為了推動微波功率合成技術的發展，需要開展多路同步輸出的脈沖功率源開關關鍵技術研究，以實現電子束精確同步(同步抖動≤10 ns)，源輸出波形一致性好，滿足負載工作要求。在氣體開關的各種觸發方式中，激光觸發開關是減少開關延遲時間和時間抖動的一種比較理想的開關。氣體介質的激光開關，時延可達到1 ns～2 ns，其時間抖動可達到亞納秒量級[1]。因此，單路脈沖功率源主開關采用吹氣式激光觸發氣體火花開關，要求其開關抖動≤5 ns，重復頻率為50 Hz。
    在兩路脈沖功率源的同步輸出實驗中，觸發控制系統是保證源正確有效合成的關鍵。控制系統一方面產生兩臺源正常運行的工作時序，同時通過同步考慮的設計，控制激光觸發開關產生觸發信號，達到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有單極型、電壓驅動、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好及所需驅動功率小而且驅動電路簡單的特點，所以采用MOSFET來設計激光觸發器的外觸發控制系統。
1 系統結構及工作原理
    圖1為激光觸發脈沖功率源同步控制系統結構框圖，單臺源均采用德國InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，將觸發信號分成多路，分別控制單元開關導通。激光觸發系統工作原理為：兩路脈沖功率源的儲能單元充電到設定值，控制系統根據目標位置設定兩臺源的觸發時間間隔，分別發指令到兩臺源的激光觸發系統，觸發系統產生激光注入主開關，控制兩組主開關各自擊穿，初級能源系統儲存的電能通過開關向負載饋送。

    激光器對外觸發系統的設計參數要求如下：
    (1)產生閃燈觸發信號。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬
≥100 μs，工作頻率50 Hz，負載50 Ω；
    (2)產生普克爾盒觸發信號。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬≥100 ?滋s，脈沖上升沿≤5 ns，負載50 Ω，工作頻率50/N(N=1，2，…，50)。該信號與閃燈信號之間延時可調；
    (3)外觸發電路、激光器和脈沖功率源之間采取隔離和屏蔽等抗干擾保護措施，確保觸發系統在功率源高壓大電流強輻射的惡劣環境中正常工作。
2 理論設計與分析
    激光器外觸發系統由控制信號產生和控制信號觸發2部分組成，二者之間通過普通多模光纖(工作波長為820 nm)進行連接。其中，控制系統工作參數設置(如工作頻率和工作次數等)、控制信號產生、輸出信號隔離及轉換(電/光)等功能在控制信號產生單元內實現，它位于操作者所在的工作區；放置于脈沖功率源激光器側的是控制信號觸發單元，完成通過光纖傳輸而來的輸入信號轉換(光/電)、放大、快上升沿信號形成以及隔離觸發輸出等功能。
2.1 控制信號產生單元設計
    控制信號產生單元分為2部分：
    (1)脈沖觸發信號發生器。用于產生控制功率MOSFET器件、功率晶體管工作的脈沖觸發信號，具有輸出脈沖的個數、脈寬及頻率可調的能力，輸出為TTL電平。采用工業PC，內置NI定時/計數卡PCI-6602，利用LabVIEW開發系統編制計算機人機界面，設置工作參數，編程產生激光器外觸發工作所需的控制信號。其中PCI-6602提供8路32 bit源頻率80 MHz的定時/計數通道，輸出脈沖信號上升沿實驗測試在10 ns左右；
    (2)光纖隔離電路。用于隔離TTL電平的觸發信號和功率MOSFET的輸出電壓，具有響應快、不失真的特點。光纖發送器件選用HFBR-1414，其帶寬可達5 MHz，滿足脈寬為數百?滋s的觸發脈沖信號傳輸要求。
2.2 控制信號觸發單元設計
    控制信號產生單元分為4部分：
    (1)光/電轉換電路。采用HFBR-2412光纖接收器件，將通過多模光纖傳輸至控制信號觸發單元的光信號轉換為TTL電信號。
    (2)功率MOSFET驅動/功率晶體管驅動電路，前者用于將低電平的TTL信號提升到可以用來驅動功率MOSFET器件的電平，以產生脈沖上升沿≤5 ns的激光器普克爾盒觸發信號。后者用來產生閃燈觸發信號。
    (3)功率MOSFET器件。MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管)是一種電壓控制型的器件，由于MOSFET是正溫度系數，所以可避免溫度持續上升而使器件損壞。同時由于它的導通電阻在理論上沒有上限值，因此導通時的能量損失可以非常小。其優點是：具有非常快的導通和關斷能力(ns量級)；非常低的觸發能量；能工作在高重復頻率下(MHz量級)；使用壽命長(平均109次)；高效率、脈寬可以調節(輸出由輸入觸發信號決定)。經選擇采用IR公司的功率MOSFET器件——IRLML2803，它的漏源極擊穿電壓VDSS為30 V，直流電流ID為1.2 A，脈沖下最大輸出電流為7.3 A，導通延時時間Td(on)為3.9 ns，關斷時間Toff為9 ns。
    (4)電源部分。采用鋰電池組提供給光纖隔離電路和功率MOSFET驅動電路所使用的低壓電源。它配裝有專用保護板，具有過充、過放、過壓、欠壓、過流短路及反接保護功能，進一步保證電池組控制部分的安全工作。這樣有效地消除了觸發單元與前級控制信號產生單元及后級功率源高壓工作回路因電源共地而可能產生的高壓擊穿等危險因素。
    如圖2所示，變換后的TTL電平經整形、功率MOSFET/功率晶體管驅動、脈沖變壓器隔離輸出至激光器。為了保證觸發單元的正常工作，在其輸出至激光器之前需加入高耐壓(5 kV)脈沖變壓器進行電氣隔離。

