一种带输出监测的简单快速高压脉冲源

郭明安, 刘 璐, 郭耀军, 严 明,李 刚, 周二瑞, 杨少华, 刘 偲

(1. 西北核技术研究所, 西安 710024; 2. 中核核电运行管理有限公司, 浙江海盐 314300)

现有快脉冲产生器件主要有雪崩三极管[1]、雪崩二极管[2]、三极管[3]和MOSFET[4-8]，它们存在脉冲宽度不能受控调节或脉冲宽度调节受限、外接高压电源体积较大、重复频率较低、驱动复杂及无监测输出等缺点。监测快脉冲输出可准确掌握曝光时刻，本文利用集成MOSFET驱动和功率开关于一体的IC(integrated circuit)器件，设计了一种高压快门脉冲源，具有驱动简单，体积小，前后沿时间短、输出脉冲宽度可调节及监测输出等特点，适用于像增强器高速成像。

1 原理和关键理论值估计

高压脉冲源包括高压电源和高压开关，能交替连通和断开该电压源的负载，简化的高压脉冲源等效电路如图1所示。高压电源通过一个阻值较高的限流电阻RI给蓄能电容器CR充电。当高压开关(high voltage switch，HVS)闭合时，电容CR迅速提供电流脉冲，将各种电容，如内部寄生电容CI、传输电缆电容CC和负载电容CL等，充入到高压电源中，然后由负载电阻RL和电容器CR决定放电电流和放电时长，直到 HVS再次断开为止。

虽然高电压脉冲是所要产生的波形，但产生这种电压脉冲需依靠电流波形，而电流波形又由高压电源和高压开关决定。通过高压开关的电流是所有内部电缆、负载电容和负载电阻上的电流之和。3种电容和负载电阻对脉冲的前后沿也有显著的影响。图2为电流脉冲的组成。

由图2可见，电流脉冲由一个初始的尖脉冲和一个稳定的平顶分量2部分组成。前沿脉冲的平均电流决定了电压脉冲的上升时间(幅度从峰值的10%上升到90%的时间)，可表示为

(1)

其中：Iaverage-rise为前沿脉冲平均电流；t为时间；V为脉冲幅度。

根据经验，前沿的峰值电流是这个平均值的2倍，表示为

Ipeak-rise=2Iaverage-rise

(2)

脉冲幅度从峰值的90%下降到10% 的时间为下降沿时间，可表示为

tF=2.2RL[CI+CC+CL]

(3)

基于选择的IC器件(耐压为1 000 V,峰值电流为72 A，开关寄生电容为46 pF)，设计一个前沿为2 ns，电压为1 000 V的高压脉冲源，印刷电路板传输电容为12 pF，负载电容为2 pF，负载电阻为16.5 Ω，根据式(1)-式(3)，可得

(46+12+2)×10-12×1 000÷(2×10-9)=30 A

(4)

Ipeak-rise=2Iaverage-rise=60 A

(5)

tF=2.2RL[CI+CC+CL]=

2.2×16.5×60×10-12≈2.2 ns

(6)

2 器件选择和关键电路设计

本文采用一片集成高速大电流和高耐压的MOSFET和驱动电路于一体的IC器件作为高压脉冲源，寄生电容为46 pF，驱动电源电压为8～20 V，开关耐压为1000 V，开关峰值电流为72 A，电路原理如图3所示。工作原理为：当电路施加电源时，一个0 V的输入信号控制IC1的输出，使MOSFET工作在断开状态，IC1内部结构如图4所示；高压电源通过电阻R2，R9，R10和二极管D1对电容C13充电，通过电阻输出+50 V电压；当输入信号为高电平时(8～20 V)，IC1内部一个VCC幅度的电压加载在MOSFET的栅极，使之导通，C13通过等效负载放电，在等效负载上形成一个负的高压，幅度为高压电源的幅度减去功率 MOSFET的导通电压。这个脉冲通过C14交流耦合输出，最终输出幅度为脉冲幅度VHV减50 V。当输入回到0 V时，输出保持在50 V，这样在输出端就形成一个+50 V～-(VHV-50 V)的脉冲高压。有效脉冲宽度和持续幅度受电容C13的容量和放电回路负载的限制，因此， 控制输入信号的宽度不能大于C13的放电时间。

多个分离电阻并联可减少串联电感，短路和过载保护依靠R4-R8和R15-R19并联组成的等效电阻。当输出电流升高时，MOSFET的有效栅源电压减小，提高了功率 MOSFET的导通电阻；在短路状态，电容C13安全而通过MOSFET充分放电。D1消除了感应负载引起的反向电压。为安全起见，当电路不工作时，C13的电荷可通过串联电阻R14，R21，R24，R27泄放。

