双级升压高速电光调Q驱动电路设计

张超 陈焕红 刘雪峰 石志成 张艾

双级升压高速电光调Q驱动电路设计

张超1陈焕红2刘雪峰1石志成1张艾1

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 北京轩宇信息技术有限公司，北京 100190）

电光调Q是获取高峰值功率激光脉冲的有效手段，传统单一脉冲变压器升压存在电光调Q电压调整范围受限、高压脉冲上升时间过长等问题。文章通过双级升压方式进行了高速电光调Q驱动电路设计，实现了电光调Q电压高幅值和高速率的需求。其中一级升压采用反激式变换器原理，输出幅值可调的一级高压，扩展了电压调整范围；二级升压采用马克思（Marx）发生器原理，通过电压倍增的方式输出二级高速高压脉冲信号。该设计电路与激光发射机驱动源的联试结果显示：通过调整反馈偏置直流工作点，使一级反激式变换器升压输出范围在150～550 V，二级Marx发生器升压输出范围1 500～4 000 V，高压脉冲上升时间小于30 ns；相比于传统单一变压器控制方法，调Q电压输出的范围更宽，增幅近1 000 V；高压脉冲上升时间更短，仅为23～28 ns。试验证明双级升压设计能够为电光调Q晶体提供调整范围更宽的高速率驱动高压，进而获得高峰值功率的激光脉冲。

激光测距 电光调Q 反激式变换器 马克思发生器 双级升压

0 引言

随着空间探测技术的发展，激光器在天基主动成像、空间激光通信、空间激光雷达、激光精密测绘等应用领域备受关注[1-3]。电光调Q因具有输出脉宽窄、效率高等优点，是获取高峰值功率激光输出的有效手段[4-5]。

目前，实现电光调Q高压高速脉冲输出通常采用脉冲变压器控制方法[6-8]。传统脉冲变压器法原理是通过供电电源对脉冲变压器源边电容进行储能，当接收到控制触发脉冲信号后，开关器件变为导通状态，对脉冲变压器源边电容储存的能量快速释放，进而在脉冲变压器副边感生出瞬态高压脉冲[9-11]。这种传统的单一脉冲变压器升压方式的控制电路较为简单，但是对脉冲变压器性能以及供电电源要求比较苛刻[12]。升压性能受限于变压器线圈，并且在脉冲变压器规格确定后，若想输出电压范围可调的高压脉冲，需要调整供电电压幅值，对供电电源要求较高，这意味着输出电压的可调范围在一定程度上受到限制[13-14]。此外普通铁氧体环形磁芯构成的变压器产生的高压脉冲上升时间为50～100 ns，脉冲前沿缓慢[15]。

为解决传统单一脉冲变压器升压存在电压调整范围受限、高压脉冲上升时间过长、升压方式对脉冲变压器性能以及供电电源要求过于依赖等不足，本文采用金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）作为电光调Q开关器件，利用MOSFET电压可调范围宽、开关速度快、工作频率高等特性[16]，设计了基于反激式变换器与Marx发生器的两级升压电路。在MOSFET关断和导通瞬间，对一级反激式变换器进行单端反激升压，通过升压偏置点设置，有效调整一级输出电压范围，降低对供电电源要求。二级Marx发生器进行储能电容级联放电，由于发生器内部高储能密度、低电感电容器的特性[17-19]，可以保证输出脉冲的上升时间。相比同类型产品，双级升压调Q驱动电路结构简单且控制方便，内部所用器件电气性能满足航天器元器件降额标准，并且综合考虑了硬件电路的电磁兼容与工艺防护等问题。输出的高速率驱动高压脉冲能够改变激光器腔体的Q因子，使腔内的光子数量获得雪崩式的增加，最终产生高峰值功率的激光脉冲。

1 设计架构

双级升压高速电光调Q驱动电路框图如图1所示，由一级反激式变换器升压电路、二级升压触发信号驱动电路、二级Marx发生器升压电路组成。一级反激式变换器升压电路根据激光发射机驱动源输出的控制信号进行信号调理，输出一级高压电；二级升压触发信号驱动电路接收一级高压电，并结合激光发射机驱动源提供的触发脉冲，输出晶体管开关信号；二级Marx发生器升压电路接收一级高压电，并结合晶体管开关信号，输出调整范围为1 500～4 000 V的二级高压脉冲信号，为激光器腔体内部的电光调Q晶体提供幅值可调的调Q驱动高压。

