (1)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖前、后沿都要陡峭。
    (2)對(duì)功率MOSFET柵極的充放電回路時(shí)間常數(shù)要小，以提高功率MOSFET器件的開(kāi)關(guān)速度。
    (3)驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，驅(qū)動(dòng)電流要大，才能使開(kāi)關(guān)波形的上升沿和下降沿更快。
    選用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲線圖可得：在V_DS=15 V、V_GS=12 V時(shí)，總柵極電荷Q_G≈3.7 nC，則柵極電容C=Q_G/V_GS=3.7 n_C/12 V≈0.3 nF=300 pF。
    MOSFET導(dǎo)通和截止的速度與MOSFET柵極電容的充電和放電速度有關(guān)。MOSFET柵極電容、導(dǎo)通和截止時(shí)間與MOSFET驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系可以表示為：
    d_T=(dV×C)/I
式中，d_T是導(dǎo)通/截止時(shí)間，d_V是柵極電壓，C是柵極電容(從柵極電荷值)，I是峰值驅(qū)動(dòng)電流(對(duì)于給定電壓值)。
    IRLML2803導(dǎo)通/截止時(shí)間是4 ns，則I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驅(qū)動(dòng)電流為0.9 A，同時(shí)還需要考慮在MOSFET驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET柵極之間使用的外部電阻，這會(huì)減小驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電容的峰值充電電流，所以選擇峰值輸出電流大于0.9 A的驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)中采用的是4.5 A高峰值輸出電流的同相驅(qū)動(dòng)器TC4424A，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿足快上升沿信號(hào)輸出要求。
3 測(cè)試結(jié)果與分析
3.1 觸發(fā)信號(hào)光纖傳輸轉(zhuǎn)換測(cè)試
    激光器外觸發(fā)系統(tǒng)采用光纖傳輸和收發(fā)技術(shù)，由于其本身是由絕緣材料制成，所以具有很好的高電壓隔離能力，同時(shí)還具有很強(qiáng)的抗干擾能力，多路光纖信號(hào)傳輸?shù)耐叫砸卜浅：?，滿足對(duì)信號(hào)高壓隔離和同步性的要求。
    圖4為激光器外觸發(fā)單元產(chǎn)生的信號(hào)波形圖。圖4(a)、圖4(b)中通道2均顯示的是工作頻率50Hz的激光器閃燈觸發(fā)信號(hào)（前者是輸出個(gè)數(shù)為50的脈沖序列，后者是單個(gè)輸出脈沖），它在控制信號(hào)產(chǎn)生單元內(nèi)由PC機(jī)編程產(chǎn)生，經(jīng)脈沖變壓器隔離、電/光轉(zhuǎn)換、光纖傳輸處理輸入至觸發(fā)單元，再經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換、功率晶體管驅(qū)動(dòng)放大，由高耐壓脈沖變壓器隔離輸出至激光器，其上升時(shí)間Tr在200 ns以內(nèi)，主要是由脈沖變壓器的輸出上升時(shí)間確定。

    圖4(a)、圖4(b)中通道1均為激光器普克爾盒觸發(fā)信號(hào)(顯示方式同通道2)，工作頻率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信號(hào)產(chǎn)生單元內(nèi)信號(hào)生成方式同閃燈觸發(fā)信號(hào)，不同的是在觸發(fā)單元內(nèi)經(jīng)過(guò)功率MOSFET及高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器成形等處理，最終生成實(shí)測(cè)上升沿小于5 ns的脈沖信號(hào)。
    實(shí)驗(yàn)中測(cè)得激光器閃燈觸發(fā)信號(hào)、普克爾盒觸發(fā)信號(hào)脈寬均為160 μs，后者較前者滯后約250 μs，兩者均可調(diào)，并且普克爾盒觸發(fā)信號(hào)的輸出頻率也可調(diào)，滿足激光器的使用要求。
3.2 激光器外觸發(fā)工作對(duì)功率源的影響
    低抖動(dòng)高功率重復(fù)頻率主開(kāi)關(guān)系統(tǒng)是功率源同步控制系統(tǒng)的研制核心和難點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)脈沖功率源同步系統(tǒng)的低抖動(dòng)工作，首先對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程中的抖動(dòng)來(lái)源進(jìn)行分析。同步系統(tǒng)的工作流程如下：激光器外觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)快上升沿的信號(hào)送到激光器，激光器產(chǎn)生脈沖激光注入激光開(kāi)關(guān)，激光開(kāi)關(guān)閉合，形成線通過(guò)感應(yīng)疊加模塊對(duì)二極管放電，產(chǎn)生電子束。在這個(gè)過(guò)程中，可能產(chǎn)生以下的抖動(dòng)：
