《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于功率MOSFET的激光器外觸發(fā)系統(tǒng)研制
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第6期
金 暉,,羅 敏,,劉 忠
中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川 綿陽621900
摘要: 采用功率MOSFET及其驅(qū)動器和光纖收發(fā)器件,,研究了激光觸發(fā)開關(guān)脈沖功率源控制技術(shù)中的快上升沿(≤5 ns)觸發(fā)信號產(chǎn)生,、驅(qū)動、傳輸及光纖隔離,、高耐壓脈沖變壓器使用等關(guān)鍵技術(shù),。給出了激光器外觸發(fā)控制電路的設(shè)計及測試結(jié)果,并對其應(yīng)用特點進行了分析和討論,。
中圖分類號: TP368
文獻標(biāo)識碼: A
Research on laser trigger control system using power MOSFET
JIN Hui,,LUO Min,LIU Zhong
Institute of Applied Electronics, CAEP, Mianyang 621900,,China
Abstract: The key technologies of building a laser trigger control system of pulsed power source are studied with power MOSFET,MOSFET driver and optic components. These technologies include the production of fast rising trigger signal, driving circuit,transmission, optical isolation technology and pulse transformer with high dielectric strength etc. Design and test results of the control system using laser trigger are presented. Characteristics of application are also been analysed and discussed in this paper.
Key words : power MOSFET,;driver;laser trigger,;optical isolation,;high dielectric strength transformer

    為了推動微波功率合成技術(shù)的發(fā)展,需要開展多路同步輸出的脈沖功率源開關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究,,以實現(xiàn)電子束精確同步(同步抖動≤10 ns),,源輸出波形一致性好,滿足負載工作要求,。在氣體開關(guān)的各種觸發(fā)方式中,,激光觸發(fā)開關(guān)是減少開關(guān)延遲時間和時間抖動的一種比較理想的開關(guān),。氣體介質(zhì)的激光開關(guān),時延可達到1 ns~2 ns,,其時間抖動可達到亞納秒量級[1],。因此,單路脈沖功率源主開關(guān)采用吹氣式激光觸發(fā)氣體火花開關(guān),,要求其開關(guān)抖動≤5 ns,,重復(fù)頻率為50 Hz。
    在兩路脈沖功率源的同步輸出實驗中,,觸發(fā)控制系統(tǒng)是保證源正確有效合成的關(guān)鍵,。控制系統(tǒng)一方面產(chǎn)生兩臺源正常運行的工作時序,,同時通過同步考慮的設(shè)計,,控制激光觸發(fā)開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號,達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、開關(guān)速度快,、輸入阻抗高,、熱穩(wěn)定性好及所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單的特點,所以采用MOSFET來設(shè)計激光觸發(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,,單臺源均采用德國InnoLas公司的SpitLight 1200激光器,將觸發(fā)信號分成多路,,分別控制單元開關(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)定兩臺源的觸發(fā)時間間隔,,分別發(fā)指令到兩臺源的激光觸發(fā)系統(tǒng),,觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生激光注入主開關(guān),控制兩組主開關(guān)各自擊穿,,初級能源系統(tǒng)儲存的電能通過開關(guān)向負載饋送,。


    激光器對外觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)要求如下:
    (1)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號。脈沖幅值5 V~15 V,,脈寬
≥100 μs,,工作頻率50 Hz,負載50 Ω,;
    (2)產(chǎn)生普克爾盒觸發(fā)信號,。脈沖幅值5 V~15 V,脈寬≥100 ?滋s,,脈沖上升沿≤5 ns,,負載50 Ω,,工作頻率50/N(N=1,2,,…,,50)。該信號與閃燈信號之間延時可調(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措施,確保觸發(fā)系統(tǒng)在功率源高壓大電流強輻射的惡劣環(huán)境中正常工作,。
2 理論設(shè)計與分析
    激光器外觸發(fā)系統(tǒng)由控制信號產(chǎn)生和控制信號觸發(fā)2部分組成,,二者之間通過普通多模光纖(工作波長為820 nm)進行連接。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),、控制信號產(chǎn)生、輸出信號隔離及轉(zhuǎn)換(電/光)等功能在控制信號產(chǎn)生單元內(nèi)實現(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)的是控制信號觸發(fā)單元,完成通過光纖傳輸而來的輸入信號轉(zhuǎn)換(光/電),、放大,、快上升沿信號形成以及隔離觸發(fā)輸出等功能。
2.1 控制信號產(chǎn)生單元設(shè)計
    控制信號產(chǎn)生單元分為2部分:
    (1)脈沖觸發(fā)信號發(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,,具有輸出脈沖的個數(shù),、脈寬及頻率可調(diào)的能力,輸出為TTL電平,。采用工業(yè)PC,,內(nèi)置NI定時/計數(shù)卡PCI-6602,利用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)編制計算機人機界面,,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。其中PCI-6602提供8路32 bit源頻率80 MHz的定時/計數(shù)通道,,輸出脈沖信號上升沿實驗測試在10 ns左右,;
    (2)光纖隔離電路。用于隔離TTL電平的觸發(fā)信號和功率MOSFET的輸出電壓,,具有響應(yīng)快,、不失真的特點。光纖發(fā)送器件選用HFBR-1414,,其帶寬可達5 MHz,,滿足脈寬為數(shù)百?滋s的觸發(fā)脈沖信號傳輸要求,。
2.2 控制信號觸發(fā)單元設(shè)計
    控制信號產(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,,將通過多模光纖傳輸至控制信號觸發(fā)單元的光信號轉(zhuǎn)換為TTL電信號,。
    (2)功率MOSFET驅(qū)動/功率晶體管驅(qū)動電路,前者用于將低電平的TTL信號提升到可以用來驅(qū)動功率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,。后者用來產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號。
    (3)功率MOSFET器件,。MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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,。同時由于它的導(dǎo)通電阻在理論上沒有上限值,,因此導(dǎo)通時的能量損失可以非常小。其優(yōu)點是:具有非??斓膶?dǎo)通和關(guān)斷能力(ns量級),;非常低的觸發(fā)能量;能工作在高重復(fù)頻率下(MHz量級),;使用壽命長(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)通延時時間Td(on)為3.9 ns,關(guān)斷時間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)動電路所使用的低壓電源。它配裝有專用保護板,,具有過充,、過放、過壓,、欠壓,、過流短路及反接保護功能,進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)單元與前級控制信號產(chǎn)生單元及后級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,、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)脈沖變壓器進行電氣隔離,。