2.3 功率MOSFET器件及其驅動電路選擇
    圖3為功率MOSFET器件的工作原理電路示意圖。圖3(a)中，RG和CGS是影響MOSFET導通延時的主要參數；漏柵極電容CGD是造成開關動作過程中柵極電壓受干擾的主要參數；漏源極電容CDS是影響關斷時間的主要參數。MOSFET器件轉換過程有2個：導通轉換和關斷轉換。導通轉換過程的漏源電壓VDS、漏極電流iD、柵源電壓VGS和與柵極電流iG隨時間t的變化關系如圖3(b)所示。導通轉換過程分成4個階段，各個階段分別是：

    (1)t₀～t₁階段：柵極驅動電流iG對CDS和CGS充電，使CGS上的電壓從0上升到MOSFET導通閾值V_GS(th)。
    (2)t₁～t₂階段：柵源電壓V_GS繼續以指數規律上升，超過MOSFET導通闡值VGS(th)達到Va，在V_GS超過V_GS(th)后，漏極電流開始增長，并達到最終的輸出電流Io。在這一過程中，由于電壓與電流重疊，MOSFET功耗最大。
    (3)t₂～t₃階段：從t₂時刻開始，MOSFET漏源電壓V_DS開始下降，引起從漏極到柵極的密勒電容效應，使得V_GS不能上升而出現平臺，在t₃時刻漏源電壓下降到最小值。
    (4)t₃～t₄階段：在這一區間柵源電壓V_GS從平臺上升到最后的驅動電壓。上升的柵壓使漏源電阻R_DS(on)減小，t₄以后MOSFET進入導通狀態。
    MOSFET器件的截止轉換過程與上面的過程相反。由上面的分析可知對柵極驅動電路的要求主要有：
    (1)驅動信號的脈沖前、后沿都要陡峭。
    (2)對功率MOSFET柵極的充放電回路時間常數要小，以提高功率MOSFET器件的開關速度。
    (3)驅動電流為柵極電容的充放電電流，驅動電流要大，才能使開關波形的上升沿和下降沿更快。
    選用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲線圖可得：在V_DS=15 V、V_GS=12 V時，總柵極電荷Q_G≈3.7 nC，則柵極電容C=Q_G/V_GS=3.7 n_C/12 V≈0.3 nF=300 pF。
    MOSFET導通和截止的速度與MOSFET柵極電容的充電和放電速度有關。MOSFET柵極電容、導通和截止時間與MOSFET驅動器的驅動電流的關系可以表示為：
    d_T=(dV×C)/I
式中，d_T是導通/截止時間，d_V是柵極電壓，C是柵極電容(從柵極電荷值)，I是峰值驅動電流(對于給定電壓值)。
    IRLML2803導通/截止時間是4 ns，則I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驅動電流為0.9 A，同時還需要考慮在MOSFET驅動器和功率MOSFET柵極之間使用的外部電阻，這會減小驅動柵極電容的峰值充電電流，所以選擇峰值輸出電流大于0.9 A的驅動器。系統中采用的是4.5 A高峰值輸出電流的同相驅動器TC4424A，經實驗驗證滿足快上升沿信號輸出要求。
3 測試結果與分析
3.1 觸發信號光纖傳輸轉換測試
    激光器外觸發系統采用光纖傳輸和收發技術，由于其本身是由絕緣材料制成，所以具有很好的高電壓隔離能力，同時還具有很強的抗干擾能力，多路光纖信號傳輸的同步性也非常好，滿足對信號高壓隔離和同步性的要求。
    圖4為激光器外觸發單元產生的信號波形圖。圖4(a)、圖4(b)中通道2均顯示的是工作頻率50Hz的激光器閃燈觸發信號（前者是輸出個數為50的脈沖序列，后者是單個輸出脈沖），它在控制信號產生單元內由PC機編程產生，經脈沖變壓器隔離、電/光轉換、光纖傳輸處理輸入至觸發單元，再經過光/電轉換、功率晶體管驅動放大，由高耐壓脈沖變壓器隔離輸出至激光器，其上升時間Tr在200 ns以內，主要是由脈沖變壓器的輸出上升時間確定。

