快前沿程控高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器研制

陳彥麗，郭明安，羅通頂，夏驚濤

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥230026； 2. 西北核技術(shù)研究所，西安710024)

快前沿程控高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器研制

陳彥麗1,2，郭明安2，羅通頂2，夏驚濤2

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥230026； 2. 西北核技術(shù)研究所，西安710024)

基于計(jì)算機(jī)串口通信和功率型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，設(shè)計(jì)研制了程控產(chǎn)生單次快前沿負(fù)高壓脈沖的信號(hào)發(fā)生器。其性能指標(biāo)為高壓脈沖幅度-100 ～-1 000 V，脈沖寬度40 ns～2 μs，脈沖前沿隨脈沖幅度和寬度變化，可小于30 ns，輸出負(fù)載為50 Ω。作為一種模擬源，該高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器已用于小功率氣體放電管的高壓保護(hù)特性實(shí)驗(yàn)研究中。

高壓脈沖發(fā)生器；觸發(fā)控制；功率型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；串口通信

氣體放電管是一種電子設(shè)備保護(hù)裝置，保護(hù)電子設(shè)備不受閃電、過電壓或操作過電壓的破壞[1]。在使用氣體放電管之前，需要對(duì)氣體放電管高壓保護(hù)性能進(jìn)行測試，而在測試實(shí)驗(yàn)中，需要幅度和寬度可調(diào)的單次-1 kV且程序可調(diào)的高壓脈沖信號(hào)作為模擬源。因功率型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metallic oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和無二次擊穿問題等優(yōu)點(diǎn)，在各類中小功率開關(guān)電路中應(yīng)用極為廣泛[2]。因此，本文針對(duì)測試實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了一種基于串口通信和功率MOSFET的快前沿程控高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器。

1 發(fā)生器原理及系統(tǒng)組成

產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)的途徑主要有兩種[3]：一種是先得到直流高壓，然后利用開關(guān)器件的開通和關(guān)斷將直流高壓信號(hào)逆變?yōu)楦邏好}沖信號(hào)；另一種是先得到符合形狀的低壓脈沖，然后將其放大到需要的幅度。第一種方法得到的快前沿脈沖波形較為理想，第二種方法通常采用變壓器，脈沖前沿慢，且幅度高時(shí)波形容易畸變。因此，本文采用第一種方法設(shè)計(jì)了高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)組成框圖Fig.1Block diagram of the high voltage pulse signal generator

2 發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

2.1觸發(fā)控制電路

鑒于串口通信資源消耗少、技術(shù)成熟，且適合遠(yuǎn)距離傳輸，本文設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device, CPLD)實(shí)現(xiàn)串口通信的觸發(fā)控制電路。主要功能為：1) 通過CPLD器件產(chǎn)生脈寬可程序控制的5 V方波信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)；2) 通過程序控制高壓脈沖信號(hào)的脈沖寬度和幅度。脈寬調(diào)節(jié)范圍為0～16 μs，步進(jìn)20 ns，電壓幅度調(diào)節(jié)范圍為0～1 kV，分為0～99個(gè)檔位，共100檔。觸發(fā)控制電路功能模塊如圖2所示。

利用MFC中的串口控件和Windows API函數(shù)，在VC 6.0開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了串口通信控制軟件，界面如圖3所示。

圖 觸發(fā)控制電路功能模塊框圖Fig.2Diagram of function module of trigger control circuit

圖3 控制軟件的界面截圖Fig.3Control software interface

在CPLD內(nèi)部，利用Quartus II軟件平臺(tái)，采用原理圖與Verilog-HDL語言結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了串口數(shù)據(jù)接收電路、解碼電路、脈沖產(chǎn)生模塊、脈寬設(shè)置模塊及幅度控制模塊等。串口與CPLD通信的編程流程如圖4所示。

圖4 串口與CPLD通信的編程流程Fig.4Flow chart of programming communication between serial port and CPLD