2.3 功率MOSFET器件及其驅(qū)動電路選擇
    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)通延時的主要參數(shù),;漏柵極電容CGD是造成開關(guān)動作過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)斷時間的主要參數(shù)。MOSFET器件轉(zhuǎn)換過程有2個:導(dǎo)通轉(zhuǎn)換和關(guān)斷轉(zhuǎn)換,。導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過程的漏源電壓VDS,、漏極電流iD、柵源電壓VGS和與柵極電流iG隨時間t的變化關(guān)系如圖3(b)所示,。導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過程分成4個階段,,各個階段分別是:

    (1)t0~t1階段:柵極驅(qū)動電流iG對CDS和CGS充電,使CGS上的電壓從0上升到MOSFET導(dǎo)通閾值VGS(th),。
    (2)t1~t2階段:柵源電壓VGS繼續(xù)以指數(shù)規(guī)律上升,,超過MOSFET導(dǎo)通闡值VGS(th)達到Va,在VGS超過VGS(th)后,,漏極電流開始增長,,并達到最終的輸出電流Io。在這一過程中,,由于電壓與電流重疊,,MOSFET功耗最大。
    (3)t2~t3階段:從t2時刻開始,,MOSFET漏源電壓VDS開始下降,,引起從漏極到柵極的密勒電容效應(yīng),使得VGS不能上升而出現(xiàn)平臺,,在t3時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VGS從平臺上升到最后的驅(qū)動電壓,。上升的柵壓使漏源電阻RDS(on)減小,,t4以后MOSFET進入導(dǎo)通狀態(tài)。
    MOSFET器件的截止轉(zhuǎn)換過程與上面的過程相反,。由上面的分析可知對柵極驅(qū)動電路的要求主要有:
    (1)驅(qū)動信號的脈沖前,、后沿都要陡峭。
    (2)對功率MOSFET柵極的充放電回路時間常數(shù)要小,,以提高功率MOSFET器件的開關(guān)速度,。
    (3)驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流,驅(qū)動電流要大,才能使開關(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VDS=15 V、VGS=12 V時,,總柵極電荷QG≈3.7 nC,,則柵極電容C=QG/VGS=3.7 nC/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)通和截止時間與MOSFET驅(qū)動器的驅(qū)動電流的關(guān)系可以表示為:
    dT=(dV×C)/I
式中,dT是導(dǎo)通/截止時間,,dV是柵極電壓,,C是柵極電容(從柵極電荷值),I是峰值驅(qū)動電流(對于給定電壓值),。
    IRLML2803導(dǎo)通/截止時間是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)動電流為0.9 A,,同時還需要考慮在MOSFET驅(qū)動器和功率MOSFET柵極之間使用的外部電阻,,這會減小驅(qū)動?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)動器TC4424A,,經(jīng)實驗驗證滿足快上升沿信號輸出要求。
3 測試結(jié)果與分析
3.1 觸發(fā)信號光纖傳輸轉(zhuǎn)換測試

    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,同時還具有很強的抗干擾能力,,多路光纖信號傳輸?shù)耐叫砸卜浅:?,滿足對信號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(前者是輸出個數(shù)為50的脈沖序列,后者是單個輸出脈沖),,它在控制信號產(chǎn)生單元內(nèi)由PC機編程產(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)過光/電轉(zhuǎn)換、功率晶體管驅(qū)動放大,,由高耐壓脈沖變壓器隔離輸出至激光器,,其上升時間Tr在200 ns以內(nèi),,主要是由脈沖變壓器的輸出上升時間確定。

