基于固体开关器件的新型高压脉冲驱动源

摘要：从MOSFET的开关基理，以仿真与电路实验相结合的方法，研究出了MOSFET栅极的“过”驱动技术，以此采提高MOSFET的开关速度。并结合多个MOSFET的串并联的级联技术，采用多管串联方法来提高脉冲源的输出脉冲幅度，采用多管并联方法来提高脉冲源的其输出脉冲功率，从而得到较大的脉冲宽度。在此研制出了输出脉冲幅度大于4 kV、前沿小于10 ns、脉冲宽度大于100 ns的高压快脉冲源。
关键词：过驱动；MOSFET；高压固体器件；高压宽脉冲

高压快脉冲源的技术基础核心是高压快开关。以前固体器件开关尽管具有速度快、晃动小等优点，但由于技术与工艺水平的限制，不具备有电真空器件的大功率、耐高压、大电流驱动能力等特点，因而只能用于低压快脉冲源领域，随着半导体技术的发展，逐步出现了高压固体器件，采用多管级联方式，提高输出功率，逐步改变了现状，并且在中小功率的脉冲源领域中，逐步地取代了真空电子器件及氢闸流管。这里重点研究基于固体开关的脉冲驱动技术，对雪崩管、高压功率场效应管的机理进行了深入调研，对其开关原理和开关特性进行了综合分析研究，着重对提高大功率高压场效应管开关速度的栅极驱动及特殊的“过”驱动方法开展研究，确定采用MOSFET为主开关元件的技术方案，运用ORC．ADPspice软件对电路仿真，分析并验证高压MOSFET单管、多管级联及驱动理论，以提高脉冲的前沿的方法措施，达到了电路的优化设计。

1 MOSFET的选用和开关速度的提高
在选用纳秒级的固体开关上，对固体雪崩三极管和MOSFET的性能进行了对比：
固体雪崩管被触发工作在雪崩或二次击穿瞬间时，能输出很大的脉冲峰值电流，且触发晃动和上升时间都很小；但是由于雪崩持续时间很短，大约只有几个ns，所以输出脉冲平均功率较低，脉冲宽度较窄，电流难以控制。因此广泛用于制作重复频率低而脉冲功率高的窄脉冲源。
MOSFET具有大的脉冲开关电流(数十安培)、较高的漏源电压(达千伏)、和小的导通内阻(欧姆量级)，用它制作的脉冲源抗脉冲电磁干扰能力较强。由于其输入／输出电容较大，因此它的开关速度较慢。但场效应管脉冲源电压幅度和宽度容易调节，只要在“过”驱动电路上开展研究，以提高MOSFET的开关速度，这样就可以产生纳秒级上升时间的大幅度的宽脉冲，那么基于MOSFET纳秒高压宽脉冲源的研究就是十分可行的。

2 MOSFET的开关机理分析
采用“过”驱动能提高功率MOSFET的开关速度，就是使对MOSFET栅极驱动脉冲波形的前沿很快且上冲大大超过额定的栅源驱动电压，栅极驱动源的驱动能力在很大程度上决定了MOSFET的开关速度。加快MOSFET的开关速度关键之一就是减小栅极电阻和栅极电容，提高跨导gm，提高栅极驱动电压。
为了提高MOSFET管的开关速度，从电路设计角度考虑要求栅级驱动电路：能够提供较大的驱动电流、驱动电压以及具有较快前沿的栅极驱动脉冲，同时要求驱动电路的输出电阻应尽量小。因此栅极驱动开关器件必须能输出瞬间大电流，因而采用雪崩管来驱动MOSFET，可以得到很快的导通速度。

3 MOSFET过驱动电路设计
MOSFET栅极驱动开关器件必须能输出瞬间大电流。而雪崩晶体管是工作在雪崩或二次击穿状态，瞬间输出的脉冲峰值电流很大、幅度很高、晃动很小、开关速度又很快，用雪崩管驱动MOSFET可以得到很快的导通速度。实验中采取射极跟随和雪崩电路来触发MOSFET，因而可以得到了较快的前沿和较小的输出电阻。为了消除因分布电容耦合效应所造成的功率电路对驱动电路的影响，必须使用带隔离的驱动电路。为此在电路设计中采用雪崩管加脉冲变压器组合的“过”驱动的方法，提供驱动MOSFET栅极所需的大电流“过”驱动脉冲，以实现提高MOSFET开关速度的目的。过驱动电路是由射极跟随器、雪崩管电路和脉变压器耦合电路组成(见图1)。

射极跟随器起阻抗变换的作用，雪崩管脉冲峰值电流达60 A。电路设计时，高压电源电压为300 V，输出级为集电极输出形式，输出负载为高频脉冲变压器(次级接高压场效应管的栅极)，由此管产生输出脉冲极性为负，脉冲幅度300 V左右，脉冲前沿数纳秒的大电流脉冲输出，该输出脉冲通过反相脉冲变压器变成正的大电流“过”驱动脉冲(见图2)去驱动场效应管，使高压场效应管的开关速度得以提高。
栅极过驱动脉冲波形的前沿应该很快，且上冲大大超过额定的栅源驱动电压值(脉冲前沿约为3 ns、幅度约为170 V)，但因上冲的脉冲宽度很窄(约为7 ns)如图2所示。因此可以达到快速驱动MOSFET的栅极，又不会损坏MOSFET。