电路设计非常关键，首先要一个控制低电感的地层，电容C13和C14必须是无感脉冲电容，IC1的驱动部分电源VCC必须连接到一起，所使用的去耦电容尽可能地贴近管脚，IC1的驱动部分电源地DGND是整个芯片的参考地，必须连接在低噪声的模拟地上。IC1的输入部分电源VCCIN，不能直接接在驱动部分电源VCC上，同样，IC1的输入部分电源地INGND，不能直接连在驱动部分电源地DGND上。VCCIN,INGND,IN必须通过3者的共模轭流线圈分别相连接，就能跟随内部模电压变化，阻止脉冲输入信号冲击产生高速瞬变而影响输入状态。电阻R20，R23，R25和电容C16形成一个缓冲网络，吸收电压尖峰，阻止开关过程中产生的电压尖峰冲击，进而保护MOSFET。输出电压监测电路采用无感电阻分压方式，接50 Ω特征阻抗的高频同轴电缆输出，与负载50 Ω匹配。图5为高压脉冲源电路实物图。

3 关键参数测试

高压脉冲源关键性能参数包括触发晃动时间、前后沿时间、晃动时间及固有延迟时间、最大及最小输出脉冲宽度、最小输入触发阈值和监测衰减倍数。测试条件为:驱动电源电压为12 V；驱动信号源输出幅度可调节，最大为10 V；脉冲宽度可调节，双通道输出；直流高压电源电压为275 V；负载输出接16.5 Ω的大功率电阻，可采用多个电阻并联，用示波器探针接示波器通道，高阻直流耦合；监测输出接高频同轴短电缆，进示波器通道，与50 Ω的负载阻抗匹配。

3.1 触发晃动时间测试

3.2 前后沿时间、晃动时间及固有延迟时间测试

利用示波器同时记录脉冲源触发输入和输出的波形，设置触发输入信号脉冲宽度为100 ns，幅度为10 V，添加下降沿时间、上升沿时间、固有延迟时间(输入上升沿与输出下降沿之间的延迟时间及输入下降沿和输出上升沿之间的延迟时间)、输出幅度和输出宽度等参数自动测试功能。累计测试100次后，上升沿和下降沿、固有延迟时间及晃动时间波形如图7所示。以平均值作为测试值，测得下降沿为2.28 ns，上升沿为3.34 ns；以下降沿的最大时间减去最小时间为前沿晃动时间，为2.398-2.187=0.211 ns，以上升沿的最大时间减去最小时间为后沿的晃动时间，为3.576-3.133=0.446 ns；以延迟时间的平均值为测试值，得到下降沿固有延迟时间为26.55 ns，上升沿固有延迟时间为24.21 ns；幅度Vpp为252 V；宽度为97.64 ns(加上上升沿和下降沿的延迟时间差2.34 ns等于输入信号宽度100 ns)，晃动时间为97.72-97.57=0.15 ns。

3.3 最大和最小输出脉冲宽度测试

本电路本质上是一个RC放电电路，放电时间常数取决于电阻R和电容C，最大脉冲输出宽度主要取决于负载RL和储能电容CR，定义输出幅度下降在5%以内的有效时间为最大输出脉冲宽度。脉冲宽度为1 μs，幅度下降为10 V，阻抗为16.5 Ω，储能电容为3 μF。当输出脉冲宽度在1 μs内调节时，脉冲宽度测试波形如图8所示。

调整触发输入脉冲的宽度，直到快高压脉冲源有信号输出时为止，这个输出脉冲的半高宽即为最小脉冲宽度。目前信号源的幅度最大为10 V，前后沿最小为10 ns，当输出最小脉冲宽度为13 ns时，高压脉冲源输出的脉冲宽度为4.53 ns；当信号源输出的脉冲宽度为14 ns时，高压脉冲源输出的脉冲宽度为8.12 ns。图9为高压脉冲源输入脉冲宽度分别为13 ns和14 ns时的输出波形。

当脉冲电源的输出开始与输入有固定关系时，触发输入的脉冲宽度称为最小有效触发输入脉冲宽度，此时输出脉冲宽度称为最小有效输出脉冲宽度。根据实验测试给出的输入脉冲宽度和输出脉冲宽度的对应关系，输入脉冲宽度为20 ns以上，快速高压脉冲源的输出基本随输入有固定变化关系，脉冲宽度差为2.34 ns，因此，最小有效触发输入脉冲宽度为20 ns，最小有效输出脉冲宽度为20-2.34 =17.66 ns。

3.4 最小触发阈值测试

将输入触发脉冲宽度设置为13 ns，减少输入信号的幅度，直到输出有信号，此时的触发输入信号的幅度为最小触发阈。当开始有输出信号时，测得幅度为8 V，因此最小触发阈为8 V。

3.5 监测衰减倍数测试

用示波器的一个通道接监测输出，阻抗匹配为50 Ω，另一个通道采用探针直接用高阻测试脉冲源的输出，比较二者幅度之间关系，得到衰减倍数设计值为2×(330×3+50)/50=41.6。图10为监测衰减倍数。由图10可见，实际输出VPP为250 V，监测输出为6 V，实际测试的衰减倍数为41.7倍，与设计值相符。

4 结论

本文利用单片集成驱动和高压MOSFET实现了带监测输出的高速高压脉冲源，适用于像增强器的高速成像，可很准确地把握曝光时刻。实验测试结果表明，包括电缆电容在内的负载电容是高压脉冲源设计和应用中的一个非常重要的因素。电容的影响可通过改变互连电缆的长度等方式控制，即增加负载上的分流电阻。今后的工作将致力于进一步减少最小有效输出脉冲宽度，提高输出幅度的稳定性和降低电路的固有延迟时间。