2kV高穩(wěn)定度高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

羅通頂,田 耕,杜繼業(yè),阮林波,張雁霞,李顯寶,王 晶,李海濤

(西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024)

2kV高穩(wěn)定度高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

羅通頂,田 耕,杜繼業(yè),阮林波,張雁霞,李顯寶,王 晶,李海濤

(西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024)

在一些光學(xué)精密儀器的應(yīng)用場(chǎng)合中，不僅需要脈沖電源在時(shí)間上能夠提供精確的控制，而且需要具有高穩(wěn)定度的輸出，以提高光電系統(tǒng)的探測(cè)性能;運(yùn)用基于高壓開關(guān)的兩級(jí)式方法，采用單級(jí)高功率MOSFET開關(guān)結(jié)合具有高穩(wěn)定輸出的直流電源的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了輸出輻度可達(dá)2kV的高穩(wěn)定負(fù)脈沖電源;測(cè)試結(jié)果表明，在輸出脈沖寬度為8μs時(shí)，脈沖前沿約為48ns，系統(tǒng)延遲時(shí)間約為140ns，負(fù)脈沖超調(diào)參數(shù)約為1%。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、高穩(wěn)定性輸出等優(yōu)點(diǎn)，可以為特定的光電器件提供優(yōu)質(zhì)的控制方式。

脈沖電源；高壓電源；固態(tài)開關(guān)；功率MOSFET

0 引言

高壓脈沖電源能夠精確的控制電源的輸出和關(guān)閉，其時(shí)間精度能夠達(dá)到微秒級(jí)甚至納秒級(jí)，因而在瞬態(tài)成像或者高速測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-4]。例如在高速成像儀器中，高壓脈沖電源作為像增強(qiáng)器的高速選通快門，能夠精確控制相機(jī)的曝光時(shí)間，因而能夠?qū){秒級(jí)事件進(jìn)行觀測(cè)。而對(duì)于另外一些特殊的光電器件的使用，在捕捉感興趣的瞬態(tài)事件時(shí)，不僅需要高壓脈沖電源能夠精確控制光電器件的導(dǎo)通和閉合(即起到快門選通的作用)，而且需要能夠提供高穩(wěn)定度的輸出，以降低電源帶來的噪聲，提高系統(tǒng)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等性能指標(biāo)。目前，對(duì)于高速高壓快門的研究或者高精度的直流電源研究較多，而對(duì)于高穩(wěn)定度的高壓脈沖電源的研究較少有報(bào)道。

本文針對(duì)某型特殊光電器件的應(yīng)用需求，研制了2kV高穩(wěn)定度高壓脈沖電源，該脈沖電源不僅具有快門的功能，即能精確控制光電系統(tǒng)導(dǎo)通和關(guān)閉，同時(shí)也能夠提供高穩(wěn)定度的電源，因而能極大的提高光電系統(tǒng)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等關(guān)鍵性能指標(biāo)。另外，為了獲取2kV幅度的高壓脈沖電源，本文基于單個(gè)高功率MOSFET固體開關(guān)構(gòu)建了脈沖成形電路，與多級(jí)固體開關(guān)串聯(lián)的方法相比，該方法能夠大幅的降低電路的復(fù)雜性，提高電路的穩(wěn)定性。

1 高壓脈沖電源原理

常用的脈沖電源產(chǎn)生方法有兩種:基于儲(chǔ)能原件的充放電式方法和基于高壓開關(guān)的兩級(jí)式方法[5]?；趦?chǔ)能原件的充放電式方法首先對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行長時(shí)間的充電，然后使其在短時(shí)間內(nèi)放電，放電時(shí)間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于充電時(shí)間，最后實(shí)現(xiàn)能量在短時(shí)間內(nèi)瞬間放出，從而達(dá)到輸出高壓大功率脈沖的目的。利用該種方式可以獲得大功率、超高電壓、和快前沿的輸出脈沖；但是，受限于電路元器件的影響，其脈沖精度難以實(shí)現(xiàn)精確的控制，脈沖參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)，并且由于電路恢復(fù)時(shí)間慢造成重復(fù)頻率低，因而應(yīng)用范圍比較有限，主要應(yīng)用高功率脈沖源設(shè)計(jì)[6-7]。