图1 双级升压高速电光调Q驱动电路架构

2 电路设计

2.1 一级反激式变换器升压电路

一级反激式变换器升压电路主要由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制芯片、DA集成芯片、运算放大器、MOSFET、反激式变压器构成，具体组成如图2所示。该电路通过PWM控制芯片U1进行双闭环控制，首先由采样电阻R0两端电压作为电流内闭环进行反馈，然后反激输出的一级高压电经升压偏置点调理后，作为电压外闭环进行反馈，从而提升电压和负载调整率。U1输出信号驱动MOSFET K0的导通和关断，当K0关断瞬间，由反激式变压器T0进行反激升压。为实现调Q电压1 500～ 4 000 V的输出范围，综合下一级升压电路能力，将激光发射机驱动源提供的+15 V电压反激升压至150～550 V。整流二极管D0（2CZ0112）耐压值为1 200 V，能够满足降额设计要求。

图2 一级反激式变换器升压电路组成

为实现一级反激式变换器升压电路输出的高压1程控可调，采用反馈偏置直流工作点的方式对其进行150～550 V的电压调整，达到调Q高压的输出范围要求。图2中时钟信号、使能信号和数据信号由激光发射机驱动源提供，对DA集成芯片U2进行控制。在输出一级高压1反馈通路中，增加运放U3A来调整输出电压。将U2输出电压和一级输出高压1进行综合逻辑处理，产生的电压信号FB输入给PWM控制芯片U1作为电压外闭环进行反馈，即以主动调整反馈强度的方式来调整PWM信号占空比，从而达到一级高压输出范围可调。

2.2 二级升压触发信号驱动电路

二级升压触发信号驱动电路主要由高速驱动芯片、MOSFET、脉冲变压器、稳压二极管和储能电容构成，如图3所示。在MOSFET K9关断时，利用耐高压电容C2和C3进行充电储能；在MOSFET K9导通时，C2和C3中的电荷迅速释放，在脉冲变压器T1和T2的源边产生感生电流，进而在副边激励生成正向电压，保证MOSFET K1～K8同步开启。副边正向电压通过稳压二极管D1～D8进行保护，防止K1～K8的栅源间压差过大损伤器件。

图3 二级升压触发信号驱动电路组成

为减小电路规模，实现电光调Q驱动电路的微型化，T1和T2采用1拖4小型化脉冲变压器，源边与各副边匝数比为1﹕1﹕1﹕1﹕1。选择合适的C2和C3规格，充电时满足储能需求，放电时保证副边激励电压能够使MOSFET可靠导通。调Q二级高压上升时间短，对开关器件的开启速度、耐压值都提出了很高的要求。选择的MOSFET其漏源极耐压值可达1 000 V，导通时间小于30 ns，抗电离总剂量（TID）能力≥300 krad(Si)，抗单粒子效应（SEE）的线性能量传输（LET）阈值≥90 MeV·cm2/mg，能够满足调Q二级高压电路要求。在MOSFET K9高速导通瞬间，K9门级对驱动电流的瞬时峰值电流需求很大，但是开启后的电流需求却很小，传统OC门形式的电路结构在接收高速触发脉冲后易产生信号畸变而失真，因此选择高速驱动芯片U4，其峰值驱动电流、灌电流都能达到3 A，具有更强的驱动能力，并且其抗电离总剂量（TID）能力≥100 krad(Si)，抗单粒子效应（SEE）的线性能量传输（LET）阈值≥75 MeV·cm2/mg，满足器件抗辐照指标要求。二级升压触发信号通过U4输出驱动信号，控制K9高速导通和关断，同时保证K1～K8的高速同步通断。

2.3 二级Marx发生器升压电路

二级升压采用8阶Marx发生器电路（如图4所示），考虑硬件电路的电磁兼容与工艺防护问题，该发生器电路分为两组进行设计。当MOSFET K1～K8关断时，一级高压1对储能电容C4～C11进行充电，C4～C11两端的电压值均为1；当K1～K8导通瞬间，利用MOSFET的高速和同步性能，使储能电容C4～C11进行级联放电，放电路径绕过电阻R12～R28。其中第一组Marx发生器电路输出的二级高压正电压H+相对QGND的电压为+750～+2 000 V，第二组Marx发生器电路输出的二级高压负电压H–相对QGND的电压为–2 000～–750 V。这种设计方式从电气安全间距防护等问题上更利于实现电路的微小型设计，并且可有效减弱高压信号电磁干扰的影响。H+和H–分别接到激光器腔体内部的电光调Q晶体两端，以实现高速的1 500～4 000 V二级高压输出。

