郭明安, 劉 璐, 郭耀軍, 嚴 明,李 剛, 周二瑞, 楊少華, 劉 偲

(1. 西北核技術(shù)研究所, 西安 710024; 2. 中核核電運行管理有限公司, 浙江海鹽 314300)

現(xiàn)有快脈沖產(chǎn)生器件主要有雪崩三極管[1]、雪崩二極管[2]、三極管[3]和MOSFET[4-8]，它們存在脈沖寬度不能受控調(diào)節(jié)或脈沖寬度調(diào)節(jié)受限、外接高壓電源體積較大、重復(fù)頻率較低、驅(qū)動復(fù)雜及無監(jiān)測輸出等缺點。監(jiān)測快脈沖輸出可準確掌握曝光時刻，本文利用集成MOSFET驅(qū)動和功率開關(guān)于一體的IC(integrated circuit)器件，設(shè)計了一種高壓快門脈沖源，具有驅(qū)動簡單，體積小，前后沿時間短、輸出脈沖寬度可調(diào)節(jié)及監(jiān)測輸出等特點，適用于像增強器高速成像。

1 原理和關(guān)鍵理論值估計

高壓脈沖源包括高壓電源和高壓開關(guān)，能交替連通和斷開該電壓源的負載，簡化的高壓脈沖源等效電路如圖1所示。高壓電源通過一個阻值較高的限流電阻RI給蓄能電容器CR充電。當高壓開關(guān)(high voltage switch，HVS)閉合時，電容CR迅速提供電流脈沖，將各種電容，如內(nèi)部寄生電容CI、傳輸電纜電容CC和負載電容CL等，充入到高壓電源中，然后由負載電阻RL和電容器CR決定放電電流和放電時長，直到 HVS再次斷開為止。

雖然高電壓脈沖是所要產(chǎn)生的波形，但產(chǎn)生這種電壓脈沖需依靠電流波形，而電流波形又由高壓電源和高壓開關(guān)決定。通過高壓開關(guān)的電流是所有內(nèi)部電纜、負載電容和負載電阻上的電流之和。3種電容和負載電阻對脈沖的前后沿也有顯著的影響。圖2為電流脈沖的組成。

由圖2可見，電流脈沖由一個初始的尖脈沖和一個穩(wěn)定的平頂分量2部分組成。前沿脈沖的平均電流決定了電壓脈沖的上升時間(幅度從峰值的10%上升到90%的時間)，可表示為

(1)

其中：Iaverage-rise為前沿脈沖平均電流；t為時間；V為脈沖幅度。

根據(jù)經(jīng)驗，前沿的峰值電流是這個平均值的2倍，表示為

Ipeak-rise=2Iaverage-rise

(2)

脈沖幅度從峰值的90%下降到10% 的時間為下降沿時間，可表示為

tF=2.2RL[CI+CC+CL]

(3)

基于選擇的IC器件(耐壓為1 000 V,峰值電流為72 A，開關(guān)寄生電容為46 pF)，設(shè)計一個前沿為2 ns，電壓為1 000 V的高壓脈沖源，印刷電路板傳輸電容為12 pF，負載電容為2 pF，負載電阻為16.5 Ω，根據(jù)式(1)-式(3)，可得

(46+12+2)×10-12×1 000÷(2×10-9)=30 A

(4)

Ipeak-rise=2Iaverage-rise=60 A

(5)

tF=2.2RL[CI+CC+CL]=

2.2×16.5×60×10-12≈2.2 ns

(6)

