基于固體開關器件的新型高壓脈沖驅動源

摘要：從MOSFET的開關基理，以仿真與電路實驗相結合的方法，研究出了MOSFET柵極的“過”驅動技術，以此采提高MOSFET的開關速度。并結合多個MOSFET的串并聯(lián)的級聯(lián)技術，采用多管串聯(lián)方法來提高脈沖源的輸出脈沖幅度，采用多管并聯(lián)方法來提高脈沖源的其輸出脈沖功率，從而得到較大的脈沖寬度。在此研制出了輸出脈沖幅度大于4 kV、前沿小于10 ns、脈沖寬度大于100 ns的高壓快脈沖源。
關鍵詞：過驅動；MOSFET；高壓固體器件；高壓寬脈沖

高壓快脈沖源的技術基礎核心是高壓快開關。以前固體器件開關盡管具有速度快、晃動小等優(yōu)點，但由于技術與工藝水平的限制，不具備有電真空器件的大功率、耐高壓、大電流驅動能力等特點，因而只能用于低壓快脈沖源領域，隨著半導體技術的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了高壓固體器件，采用多管級聯(lián)方式，提高輸出功率，逐步改變了現(xiàn)狀，并且在中小功率的脈沖源領域中，逐步地取代了真空電子器件及氫閘流管。這里重點研究基于固體開關的脈沖驅動技術，對雪崩管、高壓功率場效應管的機理進行了深入調研，對其開關原理和開關特性進行了綜合分析研究，著重對提高大功率高壓場效應管開關速度的柵極驅動及特殊的“過”驅動方法開展研究，確定采用MOSFET為主開關元件的技術方案，運用ORC．ADPspice軟件對電路仿真，分析并驗證高壓MOSFET單管、多管級聯(lián)及驅動理論，以提高脈沖的前沿的方法措施，達到了電路的優(yōu)化設計。

1 MOSFET的選用和開關速度的提高
在選用納秒級的固體開關上，對固體雪崩三極管和MOSFET的性能進行了對比：
固體雪崩管被觸發(fā)工作在雪崩或二次擊穿瞬間時，能輸出很大的脈沖峰值電流，且觸發(fā)晃動和上升時間都很??；但是由于雪崩持續(xù)時間很短，大約只有幾個ns，所以輸出脈沖平均功率較低，脈沖寬度較窄，電流難以控制。因此廣泛用于制作重復頻率低而脈沖功率高的窄脈沖源。
MOSFET具有大的脈沖開關電流(數(shù)十安培)、較高的漏源電壓(達千伏)、和小的導通內阻(歐姆量級)，用它制作的脈沖源抗脈沖電磁干擾能力較強。由于其輸入／輸出電容較大，因此它的開關速度較慢。但場效應管脈沖源電壓幅度和寬度容易調節(jié)，只要在“過”驅動電路上開展研究，以提高MOSFET的開關速度，這樣就可以產生納秒級上升時間的大幅度的寬脈沖，那么基于MOSFET納秒高壓寬脈沖源的研究就是十分可行的。

2 MOSFET的開關機理分析
采用“過”驅動能提高功率MOSFET的開關速度，就是使對MOSFET柵極驅動脈沖波形的前沿很快且上沖大大超過額定的柵源驅動電壓，柵極驅動源的驅動能力在很大程度上決定了MOSFET的開關速度。加快MOSFET的開關速度關鍵之一就是減小柵極電阻和柵極電容，提高跨導gm，提高柵極驅動電壓。
為了提高MOSFET管的開關速度，從電路設計角度考慮要求柵級驅動電路：能夠提供較大的驅動電流、驅動電壓以及具有較快前沿的柵極驅動脈沖，同時要求驅動電路的輸出電阻應盡量小。因此柵極驅動開關器件必須能輸出瞬間大電流，因而采用雪崩管來驅動MOSFET，可以得到很快的導通速度。

3 MOSFET過驅動電路設計
MOSFET柵極驅動開關器件必須能輸出瞬間大電流。而雪崩晶體管是工作在雪崩或二次擊穿狀態(tài)，瞬間輸出的脈沖峰值電流很大、幅度很高、晃動很小、開關速度又很快，用雪崩管驅動MOSFET可以得到很快的導通速度。實驗中采取射極跟隨和雪崩電路來觸發(fā)MOSFET，因而可以得到了較快的前沿和較小的輸出電阻。為了消除因分布電容耦合效應所造成的功率電路對驅動電路的影響，必須使用帶隔離的驅動電路。為此在電路設計中采用雪崩管加脈沖變壓器組合的“過”驅動的方法，提供驅動MOSFET柵極所需的大電流“過”驅動脈沖，以實現(xiàn)提高MOSFET開關速度的目的。過驅動電路是由射極跟隨器、雪崩管電路和脈變壓器耦合電路組成(見圖1)。

射極跟隨器起阻抗變換的作用，雪崩管脈沖峰值電流達60 A。電路設計時，高壓電源電壓為300 V，輸出級為集電極輸出形式，輸出負載為高頻脈沖變壓器(次級接高壓場效應管的柵極)，由此管產生輸出脈沖極性為負，脈沖幅度300 V左右，脈沖前沿數(shù)納秒的大電流脈沖輸出，該輸出脈沖通過反相脈沖變壓器變成正的大電流“過”驅動脈沖(見圖2)去驅動場效應管，使高壓場效應管的開關速度得以提高。
柵極過驅動脈沖波形的前沿應該很快，且上沖大大超過額定的柵源驅動電壓值(脈沖前沿約為3 ns、幅度約為170 V)，但因上沖的脈沖寬度很窄(約為7 ns)如圖2所示。因此可以達到快速驅動MOSFET的柵極，又不會損壞MOSFET。