高壓快脈(mài)衝(chōng)源的技術基(jī)礎(chǔ)核心是高(gāo)壓快開關。以前固體(tǐ)器(qì)件開關盡管(guǎn)具有速度(dù)快，晃動小等(děng)優(yōu)點(diǎn)，但由於(yú)技術(shù)與(yǔ)工藝(yì)水平(píng)的限製，不具(jù)備有(yǒu)電(diàn)真空器(qì)件的大功率，耐高壓(yā)，大(dà)電流驅動能力等(děng)特點，因而(ér)隻能(néng)用於低(dī)壓快脈衝源(yuán)領域(yù)，隨著半(bàn)導體技(jì)術的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了(liǎo)高壓固體器件(jiàn)，采用多(duō)管級聯方(fāng)式，提(tí)高輸出功(gōng)率(shuài)，逐(zhú)步(bù)改變(biàn)了現狀，並(bìng)且(qiě)在中小功(gōng)率(shuài)的(dí)脈衝(chōng)源領(lǐng)域中，逐(zhú)步地(dì)取代了真(zhēn)空電子器件(jiàn)及氫閘流管(guǎn)。這裏重(zhòng)點研究(jiū)基於(yú)固(gù)體開關(guān)的(dí)脈衝驅動技(jì)術(shù)，對雪崩(bēng)管，高(gāo)壓功(gōng)率場效應管的機(jī)理(lǐ)進行了深入調(tiáo)研，對(duì)其(qí)開關(guān)原(yuán)理(lǐ)和(hé)開關(guān)特(tè)性(xìng)進行了(liǎo)綜合(hé)分(fēn)析(xī)研究(jiū)，著重對提高(gāo)大功(gōng)率高壓場效應管(guǎn)開關(guān)速度(dù)的(dí)柵極(jí)驅動(dòng)及(jí)特殊(shū)的(dí)“過”驅(qū)動方法(fǎ)開展研究，確(què)定(dìng)采用(yòng)MOSFET為(wéi)主(zhǔ)開(kāi)關(guān)元(yuán)件的(dí)技術方(fāng)案，運(yùn)用(yòng)ORC.ADPspice軟件(jiàn)對電路仿真，分析並(bìng)驗證高壓MOSFET單(dān)管(guǎn)，多(duō)管(guǎn)級(jí)聯及(jí)驅(qū)動理論(lùn)，以(yǐ)提高脈衝(chōng)的(dí)前沿的方(fāng)法(fǎ)措施(shī)，達(dá)到了(liǎo)電(diàn)路的(dí)優化(huà)設計(jì)。

1 MOSFET的選(xuǎn)用和開關(guān)速度的(dí)提(tí)高(gāo)

在選(xuǎn)用(yòng)納(nà)秒(miǎo)級的固(gù)體開(kāi)關(guān)上，對固(gù)體(tǐ)雪崩三極(jí)管(guǎn)和(hé)MOSFET的(dí)性能(néng)進行了(liǎo)對比(bǐ)：

固體(tǐ)雪(xuě)崩管(guǎn)被(bèi)觸發工作(zuò)在雪崩或(huò)二次(cì)擊穿瞬(shùn)間時，能輸出很大的脈(mài)衝峰(fēng)值電流，且(qiě)觸發晃動和(hé)上升(shēng)時間(jiān)都很(hěn)小;但(dàn)是(shì)由於雪(xuě)崩(bēng)持續(xù)時(shí)間(jiān)很(hěn)短，大(dà)約隻有幾個ns，所以(yǐ)輸(shū)出(chū)脈衝(chōng)平均功(gōng)率較(jiào)低(dī)，脈衝(chōng)寬度(dù)較窄，電(diàn)流難以控製。因此(cǐ)廣泛用於製作重復頻率(shuài)低(dī)而脈衝功率高(gāo)的窄脈衝源。

