基于直流调制技术PockelsCell高压纳秒级脉冲源研制

蒋顺利，郎佳红，冯德仁，丁凯

(安徽工业大学电气与信息工程学院,安徽马鞍山243032)

基于直流调制技术PockelsCell高压纳秒级脉冲源研制

蒋顺利，郎佳红，冯德仁，丁凯

(安徽工业大学电气与信息工程学院,安徽马鞍山243032)

研制一种基于直流调制技术的高压纳秒级脉冲源，将其作为PockelsCell前馈驱动电源。分析直流调制技术的原理，选用金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)作为主调制开关，设计系统辅助电路。实验结果表明：输出的高压脉冲最高幅值可达800V、脉冲前沿小于100 ns、高压抖动较小。该结果为更高脉冲重复频率、更快上升沿脉冲源的研制提供了借鉴。

PockelsCell；直流调制技术；脉冲源；功率MOSFET

高压纳秒级脉冲源在国防科研、高新技术和民用工业等领域有着越来越广泛的应用，如探地雷达、激光技术、X射线探伤等[1-3]。脉冲源作用对象不同，对其要求也不同。在激光系统的再生放大器Pockels Cell中，应用高压纳秒级脉冲源作为前馈驱动源作用于电光晶体上形成电场，通过对光波不同方向的相位及其延迟方向进行控制，来改变光波偏振方向，使光波得到控制，从而使电光晶体起到类似“光开关”的作用[4-5]。因此，Pockels Cell对驱动开关脉冲的要求是输出脉冲为矩形波，前后沿陡，底部平，尾后波动小，有足够的脉宽和可调的电压幅度[6]。

传统的高压纳秒级脉冲源是以气体火花开关氢闸流管为代表的电真空开关器件为主开关，上升沿较小且输出电压较高，但触发过程晃动大、重复频率低、装置复杂[7]。以高压场效应管为主开关的固态调制器开关速度快，且寿命较长[8]，在激光系统、量子通信系统等科研领域正在逐步取代电真空器件。应用固态器件实现脉冲源的方法一般有2种：传统的是直流斩波法，利用电力电子器件高速的开关性能，改变开关的动作频率，就可以改变加载到负载上的电压、电流值，但脉冲波形不易控制，特别是在电压等级较高的场合，因单管耐压等级的限制，易形成上百伏的直流本底，且脉冲上升沿较大；第二种是利用储能元件电感L，电容C的充放电实现脉冲波形，即全固态直流开关调制器，这种方法原理简单，且适合任意宽度的脉冲，可靠性高。为此，笔者采用场效应管MOSFET作为主开关器件，对电容充电回路就行放电，研制成幅值为800V，前沿小于100 ns的紧凑型全固态高压纳秒级脉冲源。

1 装置研制

1.1 系统组成及工作原理

图1是基于直流调制技术的高压脉冲源系统结构示意图，主要包括低压回路、高压回路和脉冲产生回路三部分。采用整流-逆变-高频变压器升压-高频整流的方法，得到1个幅值在0～800V内连续可调的高压直流，经限流电阻R2对调制开关漏极储能电容C4进行充电。触发脉冲与调制开关的栅极相连，触发MOSFET迅速导通，从而使储能电容C4通过负载R3放电，在R3两端得到1组高压脉冲波形。

图1 高压脉冲源结构示意图Fig.1 Schematic diagram of high voltage pulse source

高压纳秒级脉冲产生电路采用电容放电式双指数波发生回路(图1中的C4-L3-R3-VT5回路)，其单次脉冲源的等效电路为图2所示的RLC电路。图2中：C为储能电容；L是放电回路的等效分布电感；RL是等效吸收负载电阻；R1为充电电阻；K为主调制开关；U为等效高压充电电源。在触发条件下通过闭合开关K向负载RL放电，利用MOSFET的驱动脉宽来调制功率脉冲的宽度。

图2 电容放电式脉冲源等效电路Fig.2 Equivalent circuitof capacitance discharge pulse source

假定双指数波发生回路的初始充电电压为E，在t=0时刻开通，电路方程满足式(1)

其中i为流过负载RL的电流，将式(1)微分得到二阶微分方程

解出两特征根为

设电容C两端的电压为Uo(t)，其初始条件：i(0)=0;Uo(t)=E。从而求得在是，其电流为因此，负载电阻RL两端的输出电压脉冲Uo(t)可表达为：

可见流过负载RL的电流呈指数衰减，而指数衰减函数的衰减过程与其时间常数有关，若时间常数很大，则在t=0后的很短时间内电流函数基本上是1个常数。假设在很短的时间内，将函数截断，则可以得到1个近似矩形波形的放电波形，其波形顶降δ可以用式(6)表示。可见，通过合理选择RL与C，在误差范围内，所获得的脉冲与方脉冲相当接近。图3为脉冲产生回路在Matlab中的仿真波形，其中充电电压E取800 V，回路分布电感L取5.7 nH，充电电阻R1取500Ω，负载电阻RL取10 kΩ。

1.2 调制开关及其驱动电路

调制开关是脉冲电源中至关重要的部分，其性能的好坏直接影响到整个电源的输出特性。文中选用三端电压控制型开关器件MOSFET，由栅-源极间的正电压控制漏极电流导通。实际电路中使用的MOSFET存在极间寄生参数[9]，其等效电路如图4，这些寄生参数会大大影响其开关性能。MOSFET的开关性能不仅与其本身结构参数有关，还与其驱动电路的特性密切相关。高速MOSFET驱动电路应具有高幅值的电压及足够快的电流上升下降速度，更应在MOSFET开通时以低电阻电感对栅极电容充电，关断MOSFET时为栅极电容提供低电阻电感的放电回路，以提高MOSFET的开关速度[10]。