图4 二级Marx发生器升压电路组成

3 试验验证

为验证电光调Q驱动电路的性能指标，搭建了系统控制链路试验测试平台。电光调Q驱动电路接收激光发射机驱动源提供的供电电压、控制信号以及触发脉冲信号，驱动电路的负载为激光二极管泵浦固体Nd：YAG激光器。用示波器监测一级反激式变换器升压电路和二级Marx发生器升压电路相关信号波形，包括一级反激式变换器升压电路中PWM控制芯片U1的PWM输出、一级升压电路输出高压1、激光发射机驱动源输出的触发脉冲以及二级Marx发生器升压电路输出的调Q电压，其中调Q电压的测量通过1 000︰1高压衰减探头进行测量。1 500 V调Q电压的测试波形以及局部放大波形如图5和图6所示。

图5 调Q电压1 500 V测试波形

图6 调Q电压1 500 V测试波形局部放大

从图5和图6中可以看出，控制芯片U1的PWM输出占空比较低，一级升压电路输出高压1接近190 V，在接收到激光发射机驱动源1ms的触发脉冲后，调Q驱动电路输出调Q电压1 500 V，上升时间23 ns。

通过激光发射机驱动源提供的控制信号，对一级升压偏置点调理电路直流工作点进行调整。调Q电压4 000 V时的测试波形以及局部放大波形如图7和图8所示。

图7 调Q电压4 000 V测试波形

图8 调Q电压4 000 V测试波形局部放大

由图7和图8可以看出，控制芯片U1的PWM输出占空比已经较高，一级升压电路输出高压1达到500 V，在接收到激光发射机驱动源1ms的触发脉冲后，调Q驱动电路输出调Q电压4 000 V，上升时间28 ns。

针对上述测试发现，在带载情况下，双级升压高速电光调Q驱动电路能够输出调整范围为1 500～ 4 000 V的高压脉冲信号，脉冲上升时间小于30 ns，优于激光测距系统要求的50 ns技术指标，并且比传统单一脉冲变压器升压方式快了约40 ns。

4 结束语

本文设计了一种基于反激式变换器与Marx发生器的双极升压电光调Q驱动电路，并与激光发射机驱动源进行了联试。试验结果表明，调Q电压可调输出范围达到1 500～4 000 V，高压脉冲上升时间为23～28 ns。相比于传统单一变压器控制方法，电压输出的范围增幅近1 000 V，脉冲上升时间减小近40 ns。该调Q驱动电路针对二极管泵浦固体Nd：YAG激光器测试，激光器输出的单脉冲能量和宽度稳定，性能优越，可控性强。设计的双级升压高速电光调Q驱动电路硬件电路结构简单，所选器件具备相应抗辐照指标，并满足航天器元器件降额等标准要求，适用于航天领域。电路的输出电压调整范围宽、上升时间短，满足激光测距系统对激光器的指标要求，具有一定工程实用价值。

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Design of a High Speed Electro-Optic Q-Switch Driver Circuit by Double Stage Boost

ZHANG Chao1CHEN Huanhong2LIU Xuefeng1SHI Zhicheng1ZHANG Ai1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Sunwise Information Technology Ltd., Beijing 100190, China）

Electro-optic Q-switch is an effective means to obtain laser pulseswith high peak power. The traditional single-pulse transformer has shortcomings such as limited voltage adjustment range and long rise time of high-voltage pulse. In this paper, the requirement of high amplitude and high speed for the electro-optic Q-switch voltage is realized by means of double-stage boost. The first stage boost uses the principle of flyback converter, and the voltage output can be adjustable, thus effectively extending the voltage adjustment range. The second stage boost uses the principle of Marx generator, and the second stage high-voltage pulse signal is outputby voltage multiplication. The experimental results show that by adjusting the operating point of the feedback bias DC, the boost output rangesfor the double stages are respectively 150～550 V and 1 500～4 000 V, and the rise time of high-voltage pulse is less than 30 ns. Compared with the traditional single transformer control method, the range of Q-switch voltage output is wider, with an increase of nearly 1 000 V. The rise time is shorter, with nearly 40 ns reduced. The double-stage boost design can provide a high speed drive voltage with a wider adjustment range for the electro-optic Q-switch crystal and then obtain laser pulses with high peak power.

laser ranging; electro-optic Q-switch; flyback converter; Marx generator; double stage boost

TN242；TN835

A

1009-8518(2023)05-0065-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.008

2022-11-14

张超, 陈焕红, 刘雪峰, 等. 双级升压高速电光调Q驱动电路设计[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(5): 65-71.

ZHANG Chao, CHEN Huanhong, LIU Xuefeng, et al. Design of a High Speed Electro-Optic Q-Switch Driver Circuit by Double Stage Boost[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 65-71. (in Chinese)

（编辑：夏淑密）