2.2高壓脈沖產(chǎn)生電路

高壓脈沖產(chǎn)生電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、功率MOSFET及儲(chǔ)能電路組成，是快前沿高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器電路的核心部分。為得到頂部盡可能平，前沿盡可能快的高壓脈沖信號(hào)，直流高壓器件采用天津東文高壓電源廠提供的1.2 kV壓控可調(diào)直流高壓模塊，儲(chǔ)能電容使用100 μF、耐壓1.6 kV的無極性電容，電阻選擇高精度的金屬膜大功率電阻。由于功率MOSFET的開關(guān)速度很大程度上受柵極驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)能力的影響，因此要提高功率MOSFET的開關(guān)速度，就要提高驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力，即能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)電壓及具有較快前沿的驅(qū)動(dòng)脈沖，并且驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻應(yīng)盡量小[2-3]。為此，驅(qū)動(dòng)電路采用了IXYS公司生產(chǎn)的專用集成芯片IXDD409。選擇功率MOSFET時(shí)，考慮導(dǎo)通壓降、器件容量、耐沖擊能力及可靠性等因素，選取了IXYS公司生產(chǎn)的IXTA3N120，其最高工作電壓為1.2 kV，正常工作電流為3 A，最大峰值電流為12 A；在電路板PCB 布局上，將低壓部分和高壓部分放在不同層面上，高壓引線和地線盡可能粗，且其間距至少保持2.54 mm，以防出現(xiàn)火花[4]；引線盡可能短，以減少寄生電容和寄生電感[5]。設(shè)計(jì)的高壓脈沖產(chǎn)生電路如圖5所示。

圖5 高壓脈沖產(chǎn)生電路Fig.5Generating circuit of high voltage pulse

將可編程邏輯器件CPLD產(chǎn)生的5 V單次方波脈沖信號(hào)輸送到驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，通過驅(qū)動(dòng)電路將其提高到24 V，達(dá)到功率MOSFET的柵極開啟電壓，使功率MOSFET(IXTA3N120)導(dǎo)通，高壓儲(chǔ)能電容迅速釋放能量到負(fù)載上，觸發(fā)結(jié)束，MOSFET關(guān)斷，輸出信號(hào)回到直流狀態(tài)。這樣，在負(fù)載上就將直流高壓信號(hào)變?yōu)楦邏好}沖信號(hào)。為了提高開關(guān)管的速度，驅(qū)動(dòng)電路和功率MOSFET之間使用直流耦合。使用PSPICE軟件對(duì)圖5電路進(jìn)行仿真，得到的高壓脈沖信號(hào)波形如圖6所示。仿真結(jié)果表明，圖5的設(shè)計(jì)理論上可以獲得-1 kV的高壓脈沖信號(hào)。

圖6 電路仿真得到的高壓脈沖信號(hào)波形Fig.6Waveform of a high voltage pulse signal obtained by circuit simulation

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果

測量高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)的實(shí)驗(yàn)布局如圖7所示。

圖7 測量高壓脈沖信號(hào)的實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.7Experimental layout of measurement of high voltage pulse signals

在計(jì)算機(jī)的控制軟件界面中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，負(fù)載為50 Ω。高壓脈沖發(fā)生器的輸出端連接衰減器后，再接入示波器進(jìn)行測試。根據(jù)衰減倍數(shù)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到各種條件下的信號(hào)波形如圖8—圖11所示。從測試結(jié)果可以看出，信號(hào)幅度可達(dá)-1 kV，脈寬可達(dá)2 μs，且底部較平；脈寬為1 μs時(shí)，前沿小于30 ns。

由于單只MOSFET的功率有限，在脈寬為2 μs時(shí)，信號(hào)幅度只能達(dá)到-900 V；因?yàn)镃PLD自身產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)后沿有一定振蕩，所以高壓脈沖輸出信號(hào)后沿有過沖現(xiàn)象，脈寬比較窄時(shí)，過沖比較明顯，但不影響其在氣體放電管高壓保護(hù)特性實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用。

