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MSGK高低壓通電試驗(yàn)臺(tái) 基于固體開關(guān)器件的新型高壓脈沖驅(qū)動(dòng)源

更新時(shí)間:2012-08-09 點(diǎn)擊次數(shù):1628

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(lái)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(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”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。

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)。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。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(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(lái)產(chǎn)生瞬間大電流來(lái)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。

 

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