MOSFET具有大(dà)的(dí)脈衝(chōng)開(kāi)關電流（數十安培(péi)），較高的漏源(yuán)電壓（達千伏(fú)），和(hé)小(xiǎo)的(dí)導通(tōng)內阻（歐(ōu)姆(mǔ)量(liáng)級），用(yòng)它製(zhì)作的(dí)脈(mài)衝源(yuán)抗脈(mài)衝電磁幹擾能力(lì)較(jiào)強(qiáng)。由於(yú)其(qí)輸(shū)入/輸(shū)出(chū)電容較大，因此它(tā)的開關速度(dù)較慢。但場效應管脈(mài)衝源(yuán)電(diàn)壓(yā)幅度和(hé)寬度容易(yì)調(tiáo)節，隻要在(zài)“過”驅(qū)動電路上開(kāi)展研(yán)究，以提高(gāo)MOSFET的開關(guān)速度，這樣就(jiù)可以產(chǎn)生納秒(miǎo)級上升時(shí)間的大幅度(dù)的(dí)寬脈衝，那(nà)麼(mó)基於MOSFET納(nà)秒(miǎo)高(gāo)壓(yā)寬(kuān)脈衝源(yuán)的(dí)研究(jiū)就(jiù)是十分(fēn)可(kě)行的(dí)。

2 MOSFET的開關(guān)機理分(fēn)析(xī)

采用(yòng)“過”驅(qū)動能提(tí)高功率(shuài)MOSFET的開(kāi)關速(sù)度，就是使(shǐ)對MOSFET柵(zhà)極驅動脈衝(chōng)波(bō)形(xíng)的前沿很快且上衝大大超過(guò)額(é)定的(dí)柵源驅(qū)動電壓(yā)，柵極(jí)的(dí)驅動(dòng)能力(lì)在很(hěn)大(dà)程(chéng)度上決(jué)定了(liǎo)MOSFET的開關速(sù)度。加(jiā)快MOSFET的開(kāi)關速(sù)度關(guān)鍵之一就(jiù)是減(jiǎn)小柵極(jí)電(diàn)阻(zǔ)和柵極電容，提(tí)高跨(kuà)導gm，提高柵極(jí)驅動(dòng)電(diàn)壓。

為了提(tí)高(gāo)MOSFET管(guǎn)的(dí)開(kāi)關速(sù)度，從電路設計角度(dù)考慮要(yào)求(qiú)柵級驅動電路(lù)：能夠(gòu)提(tí)供(gōng)較(jiào)大(dà)的(dí)驅動(dòng)電流(liú)，驅動電壓(yā)以及具有(yǒu)較快前沿(yán)的柵(zhà)極驅(qū)動脈(mài)衝(chōng)，同時(shí)要求驅(qū)動(dòng)電路(lù)的輸出(chū)電阻(zǔ)應盡量(liáng)小(xiǎo)。因此柵極驅動開(kāi)關器件必須能(néng)輸(shū)出瞬間大(dà)電流，因(yīn)而采(cǎi)用雪(xuě)崩管來驅(qū)動MOSFET，可以得到很快的導通(tōng)速度(dù)。