    圖4(a),、圖4(b)中通道1均為激光器普克爾盒觸發(fā)信號(顯示方式同通道2),,工作頻率50 Hz(50/N,N=1),,在控制信號產(chǎn)生單元內(nèi)信號生成方式同閃燈觸發(fā)信號,,不同的是在觸發(fā)單元內(nèi)經(jīng)過功率MOSFET及高速MOSFET驅(qū)動器成形等處理,最終生成實測上升沿小于5 ns的脈沖信號,。
    實驗中測得激光器閃燈觸發(fā)信號,、普克爾盒觸發(fā)信號脈寬均為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)工作對功率源的影響
    低抖動高功率重復(fù)頻率主開關(guān)系統(tǒng)是功率源同步控制系統(tǒng)的研制核心和難點,。為了實現(xiàn)脈沖功率源同步系統(tǒng)的低抖動工作,首先對系統(tǒng)工作過程中的抖動來源進行分析,。同步系統(tǒng)的工作流程如下:激光器外觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生一個快上升沿的信號送到激光器,,激光器產(chǎn)生脈沖激光注入激光開關(guān),激光開關(guān)閉合,,形成線通過感應(yīng)疊加模塊對二極管放電,,產(chǎn)生電子束。在這個過程中,,可能產(chǎn)生以下的抖動:
    (1)激光器外觸發(fā)系統(tǒng)電路抖動J1,。抖動來源于傳輸線路及轉(zhuǎn)換線路中的芯片延時不同和芯片本身的抖動,該抖動經(jīng)實測小于2 ns,;
    (2)激光器抖動J2,。抖動來源于激光器的工作過程,在快前沿信號(tr≤5 ns)觸發(fā)下激光器抖動小于3 ns,。
    (3)激光開關(guān)抖動J3,。抖動來源于激光觸發(fā)產(chǎn)生等離子體放電的物理過程,設(shè)計指標(biāo)為小于5 ns,。
    圖5為脈沖功率源中4路感應(yīng)疊加模塊合成負載波形,,重復(fù)頻率25 Hz,負載為平面二極管,,圖中為25個波形的重疊(通道1為二極管電流信號波形,,通道2為二極管電壓信號波形),。由此證明:采用激光器外觸發(fā)系統(tǒng),,負載輸出波形的一致性較好,重復(fù)頻率25 Hz工作時開關(guān)抖動低,滿足設(shè)計要求,。

3.3 抗干擾考慮
    激光器外觸發(fā)單元是同步運行中的控制環(huán)節(jié),,是裝置能否正常工作的關(guān)鍵。對觸發(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)生各種瞬時尖峰信號,即所謂“毛刺”,,當(dāng)其幅值和能量達到一定程度時,,極易導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運行。在前期的同步運行試驗調(diào)試過程中,,由于受實驗場地條件的限制,,激光器電源與脈沖功率源的初級充電電源共地,在功率源運行時,,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)信號相對于設(shè)定時刻提前產(chǎn)生一個尖峰干擾脈沖,,從而無法保證同步運行試驗的正常進行。對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,保證同步系統(tǒng)的安全工作,。
    實驗結(jié)果表明:采用功率MOSFET及其高速驅(qū)動器等措施有效,,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開關(guān)通斷狀態(tài)可以通過觸發(fā)脈沖控制,選用高峰值輸出電路的MOSFET驅(qū)動器,,可以將輸出脈沖信號上升沿控制在5 ns以下,。采用激光器外觸發(fā)系統(tǒng),單臺脈沖功率源重頻開關(guān)實現(xiàn)參數(shù):工作電壓150 kV,,電流30 kA,、抖動
≤5 ns、重復(fù)頻率25 Hz,。為進一步開展兩臺或多臺脈沖功率源穩(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)動器和MOSFET的走線長度盡可能短,以此限制電感引起的振蕩效應(yīng),。驅(qū)動器輸出和MOSFET柵極間的電感,,也會影響MOSFET驅(qū)動器在瞬態(tài)條件下將MOSFET柵極維持在低電平的能力。激光觸發(fā)實驗中存在的問題,,如減小波形前沿,、增強抗干擾能力等還需要繼續(xù)深入研究。
參考文獻
[1] 劉錫三.高功率脈沖技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,,2005:367-369.
[2] 趙軍平,,章林文,李勁.基于MOSFET的固體開關(guān)技術(shù)實驗研究[J].強激光與粒子束,,2004(11).
[3] Yee H P.An EMI suppression MOSFET driver[A].Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition[C].Twelfth Annual,,1997:242-248.
[4] SAETHRE R,KIRBIE H,,CAPORASO G,,et al.Optical control,diagnostic and power supply system for a solid  state induction modulator[A].Proceedings of 11th IEEE International Pulsed Power Conference[C].Baltimore Maryland,,1997:1397-1402.

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