圖8 電壓為-900 V、脈寬為2 μs的高壓脈沖信號(hào)波形Fig.8Waveform of a high voltage pulse signal withVout=-900 V and Tw=2 μs

圖9 電壓為-1 kV、脈寬為1 μs的高壓脈沖信號(hào)波形Fig.9Waveform of a high voltage pulse signal with Vout=-1 kV and Tw=1 μs

圖10 電壓為-1 kV、脈寬為1 μs的高壓脈沖信號(hào)前沿波形Fig.10Front edge of a high voltage pulse signal with Vout=-1 kV and Tw=1 μs

圖11 電壓為-700 V、脈寬為40 ns的高壓脈沖信號(hào)波形Fig.11Waveform of a high voltage pulse signal withVout=-700 V and Tw=40 ns

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)測試表明，本文設(shè)計(jì)的快前沿高壓脈沖發(fā)生器程控可調(diào)，輸出高壓脈沖幅度為-100～-1 000 V、脈沖寬度為40 ns～2 μs、前沿小于30 ns、負(fù)載為50 Ω，且信號(hào)具有較高的穩(wěn)定性和安全性。該高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，滿足了小功率氣體放電管高壓保護(hù)特性實(shí)驗(yàn)研究的需求。由于單只MOSFET功率有限，下一步研究可將多只功率MOSFET串聯(lián)或并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功率提升。

[1] 翟愛斌, 謝彥召, 韓軍, 等. 氣體放電管電磁脈沖響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 26(增刊): 87-91.(ZHAI Ai-bin, XIE Yan-zhao, HAN Jun, et al. The gas discharge tube experimental study on electromagnetic pulse response [J]. Journal of Radio Science, 2011, 26(Suppl.): 87-91.)

[2] 田穎, 陳培紅, 聶圣芳, 等. 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電力電子技術(shù), 2005, 39(1): 73-75.(TIAN Ying, CHEN Pei-hong, NIE Sheng-fang, et al. Design and application of power MOSFET drive protection circuit[J]. Power Electronics, 2005, 39(1): 73-75.)

[3] 陳天志. 2 000 V高壓250 kHz高頻非對(duì)稱脈沖電源設(shè)計(jì)[D]. 太原: 中北大學(xué), 2008.(CHEN Tian-zhi. Design of 2 000 V high voltage 250 kHz high frequency asymmetric pulse power supply[D]. Taiyuan: North Central University, 2008.)

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[5] CHANEY A, SUNDARARAJAN R. Simple MOSFET-based high-voltage nanosecond pulse circuit[J]. IEEE Trans Plasma Sci, 2004, 32(5): 1 919-1 924.

Design of a High Voltage Pulse Signal Generator with Program Control and Fast Rise Edge

CHEN Yan-li1,2GUO Ming-an2,LUO Tong-ding2,XIA Jing-tao2

(1. University of Science and Technology of China,Hefei230026,China;2. Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China)

Based on computer serial port communication and power MOSFETs, a high-voltage pulse signal generator is developed, which has an adjustable program control and fast rise time. The generator has the following parameters: the high voltage pulse amplitude varied from -100 V to -1 000 V, the pulse width varied from 40 ns to 2 μs, and the rise time of the pulse is less than 30 ns when the output load is 50 Ω. As a simulator, the generator has been applied in testing of the low power gas discharge tube under high voltage.Key words:high voltage pulse generator;spring control;MOSFET;serial port communication

2016-06-08；

2016-09-18

陳彥麗(1979- )，女，山東菏澤人，助理研究員，碩士研究生，主要從事脈沖輻射探測及核電子學(xué)研究。

E-mail:cyll1979@mail.edu.cn

TN782

A

2095-6223(2016)041204(4)