2 器件選擇和關(guān)鍵電路設(shè)計

本文采用一片集成高速大電流和高耐壓的MOSFET和驅(qū)動電路于一體的IC器件作為高壓脈沖源，寄生電容為46 pF，驅(qū)動電源電壓為8～20 V，開關(guān)耐壓為1000 V，開關(guān)峰值電流為72 A，電路原理如圖3所示。工作原理為：當電路施加電源時，一個0 V的輸入信號控制IC1的輸出，使MOSFET工作在斷開狀態(tài)，IC1內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示；高壓電源通過電阻R2，R9，R10和二極管D1對電容C13充電，通過電阻輸出+50 V電壓；當輸入信號為高電平時(8～20 V)，IC1內(nèi)部一個VCC幅度的電壓加載在MOSFET的柵極，使之導(dǎo)通，C13通過等效負載放電，在等效負載上形成一個負的高壓，幅度為高壓電源的幅度減去功率 MOSFET的導(dǎo)通電壓。這個脈沖通過C14交流耦合輸出，最終輸出幅度為脈沖幅度VHV減50 V。當輸入回到0 V時，輸出保持在50 V，這樣在輸出端就形成一個+50 V～-(VHV-50 V)的脈沖高壓。有效脈沖寬度和持續(xù)幅度受電容C13的容量和放電回路負載的限制，因此， 控制輸入信號的寬度不能大于C13的放電時間。

多個分離電阻并聯(lián)可減少串聯(lián)電感，短路和過載保護依靠R4-R8和R15-R19并聯(lián)組成的等效電阻。當輸出電流升高時，MOSFET的有效柵源電壓減小，提高了功率 MOSFET的導(dǎo)通電阻；在短路狀態(tài)，電容C13安全而通過MOSFET充分放電。D1消除了感應(yīng)負載引起的反向電壓。為安全起見，當電路不工作時，C13的電荷可通過串聯(lián)電阻R14，R21，R24，R27泄放。

電路設(shè)計非常關(guān)鍵，首先要一個控制低電感的地層，電容C13和C14必須是無感脈沖電容，IC1的驅(qū)動部分電源VCC必須連接到一起，所使用的去耦電容盡可能地貼近管腳，IC1的驅(qū)動部分電源地DGND是整個芯片的參考地，必須連接在低噪聲的模擬地上。IC1的輸入部分電源VCCIN，不能直接接在驅(qū)動部分電源VCC上，同樣，IC1的輸入部分電源地INGND，不能直接連在驅(qū)動部分電源地DGND上。VCCIN,INGND,IN必須通過3者的共模軛流線圈分別相連接，就能跟隨內(nèi)部模電壓變化，阻止脈沖輸入信號沖擊產(chǎn)生高速瞬變而影響輸入狀態(tài)。電阻R20，R23，R25和電容C16形成一個緩沖網(wǎng)絡(luò)，吸收電壓尖峰，阻止開關(guān)過程中產(chǎn)生的電壓尖峰沖擊，進而保護MOSFET。輸出電壓監(jiān)測電路采用無感電阻分壓方式，接50 Ω特征阻抗的高頻同軸電纜輸出，與負載50 Ω匹配。圖5為高壓脈沖源電路實物圖。

3 關(guān)鍵參數(shù)測試

高壓脈沖源關(guān)鍵性能參數(shù)包括觸發(fā)晃動時間、前后沿時間、晃動時間及固有延遲時間、最大及最小輸出脈沖寬度、最小輸入觸發(fā)閾值和監(jiān)測衰減倍數(shù)。測試條件為:驅(qū)動電源電壓為12 V；驅(qū)動信號源輸出幅度可調(diào)節(jié)，最大為10 V；脈沖寬度可調(diào)節(jié)，雙通道輸出；直流高壓電源電壓為275 V；負載輸出接16.5 Ω的大功率電阻，可采用多個電阻并聯(lián)，用示波器探針接示波器通道，高阻直流耦合；監(jiān)測輸出接高頻同軸短電纜，進示波器通道，與50 Ω的負載阻抗匹配。