    (1)激光器外觸發(fā)系統(tǒng)電路抖動(dòng)J1。抖動(dòng)來(lái)源于傳輸線路及轉(zhuǎn)換線路中的芯片延時(shí)不同和芯片本身的抖動(dòng)，該抖動(dòng)經(jīng)實(shí)測(cè)小于2 ns；
    (2)激光器抖動(dòng)J2。抖動(dòng)來(lái)源于激光器的工作過(guò)程，在快前沿信號(hào)(t_r≤5 ns)觸發(fā)下激光器抖動(dòng)小于3 ns。
    (3)激光開(kāi)關(guān)抖動(dòng)J3。抖動(dòng)來(lái)源于激光觸發(fā)產(chǎn)生等離子體放電的物理過(guò)程，設(shè)計(jì)指標(biāo)為小于5 ns。
    圖5為脈沖功率源中4路感應(yīng)疊加模塊合成負(fù)載波形，重復(fù)頻率25 Hz，負(fù)載為平面二極管，圖中為25個(gè)波形的重疊（通道1為二極管電流信號(hào)波形，通道2為二極管電壓信號(hào)波形）。由此證明：采用激光器外觸發(fā)系統(tǒng)，負(fù)載輸出波形的一致性較好，重復(fù)頻率25 Hz工作時(shí)開(kāi)關(guān)抖動(dòng)低，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 抗干擾考慮
    激光器外觸發(fā)單元是同步運(yùn)行中的控制環(huán)節(jié)，是裝置能否正常工作的關(guān)鍵。對(duì)觸發(fā)電路的要求是脈沖前沿陡且有足夠的幅值與脈寬，穩(wěn)定性與抗干擾性能好等。而高壓發(fā)生裝置容易產(chǎn)生各種瞬時(shí)尖峰信號(hào)，即所謂“毛刺”，當(dāng)其幅值和能量達(dá)到一定程度時(shí)，極易導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。在前期的同步運(yùn)行試驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地條件的限制，激光器電源與脈沖功率源的初級(jí)充電電源共地，在功率源運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)致激光器外觸發(fā)系統(tǒng)輸出至激光器普克爾盒的觸發(fā)信號(hào)相對(duì)于設(shè)定時(shí)刻提前產(chǎn)生一個(gè)尖峰干擾脈沖，從而無(wú)法保證同步運(yùn)行試驗(yàn)的正常進(jìn)行。對(duì)此采取增加電源濾波器、高頻電容等方式，以消除電源引入的干擾影響，結(jié)果有所改善。下一步工作則是將激光器與其外觸發(fā)系統(tǒng)共用同一電源，與脈沖功率源的電源徹底分開(kāi)，保證同步系統(tǒng)的安全工作。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用功率MOSFET及其高速驅(qū)動(dòng)器等措施有效，利用光纖收發(fā)器件轉(zhuǎn)換傳輸、高耐壓脈沖變壓器隔離可行。影響脈沖功率源開(kāi)關(guān)同步輸出轉(zhuǎn)換效率的是激光器外觸發(fā)回路的性能。功率MOSFET開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)可以通過(guò)觸發(fā)脈沖控制，選用高峰值輸出電路的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，可以將輸出脈沖信號(hào)上升沿控制在5 ns以下。采用激光器外觸發(fā)系統(tǒng)，單臺(tái)脈沖功率源重頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)參數(shù)：工作電壓150 kV，電流30 kA、抖動(dòng)
≤5 ns、重復(fù)頻率25 Hz。為進(jìn)一步開(kāi)展兩臺(tái)或多臺(tái)脈沖功率源穩(wěn)定、可靠地精確同步輸出奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
    另外，觸發(fā)控制電路印制電路板中，控制電路極易受到功率回路的干擾，應(yīng)使MOSFET驅(qū)動(dòng)器和MOSFET的走線長(zhǎng)度盡可能短，以此限制電感引起的振蕩效應(yīng)。驅(qū)動(dòng)器輸出和MOSFET柵極間的電感，也會(huì)影響MOSFET驅(qū)動(dòng)器在瞬態(tài)條件下將MOSFET柵極維持在低電平的能力。激光觸發(fā)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，如減小波形前沿、增強(qiáng)抗干擾能力等還需要繼續(xù)深入研究。
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