为了满足低电阻大电流的充放电回路的要求，一般采用互补对称式驱动电路，其输出驱动由1对P沟道和N沟道的功率MOSFET管组成，如图5。输入级的2个MOSFE管以推挽模式工作，始终保持1个导通1个截止的状态。当输出低电平时，也就是下级负载门输入低电平时，输出端电流为下级门向开关管灌入电流；当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端电流为下级门从本级电源经Q1，Q2拉出电流。输出级再经过一级OCL功率放大电路进一步提高其驱动能力，文中的N管选用IRF530，P管选用IRF9530，其导通电阻均只有0.2Ω左右。采用大面积铺地的方法在PCB板的底层形成完整的地平面，这样可以保证高速信号的返回路线在其输入路线的正下方，从而整个回路面积最小，电感也就减小。

图3 双指数波形的仿真波形Fig.3 Simulation of double-exponentialwaveform

图4 考虑分布参数的MOSFET模型Fig.4 MOSFETmodelconsidering distribution parameters

图5 双极性互补对称式驱动电路Fig.5 Bipolar com plementary symmetry circuit

2 实验结果与分析

实验测试设备包括美国Tektronix示波器，Tektronix高压探头，带宽为250MHz，衰减倍数为100倍，输出波形均在带负载的情况下测试所得。高压脉冲产生回路产生的高压脉冲前沿部分如图6，图中：CH1为驱动电路输出的触发脉冲；CH2为最终输出的高压脉冲波形。从图6可以看出，CH2的脉冲幅值约800 V，脉冲上升前沿约9 ns，因MOSFET存在电感、电容等分布参数，故其开通需要一定的时间，造成CH1和CH2之间存在50 ns左右的开通时间延迟。图7为触发频率在1 kHz下的输出高压脉冲波形全图，其中：CH3为驱动脉冲全图脉冲，幅值约10V；CH4为在负载上得到的高压脉冲，幅值近800V。由图7可以看出，高压脉冲的脉宽宽度与驱动脉冲的脉冲时序一致。

图6 高压脉冲源输出波形Fig.6 Outputwaveform ofhigh voltage pulse source

图7 高压快脉冲串输出波形Fig.7 Outputwaveform of high voltage fastpulse string

3 结论

以电场效应管MOSFET作为主开关器件，基于直流调制技术的脉冲产生原理，理论推导出产生较理想脉冲输出电路中各参数选取的方法，设计可有效抑制开关器件寄生参数对开关性能影响的双极性互补对称式驱动电路。通过实验得到幅值可达800 V、脉冲上升沿小于100 ns、低抖动的高压脉冲。与传统的直流斩波技术相比，直流调制技术产生的高压脉冲波有着更小的脉冲上升沿和更稳定的平顶短脉冲输出。

[1]韩旻,邹晓兵,张贵新.脉冲功率技术基础[M].北京：清华大学出版社，2010:15-21.

[2]赵卫东,关明鑫,徐笑娟,等.传输线变压器在高压脉冲源中的应用[J].安徽工业大学学报：自然科学版，2013,30(1):60-65.

[3]吴红光,曹科峰,梁川,等.150 kV脉冲X光机.强激光与粒子束，2010,22(4):941-944.

[4]广明,田为，黄军.新型大功率固态调制器[J].电力电子技术，2004,38(5):63-65.

[5]Watson JA,Cook EG,Chen Y J,eta1.A solid-statemodulator for high speed kickers[C]//Proceedings of PAC2001.Berkeley, 2001:3738-3740.

[6]冯宗明，高平，谢敏，等.等离子体电极电光开关驱动电源系统[J].强激光与粒子束,2004,16(9):1171-1174.

[7]杨清，霍玉晶，何淑芳.两级串联式电光开关高压快脉冲源的研制[J].激光与红外,2013,43(1):79-84.

[8]余岳辉，梁琳，颜家圣，等.大功率超高速半导体开关的环流特性研究[J].中国电机工程学报,2007,27(30):38-42.

[9]徐玉存.MOSFET调制器关键技术及氦离子FFAG感应加速腔模拟研究[D].合肥：中国科技大学,2011．

[10]王相綦，冯德仁，何宁，等.基于MOSFET亚微秒固态调制器技术的试验研究[J].中国科技大学学报,2007,37:99-103.

责任编辑：何莉

Developmentof PockelsCellDriving Pulse Generator Based on DC Modulation Technique

JANG Shunli,LANG Jiahong,FENG Deren,DING Kai
(Schoolof ElectricalEngineering and Information,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243032,China)

A high voltage pulse generator based on DCmodulation techniquewas presented,which can be used as pockels cell driving source.The principles of DCmodulation technique of system were analyzed.Themetal-oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET)was chosen asmain modulation sw itch.The system auxiliary circuitwas designed.Experimental results indicate that the highestamplitude of outputpulse can be up to 800 V, its pulse frontand jitterare less than 100 ns,and high ovltage shakes smaller.The results provide better references for pulsegeneratorwith higher repetitive rateand lower pulse frontedge.

Pockels Cell;DCmodulation technique;pulse generator;powerMOSFET

TM 709

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.015

1671-7872(2014)02-0173-04

2013-12-30

安徽省重大教研项目(2013ZDJY074)

蒋顺利(1989-)，女，安徽宿州人，硕士生，主要研究方向为脉冲功率技术。

郎佳红(1972-)，男，安徽池州人，副教授，主要研究方向为脉冲功率、电能质量管理、新能源发电。