3.1 觸發(fā)晃動時間測試

3.2 前后沿時間、晃動時間及固有延遲時間測試

利用示波器同時記錄脈沖源觸發(fā)輸入和輸出的波形，設(shè)置觸發(fā)輸入信號脈沖寬度為100 ns，幅度為10 V，添加下降沿時間、上升沿時間、固有延遲時間(輸入上升沿與輸出下降沿之間的延遲時間及輸入下降沿和輸出上升沿之間的延遲時間)、輸出幅度和輸出寬度等參數(shù)自動測試功能。累計測試100次后，上升沿和下降沿、固有延遲時間及晃動時間波形如圖7所示。以平均值作為測試值，測得下降沿為2.28 ns，上升沿為3.34 ns；以下降沿的最大時間減去最小時間為前沿晃動時間，為2.398-2.187=0.211 ns，以上升沿的最大時間減去最小時間為后沿的晃動時間，為3.576-3.133=0.446 ns；以延遲時間的平均值為測試值，得到下降沿固有延遲時間為26.55 ns，上升沿固有延遲時間為24.21 ns；幅度Vpp為252 V；寬度為97.64 ns(加上上升沿和下降沿的延遲時間差2.34 ns等于輸入信號寬度100 ns)，晃動時間為97.72-97.57=0.15 ns。

3.3 最大和最小輸出脈沖寬度測試

本電路本質(zhì)上是一個RC放電電路，放電時間常數(shù)取決于電阻R和電容C，最大脈沖輸出寬度主要取決于負載RL和儲能電容CR，定義輸出幅度下降在5%以內(nèi)的有效時間為最大輸出脈沖寬度。脈沖寬度為1 μs，幅度下降為10 V，阻抗為16.5 Ω，儲能電容為3 μF。當輸出脈沖寬度在1 μs內(nèi)調(diào)節(jié)時，脈沖寬度測試波形如圖8所示。

調(diào)整觸發(fā)輸入脈沖的寬度，直到快高壓脈沖源有信號輸出時為止，這個輸出脈沖的半高寬即為最小脈沖寬度。目前信號源的幅度最大為10 V，前后沿最小為10 ns，當輸出最小脈沖寬度為13 ns時，高壓脈沖源輸出的脈沖寬度為4.53 ns；當信號源輸出的脈沖寬度為14 ns時，高壓脈沖源輸出的脈沖寬度為8.12 ns。圖9為高壓脈沖源輸入脈沖寬度分別為13 ns和14 ns時的輸出波形。

當脈沖電源的輸出開始與輸入有固定關(guān)系時，觸發(fā)輸入的脈沖寬度稱為最小有效觸發(fā)輸入脈沖寬度，此時輸出脈沖寬度稱為最小有效輸出脈沖寬度。根據(jù)實驗測試給出的輸入脈沖寬度和輸出脈沖寬度的對應(yīng)關(guān)系，輸入脈沖寬度為20 ns以上，快速高壓脈沖源的輸出基本隨輸入有固定變化關(guān)系，脈沖寬度差為2.34 ns，因此，最小有效觸發(fā)輸入脈沖寬度為20 ns，最小有效輸出脈沖寬度為20-2.34 =17.66 ns。

3.4 最小觸發(fā)閾值測試

將輸入觸發(fā)脈沖寬度設(shè)置為13 ns，減少輸入信號的幅度，直到輸出有信號，此時的觸發(fā)輸入信號的幅度為最小觸發(fā)閾。當開始有輸出信號時，測得幅度為8 V，因此最小觸發(fā)閾為8 V。

3.5 監(jiān)測衰減倍數(shù)測試

用示波器的一個通道接監(jiān)測輸出，阻抗匹配為50 Ω，另一個通道采用探針直接用高阻測試脈沖源的輸出，比較二者幅度之間關(guān)系，得到衰減倍數(shù)設(shè)計值為2×(330×3+50)/50=41.6。圖10為監(jiān)測衰減倍數(shù)。由圖10可見，實際輸出VPP為250 V，監(jiān)測輸出為6 V，實際測試的衰減倍數(shù)為41.7倍，與設(shè)計值相符。

4 結(jié)論

本文利用單片集成驅(qū)動和高壓MOSFET實現(xiàn)了帶監(jiān)測輸出的高速高壓脈沖源，適用于像增強器的高速成像，可很準確地把握曝光時刻。實驗測試結(jié)果表明，包括電纜電容在內(nèi)的負載電容是高壓脈沖源設(shè)計和應(yīng)用中的一個非常重要的因素。電容的影響可通過改變互連電纜的長度等方式控制，即增加負載上的分流電阻。今后的工作將致力于進一步減少最小有效輸出脈沖寬度，提高輸出幅度的穩(wěn)定性和降低電路的固有延遲時間。