基于功率MOSFET的激光器外触发系统研制

为了推动微波功率合成技术的发展，需要开展多路同步输出的脉冲功率源开关关键技术研究，以实现电子束精确同步(同步抖动≤10 ns)，源输出波形一致性好，满足负载工作要求。在气体开关的各种触发方式中，激光触发开关是减少开关延迟时间和时间抖动的一种比较理想的开关。气体介质的激光开关，时延可达到1 ns～2 ns，其时间抖动可达到亚纳秒量级[1]。因此，单路脉冲功率源主开关采用吹气式激光触发气体火花开关，要求其开关抖动≤5 ns，重复频率为50 Hz。
    在两路脉冲功率源的同步输出实验中，触发控制系统是保证源正确有效合成的关键。控制系统一方面产生两台源正常运行的工作时序，同时通过同步考虑的设计，控制激光触发开关产生触发信号，达到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好及所需驱动功率小而且驱动电路简单的特点，所以采用MOSFET来设计激光触发器的外触发控制系统。
1 系统结构及工作原理
    图1为激光触发脉冲功率源同步控制系统结构框图，单台源均采用德国InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，将触发信号分成多路，分别控制单元开关导通。激光触发系统工作原理为：两路脉冲功率源的储能单元充电到设定值，控制系统根据目标位置设定两台源的触发时间间隔，分别发指令到两台源的激光触发系统，触发系统产生激光注入主开关，控制两组主开关各自击穿，初级能源系统储存的电能通过开关向负载馈送。

    激光器对外触发系统的设计参数要求如下：
    (1)产生闪灯触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽
≥100 μs，工作频率50 Hz，负载50 Ω；
    (2)产生普克尔盒触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽≥100 ?滋s，脉冲上升沿≤5 ns，负载50 Ω，工作频率50/N(N=1，2，…，50)。该信号与闪灯信号之间延时可调；
    (3)外触发电路、激光器和脉冲功率源之间采取隔离和屏蔽等抗干扰保护措施，确保触发系统在功率源高压大电流强辐射的恶劣环境中正常工作。
2 理论设计与分析
    激光器外触发系统由控制信号产生和控制信号触发2部分组成，二者之间通过普通多模光纤(工作波长为820 nm)进行连接。其中，控制系统工作参数设置(如工作频率和工作次数等)、控制信号产生、输出信号隔离及转换(电/光)等功能在控制信号产生单元内实现，它位于操作者所在的工作区；放置于脉冲功率源激光器侧的是控制信号触发单元，完成通过光纤传输而来的输入信号转换(光/电)、放大、快上升沿信号形成以及隔离触发输出等功能。
2.1 控制信号产生单元设计
    控制信号产生单元分为2部分：
    (1)脉冲触发信号发生器。用于产生控制功率MOSFET器件、功率晶体管工作的脉冲触发信号，具有输出脉冲的个数、脉宽及频率可调的能力，输出为TTL电平。采用工业PC，内置NI定时/计数卡PCI-6602，利用LabVIEW开发系统编制计算机人机界面，设置工作参数，编程产生激光器外触发工作所需的控制信号。其中PCI-6602提供8路32 bit源频率80 MHz的定时/计数通道，输出脉冲信号上升沿实验测试在10 ns左右；
    (2)光纤隔离电路。用于隔离TTL电平的触发信号和功率MOSFET的输出电压，具有响应快、不失真的特点。光纤发送器件选用HFBR-1414，其带宽可达5 MHz，满足脉宽为数百?滋s的触发脉冲信号传输要求。
2.2 控制信号触发单元设计
    控制信号产生单元分为4部分：
    (1)光/电转换电路。采用HFBR-2412光纤接收器件，将通过多模光纤传输至控制信号触发单元的光信号转换为TTL电信号。
    (2)功率MOSFET驱动/功率晶体管驱动电路，前者用于将低电平的TTL信号提升到可以用来驱动功率MOSFET器件的电平，以产生脉冲上升沿≤5 ns的激光器普克尔盒触发信号。后者用来产生闪灯触发信号。
    (3)功率MOSFET器件。MOSFET（金属氧化物半导体场效应管)是一种电压控制型的器件，由于MOSFET是正温度系数，所以可避免温度持续上升而使器件损坏。同时由于它的导通电阻在理论上没有上限值，因此导通时的能量损失可以非常小。其优点是：具有非常快的导通和关断能力(ns量级)；非常低的触发能量；能工作在高重复频率下(MHz量级)；使用寿命长(平均109次)；高效率、脉宽可以调节(输出由输入触发信号决定)。经选择采用IR公司的功率MOSFET器件——IRLML2803，它的漏源极击穿电压VDSS为30 V，直流电流ID为1.2 A，脉冲下最大输出电流为7.3 A，导通延时时间Td(on)为3.9 ns，关断时间Toff为9 ns。
    (4)电源部分。采用锂电池组提供给光纤隔离电路和功率MOSFET驱动电路所使用的低压电源。它配装有专用保护板，具有过充、过放、过压、欠压、过流短路及反接保护功能，进一步保证电池组控制部分的安全工作。这样有效地消除了触发单元与前级控制信号产生单元及后级功率源高压工作回路因电源共地而可能产生的高压击穿等危险因素。
    如图2所示，变换后的TTL电平经整形、功率MOSFET/功率晶体管驱动、脉冲变压器隔离输出至激光器。为了保证触发单元的正常工作，在其输出至激光器之前需加入高耐压(5 kV)脉冲变压器进行电气隔离。