3 MOSFET過驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

MOSFET柵(zhà)極(jí)驅動開關(guān)器件(jiàn)必須(xū)能輸(shū)出瞬間大電流。而(ér)雪崩(bēng)晶體管是工(gōng)作在雪(xuě)崩(bēng)或二次擊(jī)穿狀態(tài)，瞬間(jiān)輸(shū)出(chū)的(dí)脈(mài)衝峰值電流(liú)很大(dà)，幅度很高，晃(huǎng)動(dòng)很小，開關速(sù)度(dù)又很快(kuài)，用雪崩管驅(qū)動(dòng)MOSFET可以得到很(hěn)快的導(dǎo)通(tōng)速度。實(shí)驗中采取射極跟隨(suí)和雪(xuě)崩電(diàn)路來(lái)觸(chù)發MOSFET，因而可以(yǐ)得到了(liǎo)較快的(dí)前沿和較小的輸出(chū)電阻。為(wéi)了消除因(yīn)分布電容耦(ǒu)合效應所(suǒ)造成的功率電路(lù)對驅動電路(lù)的(dí)影(yǐng)響，必須(xū)使用帶(dài)隔(gé)離的驅(qū)動電路。為(wéi)此在(zài)電路設(shè)計(jì)中采(cǎi)用雪崩(bēng)管加脈衝變壓器組(zǔ)合(hé)的“過(guò)”驅動的(dí)方法，提供驅動(dòng)MOSFET柵(zhà)極所需的(dí)大(dà)電流(liú)“過”驅動脈衝，以(yǐ)實現(xiàn)提高(gāo)MOSFET開關(guān)速度(dù)的(dí)目的(dí)。過驅動電(diàn)路(lù)是由射(shè)極(jí)跟隨器，雪崩管電(diàn)路和脈變壓器耦合電(diàn)路(lù)組(zǔ)成。

射極跟(gēn)隨器起阻抗(kàng)變換(huàn)的(dí)作(zuò)用，雪(xuě)崩(bēng)管(guǎn)脈(mài)衝(chōng)峰值(zhí)電(diàn)流達60 A。電路(lù)設計時(shí)，高(gāo)壓電(diàn)源電壓為300 V，輸出(chū)級為(wéi)集(jí)電極(jí)輸出(chū)形式(shì)，輸出(chū)負(fù)載為(wéi)高頻(pín)脈(mài)衝變壓(yā)器（次級接高壓(yā)場(cháng)效(xiào)應(yīng)管的柵(zhà)極），由此(cǐ)管(guǎn)產(chǎn)生輸出脈(mài)衝(chōng)極(jí)性為負(fù)，脈衝幅度(dù)300 V左右，脈衝前沿數納(nà)秒的大(dà)電流(liú)脈衝輸出，該(gāi)輸(shū)出脈(mài)衝通過(guò)反相脈衝變壓(yā)器變成正的大(dà)電流“過”驅動脈衝去(qù)驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管，使高壓場效應(yīng)管(guǎn)的開關(guān)速(sù)度得(dé)以提高(gāo)。

柵極(jí)過驅動脈衝波形的前(qián)沿應(yīng)該很(hěn)快，且上衝大(dà)大超過額定的柵源(yuán)驅動(dòng)電(diàn)壓(yā)值（脈衝前(qián)沿約為3 ns，幅度約為170 V），但(dàn)因上(shàng)衝(chōng)的脈(mài)衝寬(kuān)度很窄（約(yuē)為(wéi)7 ns）。因此可以(yǐ)達(dá)到快速驅動MOSFET的柵極(jí)，又(yòu)不(bù)會(huì)損壞(huài)MOSFET。

3.1 單(dān)路(lù)MOSFET仿(fǎng)真(zhēn)實(shí)驗(yàn)

為得(dé)到較(jiào)快的(dí)脈衝驅動源輸(shū)出波形(xíng)的(dí)前沿(yán)需要(yào)MOSFET的開關速度(dù)盡(jìn)量(liáng)快(kuài)。根(gēn)據(jù)對MOSFET的(dí)開關特性(xìng)分(fēn)析可知，從電(diàn)路(lù)上(shàng)考(kǎo)慮，加快MOSF ET的開(kāi)關(guān)動作有以下途徑(jìng)：

（1）提(tí)供(gōng)較(jiào)大的(dí)柵極驅動電(diàn)流(liú)和(hé)電壓(yā)，使(shǐ)功(gōng)率MOSFET柵極電容(róng)迅(xùn)速充放(fàng)電，從而減(jiǎn)小功(gōng)率MOSFET關(guān)斷時間(jiān);

