高壓快脈沖源的技術(shù)基礎核心是高壓快開(kāi)關(guān)。以前固體器件開(kāi)關(guān)盡管具有速度快、晃動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)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(dòng)能力等特點(diǎn)，因而只能用于低壓快脈沖源領(lǐng)域，隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，逐步出現了高壓固體器件，采用多管級聯(lián)方式，提高輸出功率，逐步改變了現狀，并且在中小功率的脈沖源領(lǐng)域中，逐步地取代了真空電子器件及氫閘流管。這里重點(diǎn)研究基于固體開(kāi)關(guān)的脈沖驅動(dòng)技術(shù)，對雪崩管、高壓功率場(chǎng)效應管的機理進(jìn)行了深入調研，對其開(kāi)關(guān)原理和開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行了綜合分析研究，著(zhù)重對提高大功率高壓場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)速度的柵極驅動(dòng)及特殊的“過(guò)”驅動(dòng)方法開(kāi)展研究，確定采用MOSFET為主開(kāi)關(guān)元件的技術(shù)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(dòng)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(kāi)關(guān)速度的提高

在選用納秒級的固體開(kāi)關(guān)上，對固體雪崩三極管和MOSFET的性能進(jìn)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(shí)，能輸出很大的脈沖峰值電流，且觸發(fā)晃動(dòng)和上升時(shí)間都很小;但是由于雪崩持續時(shí)間很短，大約只有幾個(gè)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(kāi)關(guān)電流（數十安培）、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(kāi)關(guān)速度較慢。但場(chǎng)效應管脈沖源電壓幅度和寬度容易調節，只要在“過(guò)”驅動(dòng)電路上開(kāi)展研究，以提高M(jìn)OSFET的開(kāi)關(guān)速度，這樣就可以產(chǎn)生納秒級上升時(shí)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(kāi)關(guān)機理分析

采用“過(guò)”驅動(dòng)能提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，就是使對MOSFET柵極驅動(dòng)脈沖波形的前沿很快且上沖大大超過(guò)額定的柵源驅動(dòng)電壓，柵極驅動(dòng)源的驅動(dòng)能力在很大程度上決定了MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。加快MOSFET的開(kāi)關(guān)速度關(guān)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(dòng)電壓。

為了提高M(jìn)OSFET管的開(kāi)關(guān)速度，從電路設計角度考慮要求柵級驅動(dòng)電路：能夠提供較大的驅動(dòng)電流、驅動(dòng)電壓以及具有較快前沿的柵極驅動(dòng)脈沖，同時(shí)要求驅動(dòng)電路的輸出電阻應盡量小。因此柵極驅動(dòng)開(kāi)關(guān)器件必須能輸出瞬間大電流，因而采用雪崩管來(lái)驅動(dòng)MOSFET，可以得到很快的導通速度。

3 MOSFET過(guò)驅動(dòng)電路設計

MOSFET柵極驅動(dòng)開(kāi)關(guān)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(dòng)很小、開(kāi)關(guān)速度又很快，用雪崩管驅動(dòng)MOSFET可以得到很快的導通速度。實(shí)驗中采取射極跟隨和雪崩電路來(lái)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(dòng)電路的影響，必須使用帶隔離的驅動(dòng)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(guò)”驅動(dòng)的方法，提供驅動(dòng)MOSFET柵極所需的大電流“過(guò)”驅動(dòng)脈沖，以實(shí)現提高M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)速度的目的。過(guò)驅動(dòng)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。

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(shí)，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(chǎng)效應管的柵極），由此管產(chǎn)生輸出脈沖極性為負，脈沖幅度300 V左右，脈沖前沿數納秒的大電流脈沖輸出，該輸出脈沖通過(guò)反相脈沖變壓器變成正的大電流“過(guò)”驅動(dòng)脈沖去驅動(dòng)場(chǎng)效應管，使高壓場(chǎng)效應管的開(kāi)關(guān)速度得以提高。

柵極過(guò)驅動(dòng)脈沖波形的前沿應該很快，且上沖大大超過(guò)額定的柵源驅動(dòng)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）。因此可以達到快速驅動(dòng)MOSFET的柵極，又不會(huì )損壞MOSFET。