[!--empirenews.page--]2.3 功率MOSFET器件及其驱动电路选择
    图3为功率MOSFET器件的工作原理电路示意图。图3(a)中，RG和CGS是影响MOSFET导通延时的主要参数；漏栅极电容CGD是造成开关动作过程中栅极电压受干扰的主要参数；漏源极电容CDS是影响关断时间的主要参数。MOSFET器件转换过程有2个：导通转换和关断转换。导通转换过程的漏源电压VDS、漏极电流iD、栅源电压VGS和与栅极电流iG随时间t的变化关系如图3(b)所示。导通转换过程分成4个阶段，各个阶段分别是：

    (1)t₀～t₁阶段：栅极驱动电流iG对CDS和CGS充电，使CGS上的电压从0上升到MOSFET导通阈值V_GS(th)。
    (2)t₁～t₂阶段：栅源电压V_GS继续以指数规律上升，超过MOSFET导通阐值VGS(th)达到Va，在V_GS超过V_GS(th)后，漏极电流开始增长，并达到最终的输出电流Io。在这一过程中，由于电压与电流重叠，MOSFET功耗最大。
    (3)t₂～t₃阶段：从t₂时刻开始，MOSFET漏源电压V_DS开始下降，引起从漏极到栅极的密勒电容效应，使得V_GS不能上升而出现平台，在t₃时刻漏源电压下降到最小值。
    (4)t₃～t₄阶段：在这一区间栅源电压V_GS从平台上升到最后的驱动电压。上升的栅压使漏源电阻R_DS(on)减小，t₄以后MOSFET进入导通状态。
    MOSFET器件的截止转换过程与上面的过程相反。由上面的分析可知对栅极驱动电路的要求主要有：
    (1)驱动信号的脉冲前、后沿都要陡峭。
    (2)对功率MOSFET栅极的充放电回路时间常数要小，以提高功率MOSFET器件的开关速度。
    (3)驱动电流为栅极电容的充放电电流，驱动电流要大，才能使开关波形的上升沿和下降沿更快。
    选用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲线图可得：在V_DS=15 V、V_GS=12 V时，总栅极电荷Q_G≈3.7 nC，则栅极电容C=Q_G/V_GS=3.7 n_C/12 V≈0.3 nF=300 pF。
    MOSFET导通和截止的速度与MOSFET栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET栅极电容、导通和截止时间与MOSFET驱动器的驱动电流的关系可以表示为：
    d_T=(dV×C)/I
式中，d_T是导通/截止时间，d_V是栅极电压，C是栅极电容(从栅极电荷值)，I是峰值驱动电流(对于给定电压值)。
    IRLML2803导通/截止时间是4 ns，则I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驱动电流为0.9 A，同时还需要考虑在MOSFET驱动器和功率MOSFET栅极之间使用的外部电阻，这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流，所以选择峰值输出电流大于0.9 A的驱动器。系统中采用的是4.5 A高峰值输出电流的同相驱动器TC4424A，经实验验证满足快上升沿信号输出要求。
3 测试结果与分析
3.1 触发信号光纤传输转换测试
    激光器外触发系统采用光纤传输和收发技术，由于其本身是由绝缘材料制成，所以具有很好的高电压隔离能力，同时还具有很强的抗干扰能力，多路光纤信号传输的同步性也非常好，满足对信号高压隔离和同步性的要求。
    图4为激光器外触发单元产生的信号波形图。图4(a)、图4(b)中通道2均显示的是工作频率50Hz的激光器闪灯触发信号（前者是输出个数为50的脉冲序列，后者是单个输出脉冲），它在控制信号产生单元内由PC机编程产生，经脉冲变压器隔离、电/光转换、光纤传输处理输入至触发单元，再经过光/电转换、功率晶体管驱动放大，由高耐压脉冲变压器隔离输出至激光器，其上升时间Tr在200 ns以内，主要是由脉冲变压器的输出上升时间确定。

