基于固体开关器件的新型高压脉冲驱动源

摘要：从MOSFET的开关基理，以仿真与电路实验相结合的方法，研究出了MOSFET栅极的“过”驱动技术，以此采提高MOSFET的开关速度。并结合多个MOSFET的串并联的级联技术，采用多管串联方法来提高脉冲源的输出脉冲幅度，采用多管并联方法来提高脉冲源的其输出脉冲功率，从而得到较大的脉冲宽度。在此研制出了输出脉冲幅度大于4 kV、前沿小于10 ns、脉冲宽度大于100 ns的高压快脉冲源。
关键词：过驱动；MOSFET；高压固体器件；高压宽脉冲

    高压快脉冲源的技术基础核心是高压快开关。以前固体器件开关尽管具有速度快、晃动小等优点，但由于技术与工艺水平的限制，不具备有电真空器件的大功率、耐高压、大电流驱动能力等特点，因而只能用于低压快脉冲源领域，随着半导体技术的发展，逐步出现了高压固体器件，采用多管级联方式，提高输出功率，逐步改变了现状，并且在中小功率的脉冲源领域中，逐步地取代了真空电子器件及氢闸流管。这里重点研究基于固体开关的脉冲驱动技术，对雪崩管、高压功率场效应管的机理进行了深入调研，对其开关原理和开关特性进行了综合分析研究，着重对提高大功率高压场效应管开关速度的栅极驱动及特殊的“过”驱动方法开展研究，确定采用MOSFET为主开关元件的技术方案，运用ORC．ADPspice软件对电路仿真，分析并验证高压MOSFET单管、多管级联及驱动理论，以提高脉冲的前沿的方法措施，达到了电路的优化设计。

1 MOSFET的选用和开关速度的提高
    在选用纳秒级的固体开关上，对固体雪崩三极管和MOSFET的性能进行了对比：
    固体雪崩管被触发工作在雪崩或二次击穿瞬间时，能输出很大的脉冲峰值电流，且触发晃动和上升时间都很小；但是由于雪崩持续时间很短，大约只有几个ns，所以输出脉冲平均功率较低，脉冲宽度较窄，电流难以控制。因此广泛用于制作重复频率低而脉冲功率高的窄脉冲源。
    MOSFET具有大的脉冲开关电流(数十安培)、较高的漏源电压(达千伏)、和小的导通内阻(欧姆量级)，用它制作的脉冲源抗脉冲电磁干扰能力较强。由于其输入／输出电容较大，因此它的开关速度较慢。但场效应管脉冲源电压幅度和宽度容易调节，只要在“过”驱动电路上开展研究，以提高MOSFET的开关速度，这样就可以产生纳秒级上升时间的大幅度的宽脉冲，那么基于MOSFET纳秒高压宽脉冲源的研究就是十分可行的。

2 MOSFET的开关机理分析
    采用“过”驱动能提高功率MOSFET的开关速度，就是使对MOSFET栅极驱动脉冲波形的前沿很快且上冲大大超过额定的栅源驱动电压，栅极驱动源的驱动能力在很大程度上决定了MOSFET的开关速度。加快MOSFET的开关速度关键之一就是减小栅极电阻和栅极电容，提高跨导gm，提高栅极驱动电压。
    为了提高MOSFET管的开关速度，从电路设计角度考虑要求栅级驱动电路：能够提供较大的驱动电流、驱动电压以及具有较快前沿的栅极驱动脉冲，同时要求驱动电路的输出电阻应尽量小。因此栅极驱动开关器件必须能输出瞬间大电流，因而采用雪崩管来驱动MOSFET，可以得到很快的导通速度。

3 MOSFET过驱动电路设计
    MOSFET栅极驱动开关器件必须能输出瞬间大电流。而雪崩晶体管是工作在雪崩或二次击穿状态，瞬间输出的脉冲峰值电流很大、幅度很高、晃动很小、开关速度又很快，用雪崩管驱动MOSFET可以得到很快的导通速度。实验中采取射极跟随和雪崩电路来触发MOSFET，因而可以得到了较快的前沿和较小的输出电阻。为了消除因分布电容耦合效应所造成的功率电路对驱动电路的影响，必须使用带隔离的驱动电路。为此在电路设计中采用雪崩管加脉冲变压器组合的“过”驱动的方法，提供驱动MOSFET栅极所需的大电流“过”驱动脉冲，以实现提高MOSFET开关速度的目的。过驱动电路是由射极跟随器、雪崩管电路和脉变压器耦合电路组成(见图1)。