3.1 單路MOSFET仿真實(shí)驗

為得到較快的脈沖驅動(dòng)源輸出波形的前沿需要MOSFET的開(kāi)關(guān)速度盡量快。根據對MOSFET的開(kāi)關(guān)特性分析可知，從電路上考慮，加快MOSF ET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作有以下途徑：

（1）提供較大的柵極驅動(dòng)電流和電壓，使功率MOSFET柵極電容迅速充放電，從而減小功率MOSFET關(guān)斷時(shí)間;

（2）提供較快的驅動(dòng)脈沖，從而提高功率MOSFET的關(guān)斷速度。

單管MOSFET實(shí)驗電路的輸出波形。波形幅度約1 kV，前沿時(shí)間約為1.6 ns，脈寬約1.4μs。MOSFET單管仿真和實(shí)驗的結果表明：選擇合適的管子和過(guò)驅動(dòng)電路實(shí)現高壓脈沖源納秒級快前沿時(shí)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(lái)了希望。

3.2 多管串并聯(lián)的MOSFET仿真與電路實(shí)驗

盡管隨著(zhù)MOSFET技術(shù)的發(fā)展，其單管耐壓已經(jīng)大大提高，zui高可以達到千伏以上，但是對許多特殊需求來(lái)說(shuō)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(gè)千伏高壓場(chǎng)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(wèn)題是：由于各管的漏電流不一致導致串聯(lián)時(shí)分壓不一致，有些管子可能超過(guò)其額定耐壓而損壞;多管串聯(lián)時(shí)為了做到一致驅動(dòng)，需要對每個(gè)管子實(shí)行“過(guò)”驅動(dòng)。要得到輸出脈沖的快前沿，必須對多管級連的每個(gè)管子的柵源極間實(shí)行電壓脈沖過(guò)驅動(dòng)。因此，多管串聯(lián)的柵極驅動(dòng)不能采用直接驅動(dòng)，而只能采取脈沖變壓器耦合驅動(dòng)柵極的方式。高速多管串并聯(lián)的zui關(guān)鍵技術(shù)是具有體積小耐高壓和納秒級瞬間大電流傳遞的驅動(dòng)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(kāi)關(guān)要兼顧到功率特性和開(kāi)關(guān)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(dòng)，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(dòng)，從而加大了研制難度，較易驅動(dòng)也是選管的重要考慮因素。選擇高壓雪崩三極管來(lái)產(chǎn)生瞬間大電流來(lái)提高M(jìn)OSFET的開(kāi)關(guān)速度，每個(gè)驅動(dòng)電路均由相同的5路組成，每路后接脈沖變壓器分別驅動(dòng)一個(gè)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(shí)應避免柵極間電壓不能超過(guò)額定值，漏極電流不應超過(guò)額定峰值電流，否則會(huì )使管子損壞。多管串聯(lián)時(shí)由于每個(gè)管子的漏電流不同，因此當加載高壓時(shí)會(huì )造成管子分壓不致，有些管子漏源之間電壓可能超過(guò)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(shí)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(shí)驗電路采用5 kV高壓場(chǎng)效應管串聯(lián)分別組成前沿充電組合開(kāi)關(guān)，分別成形輸出脈沖的前沿，同時(shí)為達到較快的前沿速度，場(chǎng)效應管柵極驅動(dòng)源采用高壓雪崩管加脈沖變壓器的“過(guò)”驅動(dòng)方法，脈沖源輸出負載為100 Ω的高壓電阻。根據電路原理圖設計電路，搭建實(shí)驗平臺，對各部分電路進(jìn)行實(shí)驗和測試。

實(shí)際脈沖源輸出波形幅度約4.3 kV，前沿時(shí)間小于8 ns，脈沖寬度約105 ns，晃動(dòng)小于3 ns。達到了設計的要求。

4 結語(yǔ)

實(shí)驗結果表明：研制出基于固體開(kāi)關(guān)器件快脈沖源符合高壓脈沖輸出500～4 000 V可調，前沿小于10 ns，脈寬大于100 ns，晃動(dòng)小于3 ns的技術(shù)指標的高壓脈沖驅動(dòng)源，滿(mǎn)足了設計和使用的要求。