  [!--empirenews.page--]  图4(a)、图4(b)中通道1均为激光器普克尔盒触发信号(显示方式同通道2)，工作频率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信号产生单元内信号生成方式同闪灯触发信号，不同的是在触发单元内经过功率MOSFET及高速MOSFET驱动器成形等处理，最终生成实测上升沿小于5 ns的脉冲信号。
    实验中测得激光器闪灯触发信号、普克尔盒触发信号脉宽均为160 μs，后者较前者滞后约250 μs，两者均可调，并且普克尔盒触发信号的输出频率也可调，满足激光器的使用要求。
3.2 激光器外触发工作对功率源的影响
    低抖动高功率重复频率主开关系统是功率源同步控制系统的研制核心和难点。为了实现脉冲功率源同步系统的低抖动工作，首先对系统工作过程中的抖动来源进行分析。同步系统的工作流程如下：激光器外触发系统产生一个快上升沿的信号送到激光器，激光器产生脉冲激光注入激光开关，激光开关闭合，形成线通过感应叠加模块对二极管放电，产生电子束。在这个过程中，可能产生以下的抖动：
    (1)激光器外触发系统电路抖动J1。抖动来源于传输线路及转换线路中的芯片延时不同和芯片本身的抖动，该抖动经实测小于2 ns；
    (2)激光器抖动J2。抖动来源于激光器的工作过程，在快前沿信号(t_r≤5 ns)触发下激光器抖动小于3 ns。
    (3)激光开关抖动J3。抖动来源于激光触发产生等离子体放电的物理过程，设计指标为小于5 ns。
    图5为脉冲功率源中4路感应叠加模块合成负载波形，重复频率25 Hz，负载为平面二极管，图中为25个波形的重叠（通道1为二极管电流信号波形，通道2为二极管电压信号波形）。由此证明：采用激光器外触发系统，负载输出波形的一致性较好，重复频率25 Hz工作时开关抖动低，满足设计要求。

3.3 抗干扰考虑
    激光器外触发单元是同步运行中的控制环节，是装置能否正常工作的关键。对触发电路的要求是脉冲前沿陡且有足够的幅值与脉宽，稳定性与抗干扰性能好等。而高压发生装置容易产生各种瞬时尖峰信号，即所谓“毛刺”，当其幅值和能量达到一定程度时，极易导致系统不能正常运行。在前期的同步运行试验调试过程中，由于受实验场地条件的限制，激光器电源与脉冲功率源的初级充电电源共地，在功率源运行时，导致激光器外触发系统输出至激光器普克尔盒的触发信号相对于设定时刻提前产生一个尖峰干扰脉冲，从而无法保证同步运行试验的正常进行。对此采取增加电源滤波器、高频电容等方式，以消除电源引入的干扰影响，结果有所改善。下一步工作则是将激光器与其外触发系统共用同一电源，与脉冲功率源的电源彻底分开，保证同步系统的安全工作。
    实验结果表明：采用功率MOSFET及其高速驱动器等措施有效，利用光纤收发器件转换传输、高耐压脉冲变压器隔离可行。影响脉冲功率源开关同步输出转换效率的是激光器外触发回路的性能。功率MOSFET开关通断状态可以通过触发脉冲控制，选用高峰值输出电路的MOSFET驱动器，可以将输出脉冲信号上升沿控制在5 ns以下。采用激光器外触发系统，单台脉冲功率源重频开关实现参数：工作电压150 kV，电流30 kA、抖动
≤5 ns、重复频率25 Hz。为进一步开展两台或多台脉冲功率源稳定、可靠地精确同步输出奠定一定的技术基础。
    另外，触发控制电路印制电路板中，控制电路极易受到功率回路的干扰，应使MOSFET驱动器和MOSFET的走线长度尽可能短，以此限制电感引起的振荡效应。驱动器输出和MOSFET栅极间的电感，也会影响MOSFET驱动器在瞬态条件下将MOSFET栅极维持在低电平的能力。激光触发实验中存在的问题，如减小波形前沿、增强抗干扰能力等还需要继续深入研究。
参考文献
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