    射极跟随器起阻抗变换的作用，雪崩管脉冲峰值电流达60 A。电路设计时，高压电源电压为300 V，输出级为集电极输出形式，输出负载为高频脉冲变压器(次级接高压场效应管的栅极)，由此管产生输出脉冲极性为负，脉冲幅度300 V左右，脉冲前沿数纳秒的大电流脉冲输出，该输出脉冲通过反相脉冲变压器变成正的大电流“过”驱动脉冲(见图2)去驱动场效应管，使高压场效应管的开关速度得以提高。
    栅极过驱动脉冲波形的前沿应该很快，且上冲大大超过额定的栅源驱动电压值(脉冲前沿约为3 ns、幅度约为170 V)，但因上冲的脉冲宽度很窄(约为7 ns)如图2所示。因此可以达到快速驱动MOSFET的栅极，又不会损坏MOSFET。

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3．1 单路MOSFET仿真实验
    为得到较快的脉冲驱动源输出波形的前沿需要MOSFET的开关速度尽量快。根据对MOSFET的开关特性分析可知，从电路上考虑，加快MOSF ET的开关动作有以下途径：
    (1)提供较大的栅极驱动电流和电压，使功率MOSFET栅极电容迅速充放电，从而减小功率MOSFET关断时间；
    (2)提供较快的驱动脉冲，从而提高功率MOSFET的关断速度。

    单管MOSFET实验电路的输出波形如图3所示。波形幅度约1 kV，前沿时间约为1．6 ns，脉宽约1．4μs。MOSFET单管仿真和实验的结果表明：选择合适的管子和过驱动电路实现高压脉冲源纳秒级快前沿时间是可以办到的。单管研究的突破，为多管串并联的组合得到更高幅度纳秒脉冲源的研究带来了希望。
3．2 多管串并联的MOSFET仿真与电路实验
    尽管随着MOSFET技术的发展，其单管耐压已经大大提高，最高可以达到千伏以上，但是对许多特殊需求来说其电压幅度是远不够的。脉冲源要求的输出脉冲幅度要高达到4 kV以上，因此需多个千伏高压场效应管串连才能达到幅度要求。
    多管串联的需要解决的问题是：由于各管的漏电流不一致导致串联时分压不一致，有些管子可能超过其额定耐压而损坏；多管串联时为了做到一致驱动，需要对每个管子实行“过”驱动。要得到输出脉冲的快前沿，必须对多管级连的每个管子的栅源极间实行电压脉冲过驱动。因此，多管串联的栅极驱动不能采用直接驱动，而只能采取脉冲变压器耦合驱动栅极的方式。高速多管串并联的最关键技术是具有体积小耐高压和纳秒级瞬间大电流传递的驱动脉冲变压器的研制。由于触发脉冲要求有很快的前沿，因此要求脉冲变压器的高频响应的性能要好。此外，选用MOSFET作为高速高压脉冲源的开关要兼顾到功率特性和开关特性，因为它们是互相制约的，由于管子的输入电容很大，需要较大能量才能驱动，故对抗电磁干扰是有利的，但因此需要大功率快脉冲的驱动，从而加大了研制难度，较易驱动也是选管的重要考虑因素。选择高压雪崩三极管来产生瞬间大电流来提高MOSFET的开关速度，每个驱动电路均由相同的5路组成，每路后接脉冲变压器分别驱动一个MOSFET。其仿真输出波形前沿约为1．4 ns，脉宽约为600 ns，幅度约为4 kV。
    采用多管串联方法可以提高脉冲源的其输出脉冲幅度和功率，从而得到较大的脉冲宽度。值得注意的是：在多级串联设计时应避免栅极间电压不能超过额定值，漏极电流不应超过额定峰值电流，否则会使管子损坏。多管串联时由于每个管子的漏电流不同，因此当加载高压时会造成管子分压不致，有些管子漏源之间电压可能超过管子额定耐压值，从而导致该管损坏，引起连锁反应导致整路管子的损坏，因此设计时除尽量选择漏电流一致的管子外，在每管漏、源之间并联大电阻，这样使各管分压保持一致，防止各管因分压不均匀而损坏。
    实验电路采用5 kV高压场效应管串联分别组成前沿充电组合开关，分别成形输出脉冲的前沿，同时为达到较快的前沿速度，场效应管栅极驱动源采用高压雪崩管加脉冲变压器的“过”驱动方法，脉冲源输出负载为100 Ω的高压电阻。根据电路原理图设计电路，搭建实验平台，对各部分电路进行实验和测试。

    实际脉冲源的输出波形如图4所示。输出波形幅度约4．3 kV，前沿时间小于8 ns，脉冲宽度约105 ns，晃动小于3 ns。达到了设计的要求。

4 结语
    实验结果表明：研制出基于固体开关器件快脉冲源符合高压脉冲输出500～4 000 V可调，前沿小于10 ns，脉宽大于100 ns，晃动小于3 ns的技术指标的高压脉冲驱动源，满足了设计和使用的要求。