    圖4(a)、圖4(b)中通道1均為激光器普克爾盒觸發信號(顯示方式同通道2)，工作頻率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信號產生單元內信號生成方式同閃燈觸發信號，不同的是在觸發單元內經過功率MOSFET及高速MOSFET驅動器成形等處理，最終生成實測上升沿小于5 ns的脈沖信號。
    實驗中測得激光器閃燈觸發信號、普克爾盒觸發信號脈寬均為160 μs，后者較前者滯后約250 μs，兩者均可調，并且普克爾盒觸發信號的輸出頻率也可調，滿足激光器的使用要求。
3.2 激光器外觸發工作對功率源的影響
    低抖動高功率重復頻率主開關系統是功率源同步控制系統的研制核心和難點。為了實現脈沖功率源同步系統的低抖動工作，首先對系統工作過程中的抖動來源進行分析。同步系統的工作流程如下：激光器外觸發系統產生一個快上升沿的信號送到激光器，激光器產生脈沖激光注入激光開關，激光開關閉合，形成線通過感應疊加模塊對二極管放電，產生電子束。在這個過程中，可能產生以下的抖動：
    (1)激光器外觸發系統電路抖動J1。抖動來源于傳輸線路及轉換線路中的芯片延時不同和芯片本身的抖動，該抖動經實測小于2 ns；
    (2)激光器抖動J2。抖動來源于激光器的工作過程，在快前沿信號(t_r≤5 ns)觸發下激光器抖動小于3 ns。
    (3)激光開關抖動J3。抖動來源于激光觸發產生等離子體放電的物理過程，設計指標為小于5 ns。
    圖5為脈沖功率源中4路感應疊加模塊合成負載波形，重復頻率25 Hz，負載為平面二極管，圖中為25個波形的重疊（通道1為二極管電流信號波形，通道2為二極管電壓信號波形）。由此證明：采用激光器外觸發系統，負載輸出波形的一致性較好，重復頻率25 Hz工作時開關抖動低，滿足設計要求。

3.3 抗干擾考慮
    激光器外觸發單元是同步運行中的控制環節，是裝置能否正常工作的關鍵。對觸發電路的要求是脈沖前沿陡且有足夠的幅值與脈寬，穩定性與抗干擾性能好等。而高壓發生裝置容易產生各種瞬時尖峰信號，即所謂“毛刺”，當其幅值和能量達到一定程度時，極易導致系統不能正常運行。在前期的同步運行試驗調試過程中，由于受實驗場地條件的限制，激光器電源與脈沖功率源的初級充電電源共地，在功率源運行時，導致激光器外觸發系統輸出至激光器普克爾盒的觸發信號相對于設定時刻提前產生一個尖峰干擾脈沖，從而無法保證同步運行試驗的正常進行。對此采取增加電源濾波器、高頻電容等方式，以消除電源引入的干擾影響，結果有所改善。下一步工作則是將激光器與其外觸發系統共用同一電源，與脈沖功率源的電源徹底分開，保證同步系統的安全工作。
    實驗結果表明：采用功率MOSFET及其高速驅動器等措施有效，利用光纖收發器件轉換傳輸、高耐壓脈沖變壓器隔離可行。影響脈沖功率源開關同步輸出轉換效率的是激光器外觸發回路的性能。功率MOSFET開關通斷狀態可以通過觸發脈沖控制，選用高峰值輸出電路的MOSFET驅動器，可以將輸出脈沖信號上升沿控制在5 ns以下。采用激光器外觸發系統，單臺脈沖功率源重頻開關實現參數：工作電壓150 kV，電流30 kA、抖動
≤5 ns、重復頻率25 Hz。為進一步開展兩臺或多臺脈沖功率源穩定、可靠地精確同步輸出奠定一定的技術基礎。
    另外，觸發控制電路印制電路板中，控制電路極易受到功率回路的干擾，應使MOSFET驅動器和MOSFET的走線長度盡可能短，以此限制電感引起的振蕩效應。驅動器輸出和MOSFET柵極間的電感，也會影響MOSFET驅動器在瞬態條件下將MOSFET柵極維持在低電平的能力。激光觸發實驗中存在的問題，如減小波形前沿、增強抗干擾能力等還需要繼續深入研究。
參考文獻
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