基于高壓開關(guān)的兩級(jí)式方法是采用一個(gè)直流高壓電源和一個(gè)高壓開關(guān)，通過高壓開關(guān)的閉合來實(shí)現(xiàn)脈沖的輸出。實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)常用的器件有閘流管(Thyratron)、晶閘管(Thyristor)、絕緣柵雙極型功率管(IGBT)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)客(MOSFET)。開關(guān)性能對(duì)于脈沖電源的各項(xiàng)性能參數(shù)起決定作用。隨著固體開關(guān)在開關(guān)速度、耐壓和導(dǎo)通電流等性能上的提高，基于固態(tài)開關(guān)的脈沖電源設(shè)計(jì)成為了目前研究的主流。固體開關(guān)具有電路簡單、體積小、靈活性高、可實(shí)現(xiàn)任意波形輸出、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)?；诠虘B(tài)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方法非常簡單，只要提供一個(gè)低壓觸發(fā)信號(hào)例如5 V TTL開關(guān)控制信號(hào)，開關(guān)即可以工作在固定的脈寬下。MODFET的開關(guān)速度比IGBT快，通常用于制作高速開關(guān)。該類功率電子器件具有高速通斷能力、低觸發(fā)能量、脈寬可調(diào)的特性, 而且具有高重復(fù)頻率、脈寬可調(diào)、長壽命、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。以前，受限于技術(shù)和工藝生產(chǎn)水平，單個(gè)功率電子器件的耐壓和電流有限, 只能應(yīng)用于低壓快脈沖電源領(lǐng)域中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)工藝水平的提高，單個(gè)功率MOSFET固體開關(guān)器件的耐壓水平、電流驅(qū)動(dòng)能力、功率輸出等主要指標(biāo)都有了極大的提高。為了獲取2kV幅度的高壓脈沖電源，本文基于單個(gè)高功率MOSFET固體開關(guān)構(gòu)建了脈沖成形電路，與多級(jí)固體開關(guān)串聯(lián)的方法相比，該方法能夠大幅的降低電路的復(fù)雜性，提高電路的穩(wěn)定性和精度。

基于固態(tài)開關(guān)的脈沖電源具有3種常用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，它們分別產(chǎn)生不同需求的波形。圖1(a)為輸入正電源，輸出正脈沖；圖1(b)為輸入負(fù)電源，輸出負(fù)脈沖；圖1(c)為輸入正電源，輸出負(fù)脈沖。本文選擇圖1(c)實(shí)現(xiàn)了脈沖電源的產(chǎn)生。

圖1 常用脈沖電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文采用高穩(wěn)定性直流電源作為高壓輸入，單個(gè)大功率固體MOSFET管作為開關(guān)的方式設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定度高壓脈沖電源。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

脈沖成形級(jí)電路原理如圖3所示，該級(jí)主要由貯能電容、開關(guān)、負(fù)載組成。與傳統(tǒng)的晶閘管等相比，功率MOSFET管具有開關(guān)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，隨著MOSFET設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步提高，其耐壓有了顯著的提高，并且具有較高的可靠性，例如IXYS公司發(fā)布的功率MOSFET管耐壓值可達(dá)數(shù)千伏。本文基于單個(gè)IXYS公司的IXTK5N250器件構(gòu)造的脈沖成形電路，該單管電路具有簡單可靠、易于集成和小型化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)[8]。

圖3 脈沖成形級(jí)電路原理

IXTK5N250單管極限耐壓值可達(dá)2 500伏，漏極電流

I

D

可達(dá)5安培，導(dǎo)通電阻

R

DS

(on)為8.8歐姆。圖3中Q1為IXTK5N250，當(dāng)前端輸入為低電壓時(shí)，Q1關(guān)閉，HV高壓直流電源通過

R

S

給C1充電，充電完畢后，C1左端電壓值為HV，右端電壓值為0；當(dāng)前端輸入為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，C1通過放電回路1放電。

輸入級(jí)由電阻R1、R2和R3組成的π形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是用于觸發(fā)域的調(diào)節(jié)；二是用于與輸入信號(hào)的阻抗匹配，因?yàn)榇蠖鄶?shù)信號(hào)的特性阻抗為低阻50Ω，而π形電阻網(wǎng)絡(luò)能夠很好的與其實(shí)現(xiàn)匹配。

圖4 輸入級(jí)電路圖原理

驅(qū)動(dòng)級(jí)是提高M(jìn)OSFET管開關(guān)速度以及輸出脈沖前沿陡峭程度的關(guān)鍵。MOSFET管的開關(guān)速度很大程度上受柵極驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)能力的影響。在導(dǎo)通瞬間，為MOSFET提供的瞬態(tài)電流越大，則導(dǎo)通的延遲時(shí)間越小，因此，要提高M(jìn)OSFET開關(guān)管的速度就要提高驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力：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。本文選用IXYS公司的專用MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IXDD409, 它能提供9A的驅(qū)動(dòng)電流,輸出信號(hào)上升沿和下降沿小于30 ns。