（2）提供(gōng)較快(kuài)的驅動(dòng)脈衝(chōng)，從而(ér)提(tí)高(gāo)功率MOSFET的(dí)關斷速度。

單(dān)管(guǎn)MOSFET實驗電(diàn)路的(dí)輸(shū)出(chū)波形。波(bō)形(xíng)幅(fú)度(dù)約1 kV，前沿時間(jiān)約(yuē)為1.6 ns，脈(mài)寬約(yuē)1.4μs。MOSFET單(dān)管仿真和實(shí)驗的(dí)結果(guǒ)表明：選(xuǎn)擇合適的管子和過(guò)驅動(dòng)電路實現(xiàn)源納秒級快(kuài)前沿時(shí)間(jiān)是(shì)可(kě)以(yǐ)辦到的。單(dān)管研究(jiū)的(dí)突(tū)破，為(wéi)多(duō)管(guǎn)串並聯的組合得到(dào)更高(gāo)幅(fú)度(dù)納秒脈衝(chōng)源(yuán)的(dí)研究帶(dài)來(lái)了希望。

3.2 多管(guǎn)串(chuàn)並聯(lián)的(dí)MOSFET仿真與(yǔ)電(diàn)路實(shí)驗

盡(jìn)管隨著MOSFET技(jì)術的(dí)發展，其單管耐壓已(yǐ)經(jīng)大(dà)大(dà)提高(gāo)，zui高可以(yǐ)達到千伏以(yǐ)上，但是(shì)對許多特(tè)殊需(xū)求來說其(qí)電壓(yā)幅(fú)度是遠不夠的。脈(mài)衝(chōng)源(yuán)要(yào)求(qiú)的輸出脈衝(chōng)幅度(dù)要高(gāo)達到4 kV以(yǐ)上，因此需(xū)多(duō)個(gè)千(qiān)伏(fú)高壓(yā)場(cháng)效(xiào)應(yīng)管(guǎn)串(chuàn)連才能(néng)達到幅度要(yào)求。

多(duō)管(guǎn)串(chuàn)聯(lián)的需(xū)要解(jiě)決的問題(tí)是(shì)：由於(yú)各(gè)管(guǎn)的漏(lòu)電流不一(yī)致(zhì)導(dǎo)致串(chuàn)聯(lián)時(shí)分壓(yā)不(bù)一(yī)致，有些(xiē)管子可(kě)能超(chāo)過其額定(dìng)耐(nài)壓而損壞(huài);多(duō)管(guǎn)串(chuàn)聯時為了(liǎo)做(zuò)到一(yī)致驅動(dòng)，需要對每個管子實行“過”驅動(dòng)。要得到輸(shū)出(chū)脈(mài)衝的快前沿(yán)，必須對(duì)多管(guǎn)級(jí)連(lián)的每(měi)個管(guǎn)子的(dí)柵(zhà)源極(jí)間(jiān)實行電壓脈(mài)衝(chōng)過驅動。因此，多管串聯的柵極(jí)驅動(dòng)不(bù)能(néng)采用直(zhí)接(jiē)驅(qū)動，而(ér)隻能(néng)采取(qǔ)脈(mài)衝(chōng)變(biàn)壓器(qì)耦合驅動(dòng)柵(zhà)極的方式(shì)。高速多管串並聯(lián)的(dí)zui關鍵(jiàn)技(jì)術是具(jù)有體(tǐ)積(jī)小耐高壓和(hé)納秒(miǎo)級瞬間(jiān)大電流傳遞的驅(qū)動脈衝(chōng)變(biàn)壓(yā)器的研製。由於觸(chù)發脈衝要(yào)求有很(hěn)快(kuài)的前沿(yán)，因(yīn)此要求脈(mài)衝變(biàn)壓器的高頻(pín)響應的性能要好。此外(wài)，選(xuǎn)用MOSFET作為(wéi)高速高(gāo)壓(yā)脈衝源(yuán)的開(kāi)關要(yào)兼顧(gù)到(dào)功(gōng)率特(tè)性和開關特(tè)性，因為它(tā)們(mén)是互相製約的，由於(yú)管(guǎn)子的輸入電容很大(dà)，需(xū)要較(jiào)大能量才(cái)能驅動(dòng)，故(gù)對抗(kàng)電磁幹擾是有利的(dí)，但因(yīn)此需要大(dà)功率快(kuài)脈(mài)衝的驅動(dòng)，從而加大(dà)了研製難度，較易驅動(dòng)也是(shì)選(xuǎn)管的(dí)重(zhòng)要考慮(lǜ)因(yīn)素(sù)。選擇(zé)高壓雪(xuě)崩(bēng)三(sān)極管(guǎn)來產生(shēng)瞬間大(dà)電流來提高MOSFET的(dí)開關速度(dù)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電(diàn)路均由相同(tóng)的5路組(zǔ)成，每路後接脈衝變壓器分別驅動一個MOSFET。其仿真(zhēn)輸(shū)出(chū)波形(xíng)前沿(yán)約為1.4 ns，脈寬約為600 ns，幅度(dù)約(yuē)為(wéi)4 kV。

