基于固體開關器件的新型高壓脈沖驅動源

單管MOSFET實驗電路的輸出波形如圖3所示。波形幅度約1 kV，前沿時間約為1．6 ns，脈寬約1．4μs。MOSFET單管仿真和實驗的結果表明：選擇合適的管子和過驅動電路實現(xiàn)高壓脈沖源納秒級快前沿時間是可以辦到的。單管研究的突破，為多管串并聯(lián)的組合得到更高幅度納秒脈沖源的研究帶來了希望。
3．2 多管串并聯(lián)的MOSFET仿真與電路實驗
盡管隨著MOSFET技術的發(fā)展，其單管耐壓已經(jīng)大大提高，最高可以達到千伏以上，但是對許多特殊需求來說其電壓幅度是遠不夠的。脈沖源要求的輸出脈沖幅度要高達到4 kV以上，因此需多個千伏高壓場效應管串連才能達到幅度要求。
多管串聯(lián)的需要解決的問題是：由于各管的漏電流不一致導致串聯(lián)時分壓不一致，有些管子可能超過其額定耐壓而損壞；多管串聯(lián)時為了做到一致驅動，需要對每個管子實行“過”驅動。要得到輸出脈沖的快前沿，必須對多管級連的每個管子的柵源極間實行電壓脈沖過驅動。因此，多管串聯(lián)的柵極驅動不能采用直接驅動，而只能采取脈沖變壓器耦合驅動柵極的方式。高速多管串并聯(lián)的最關鍵技術是具有體積小耐高壓和納秒級瞬間大電流傳遞的驅動脈沖變壓器的研制。由于觸發(fā)脈沖要求有很快的前沿，因此要求脈沖變壓器的高頻響應的性能要好。此外，選用MOSFET作為高速高壓脈沖源的開關要兼顧到功率特性和開關特性，因為它們是互相制約的，由于管子的輸入電容很大，需要較大能量才能驅動，故對抗電磁干擾是有利的，但因此需要大功率快脈沖的驅動，從而加大了研制難度，較易驅動也是選管的重要考慮因素。選擇高壓雪崩三極管來產(chǎn)生瞬間大電流來提高MOSFET的開關速度，每個驅動電路均由相同的5路組成，每路后接脈沖變壓器分別驅動一個MOSFET。其仿真輸出波形前沿約為1．4 ns，脈寬約為600 ns，幅度約為4 kV。
采用多管串聯(lián)方法可以提高脈沖源的其輸出脈沖幅度和功率，從而得到較大的脈沖寬度。值得注意的是：在多級串聯(lián)設計時應避免柵極間電壓不能超過額定值，漏極電流不應超過額定峰值電流，否則會使管子損壞。多管串聯(lián)時由于每個管子的漏電流不同，因此當加載高壓時會造成管子分壓不致，有些管子漏源之間電壓可能超過管子額定耐壓值，從而導致該管損壞，引起連鎖反應導致整路管子的損壞，因此設計時除盡量選擇漏電流一致的管子外，在每管漏、源之間并聯(lián)大電阻，這樣使各管分壓保持一致，防止各管因分壓不均勻而損壞。
實驗電路采用5 kV高壓場效應管串聯(lián)分別組成前沿充電組合開關，分別成形輸出脈沖的前沿，同時為達到較快的前沿速度，場效應管柵極驅動源采用高壓雪崩管加脈沖變壓器的“過”驅動方法，脈沖源輸出負載為100 Ω的高壓電阻。根據(jù)電路原理圖設計電路，搭建實驗平臺，對各部分電路進行實驗和測試。

實際脈沖源的輸出波形如圖4所示。輸出波形幅度約4．3 kV，前沿時間小于8 ns，脈沖寬度約105 ns，晃動小于3 ns。達到了設計的要求。

4 結語
實驗結果表明：研制出基于固體開關器件快脈沖源符合高壓脈沖輸出500～4 000 V可調(diào)，前沿小于10 ns，脈寬大于100 ns，晃動小于3 ns的技術指標的高壓脈沖驅動源，滿足了設計和使用的要求。