直流輸入電源采用美國斯坦福生產(chǎn)的高壓電器PS350。PS350是專門針對(duì)實(shí)驗(yàn)研究和測(cè)試用的高精度高壓電源，不僅紋波噪聲非常低，而且具有非常高的穩(wěn)定度和精確度，其穩(wěn)壓率可達(dá)0.001%，精確率可達(dá)0.05%。PS350最高可輸出5 KV，是科學(xué)研究中非常理想的精密電源，在高精度實(shí)驗(yàn)測(cè)試中具廣泛的應(yīng)用。

3 Pspice電路仿真

利用Pspice 16.5工具對(duì)脈沖成形電路(如圖3)進(jìn)行了功能仿真驗(yàn)證。Q1為IXTK5N250，HV設(shè)定為2 kV，RS和RL設(shè)定為50 kΩ，C1設(shè)定為4.7 μF,輸入正脈沖寬度為5 μs，幅度為20 V。仿真結(jié)果如圖4所示，圖中V(R3:1)為輸入脈沖，V(OUT)為輸出脈沖。輸出脈沖為負(fù)極性脈沖，幅度為-2 KV，脈沖前沿為3.2 ns，后沿約為1 μs,脈沖寬度約為6.5 μs。從仿真結(jié)果可以得知：(1)電路的功能正確；(2)輸出脈沖具有極快的下降沿，這是由IXTK5N250快速開關(guān)特性決定的；(3)為了使輸出脈沖能在幾微秒時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定而不產(chǎn)生大的偏移，選擇較大的電容和輸出電阻，加大了放電回路的放電時(shí)間，因此輸出脈沖寬度產(chǎn)生了一定程度的展寬。

圖5 功能仿真結(jié)果

4 測(cè)試結(jié)果與分析

利用示波器和1：1 000的高壓棒對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行了測(cè)試。觸發(fā)輸入脈沖寬度為7 μs，幅度為10伏。圖5中第1通道為輸出脈沖波形，第3通道為驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出波形，測(cè)量結(jié)果如下：(1)負(fù)脈沖輻度約為1960伏、后沿約為7 μs、寬度約為7.974 μs秒(略有展寬)；(2)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出幅度約15伏。

圖6為觸發(fā)輸入脈沖和輸出脈沖的前沿波形，其中第1通道為輸出脈沖，第3通道為輸入觸發(fā)，測(cè)得如下結(jié)果：(1) 系統(tǒng)的延遲時(shí)間約為140 ns；(2)輸出脈沖前沿約為48 ns；(3)負(fù)脈沖的幅值由超調(diào)參數(shù)給出，約為1%，約為20伏。

圖6 輸出波形與驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出波形

5 小結(jié)

本文基于單個(gè)功率MOSFET固體開關(guān)器件和高精度直流電源構(gòu)建了一種高穩(wěn)定性高壓脈沖電源，用于產(chǎn)生脈沖寬度為2～10微秒的脈沖，達(dá)到如下指標(biāo)：輸出波形為負(fù)極性脈沖、輸出幅度約-2 KV、輸出前沿約48 ns、后沿約7 μs、精度約1%、固有延遲140 ns。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、精度較高的優(yōu)點(diǎn)，可以為特定的光電器件提供優(yōu)質(zhì)的控制方式。

圖7 前沿波形時(shí)間放大圖

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Design of A High-Stability High-Voltage Pulse Power with 2kV Output

Luo Tongding，Ting Geng，Du Jiye，Ruan Linbo，Zhang Yanxia, Li Xianbao, Wang Jing, Li Haitao

(State Key laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

In some applications of precision measurement with optical instruments, the pulse power not only should have the ability of providing a high precise control in time, but also should giving a high stability of output to improve the performance of the the photoelectric detectors. This paper presents a design of negative pulse power with the output up to 2kV. It is based on a two-hierarchical method with a high-voltage switch and has a combination of a single high-power MOSFET switch and a high-stability DC power in the system. The results of the measurement shows that the designed system has a inherent delay of approximately 140 nanoseconds, the output pulse has a leading edge of approximately 48 nanoseconds and a overshoot parameter of approximately 1% when the output pulse width is 8 microseconds. The designed pulse power has many advantages such as simple structure, high-reliability, high-stability output and so on ,which can provide a prefect control method for a few particular photoelectric detectors.

pulse power; high-voltage power; solid-state switch; power MOSFET

2016-10-31；

2016-12-19。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11605141,11305129);國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SKLIPR1502Z)。

羅通頂(1984-)，男，湖南邵陽人，工程師，博士，主要從事高速圖像診斷方向的研究。

1671-4598(2017)05-0270-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TN

A