基于固體開關(guān)器件的新型高壓脈沖驅(qū)動(dòng)源

摘要：從MOSFET的開關(guān)基理，以仿真與電路實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究出了MOSFET柵極的“過(guò)”驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以此采提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度。并結(jié)合多個(gè)MOSFET的串并聯(lián)的級(jí)聯(lián)技術(shù)，采用多管串聯(lián)方法來(lái)提高脈沖源的輸出脈沖幅度，采用多管并聯(lián)方法來(lái)提高脈沖源的其輸出脈沖功率，從而得到較大的脈沖寬度。在此研制出了輸出脈沖幅度大于4 kV、前沿小于10 ns、脈沖寬度大于100 ns的高壓快脈沖源。
關(guān)鍵詞：過(guò)驅(qū)動(dòng)；MOSFET；高壓固體器件；高壓寬脈沖

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(guò)”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??；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(guò)”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(guò)”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(guò)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(guò)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(guò)”驅(qū)動(dòng)的方法，提供驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極所需的大電流“過(guò)”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(guò)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(見圖1)。

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(guò)反相脈沖變壓器變成正的大電流“過(guò)”驅(qū)動(dòng)脈沖(見圖2)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(guò)驅(qū)動(dòng)脈沖波形的前沿應(yīng)該很快，且上沖大大超過(guò)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)如圖2所示。因此可以達(dá)到快速驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極，又不會(huì)損壞MOSFET。