基于固體開關(guān)器件的新型高壓脈沖驅(qū)動源

單管MOSFET實驗電路的輸出波形如圖3所示。波形幅度約1 kV，前沿時間約為1．6 ns，脈寬約1．4μs。MOSFET單管仿真和實驗的結(jié)果表明：選擇合適的管子和過驅(qū)動電路實現(xiàn)高壓脈沖源納秒級快前沿時間是可以辦到的。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了希望。
3．2 多管串并聯(lián)的MOSFET仿真與電路實驗
盡管隨著MOSFET技術(shù)的發(fā)展，其單管耐壓已經(jīng)大大提高，最高可以達到千伏以上，但是對許多特殊需求來說其電壓幅度是遠不夠的。脈沖源要求的輸出脈沖幅度要高達到4 kV以上，因此需多個千伏高壓場效應(yīng)管串連才能達到幅度要求。
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致串聯(lián)時分壓不一致，有些管子可能超過其額定耐壓而損壞；多管串聯(lián)時為了做到一致驅(qū)動，需要對每個管子實行“過”驅(qū)動。要得到輸出脈沖的快前沿，必須對多管級連的每個管子的柵源極間實行電壓脈沖過驅(qū)動。因此，多管串聯(lián)的柵極驅(qū)動不能采用直接驅(qū)動，而只能采取脈沖變壓器耦合驅(qū)動柵極的方式。高速多管串并聯(lián)的最關(guān)鍵技術(shù)是具有體積小耐高壓和納秒級瞬間大電流傳遞的驅(qū)動脈沖變壓器的研制。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，因為它們是互相制約的，由于管子的輸入電容很大，需要較大能量才能驅(qū)動，故對抗電磁干擾是有利的，但因此需要大功率快脈沖的驅(qū)動，從而加大了研制難度，較易驅(qū)動也是選管的重要考慮因素。選擇高壓雪崩三極管來產(chǎn)生瞬間大電流來提高MOSFET的開關(guān)速度，每個驅(qū)動電路均由相同的5路組成，每路后接脈沖變壓器分別驅(qū)動一個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：在多級串聯(lián)設(shè)計時應(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，否則會使管子損壞。多管串聯(lián)時由于每個管子的漏電流不同，因此當加載高壓時會造成管子分壓不致，有些管子漏源之間電壓可能超過管子額定耐壓值，從而導致該管損壞，引起連鎖反應(yīng)導致整路管子的損壞，因此設(shè)計時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。
實驗電路采用5 kV高壓場效應(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，同時為達到較快的前沿速度，場效應(yīng)管柵極驅(qū)動源采用高壓雪崩管加脈沖變壓器的“過”驅(qū)動方法，脈沖源輸出負載為100 Ω的高壓電阻。根據(jù)電路原理圖設(shè)計電路，搭建實驗平臺，對各部分電路進行實驗和測試。

實際脈沖源的輸出波形如圖4所示。輸出波形幅度約4．3 kV，前沿時間小于8 ns，脈沖寬度約105 ns，晃動小于3 ns。達到了設(shè)計的要求。

4 結(jié)語
實驗結(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，晃動小于3 ns的技術(shù)指標的高壓脈沖驅(qū)動源，滿足了設(shè)計和使用的要求。