基于固体开关器件的新型高压脉冲驱动源

单管MOSFET实验电路的输出波形如图3所示。波形幅度约1 kV，前沿时间约为1．6 ns，脉宽约1．4μs。MOSFET单管仿真和实验的结果表明：选择合适的管子和过驱动电路实现高压脉冲源纳秒级快前沿时间是可以办到的。单管研究的突破，为多管串并联的组合得到更高幅度纳秒脉冲源的研究带来了希望。
3．2 多管串并联的MOSFET仿真与电路实验
尽管随着MOSFET技术的发展，其单管耐压已经大大提高，最高可以达到千伏以上，但是对许多特殊需求来说其电压幅度是远不够的。脉冲源要求的输出脉冲幅度要高达到4 kV以上，因此需多个千伏高压场效应管串连才能达到幅度要求。
多管串联的需要解决的问题是：由于各管的漏电流不一致导致串联时分压不一致，有些管子可能超过其额定耐压而损坏；多管串联时为了做到一致驱动，需要对每个管子实行“过”驱动。要得到输出脉冲的快前沿，必须对多管级连的每个管子的栅源极间实行电压脉冲过驱动。因此，多管串联的栅极驱动不能采用直接驱动，而只能采取脉冲变压器耦合驱动栅极的方式。高速多管串并联的最关键技术是具有体积小耐高压和纳秒级瞬间大电流传递的驱动脉冲变压器的研制。由于触发脉冲要求有很快的前沿，因此要求脉冲变压器的高频响应的性能要好。此外，选用MOSFET作为高速高压脉冲源的开关要兼顾到功率特性和开关特性，因为它们是互相制约的，由于管子的输入电容很大，需要较大能量才能驱动，故对抗电磁干扰是有利的，但因此需要大功率快脉冲的驱动，从而加大了研制难度，较易驱动也是选管的重要考虑因素。选择高压雪崩三极管来产生瞬间大电流来提高MOSFET的开关速度，每个驱动电路均由相同的5路组成，每路后接脉冲变压器分别驱动一个MOSFET。其仿真输出波形前沿约为1．4 ns，脉宽约为600 ns，幅度约为4 kV。
采用多管串联方法可以提高脉冲源的其输出脉冲幅度和功率，从而得到较大的脉冲宽度。值得注意的是：在多级串联设计时应避免栅极间电压不能超过额定值，漏极电流不应超过额定峰值电流，否则会使管子损坏。多管串联时由于每个管子的漏电流不同，因此当加载高压时会造成管子分压不致，有些管子漏源之间电压可能超过管子额定耐压值，从而导致该管损坏，引起连锁反应导致整路管子的损坏，因此设计时除尽量选择漏电流一致的管子外，在每管漏、源之间并联大电阻，这样使各管分压保持一致，防止各管因分压不均匀而损坏。
实验电路采用5 kV高压场效应管串联分别组成前沿充电组合开关，分别成形输出脉冲的前沿，同时为达到较快的前沿速度，场效应管栅极驱动源采用高压雪崩管加脉冲变压器的“过”驱动方法，脉冲源输出负载为100 Ω的高压电阻。根据电路原理图设计电路，搭建实验平台，对各部分电路进行实验和测试。

实际脉冲源的输出波形如图4所示。输出波形幅度约4．3 kV，前沿时间小于8 ns，脉冲宽度约105 ns，晃动小于3 ns。达到了设计的要求。

4 结语
实验结果表明：研制出基于固体开关器件快脉冲源符合高压脉冲输出500～4 000 V可调，前沿小于10 ns，脉宽大于100 ns，晃动小于3 ns的技术指标的高压脉冲驱动源，满足了设计和使用的要求。