采(cǎi)用(yòng)多管串聯方法(fǎ)可(kě)以(yǐ)提高脈(mài)衝源的其(qí)輸出(chū)脈(mài)衝(chōng)幅度和功(gōng)率，從(cóng)而得(dé)到較(jiào)大(dà)的脈衝寬(kuān)度。值得(dé)注意(yì)的是(shì)：在多(duō)級(jí)串聯設計時應(yīng)避(bì)免柵(zhà)極(jí)間(jiān)電壓不能超過額(é)定(dìng)值(zhí)，漏(lòu)極(jí)電流(liú)不應超過額定峰值(zhí)電(diàn)流(liú)，否則(zé)會(huì)使(shǐ)管子損壞(huài)。多(duō)管(guǎn)串(chuàn)聯時(shí)由(yóu)於(yú)每個(gè)管子的漏電(diàn)流不(bù)同，因此當加(jiā)載高壓時會造(zào)成管子(zǐ)分(fēn)壓不致(zhì)，有些(xiē)管(guǎn)子漏源(yuán)之間(jiān)電(diàn)壓可能(néng)超過管子(zǐ)額定耐(nài)壓值，從(cóng)而導致該管損(sǔn)壞，引起(qǐ)連鎖(suǒ)反(fǎn)應導致(zhì)整(zhěng)路管子的損壞(huài)，因(yīn)此(cǐ)設計時(shí)除盡(jìn)量選擇漏電流一致(zhì)的管(guǎn)子(zǐ)外(wài)，在每(měi)管漏，源(yuán)之(zhī)間並聯大電阻(zǔ)，這(zhè)樣使各管(guǎn)分壓保持一(yī)致(zhì)，防止(zhǐ)各(gè)管因(yīn)分壓不(bù)均匀而損壞。

實驗電(diàn)路采(cǎi)用(yòng)5 kV高(gāo)壓場(cháng)效(xiào)應(yīng)管(guǎn)串聯(lián)分(fēn)別組(zǔ)成前沿(yán)充電組合開關，分(fēn)別成(chéng)形輸(shū)出脈(mài)衝的前沿(yán)，同時為達(dá)到較快的前沿(yán)速度(dù)，場效應(yīng)管柵極驅(qū)動源采(cǎi)用(yòng)高(gāo)壓雪崩(bēng)管(guǎn)加(jiā)脈(mài)衝(chōng)變壓(yā)器的(dí)“過(guò)”驅動方(fāng)法，脈(mài)衝(chōng)源(yuán)輸出(chū)負載為100 Ω的(dí)高壓電阻。根據電路原理(lǐ)圖設計(jì)電(diàn)路，搭建實驗平(píng)台，對各(gè)部分電(diàn)路進行(háng)實(shí)驗和測(cè)試。

實際脈衝(chōng)源輸(shū)出(chū)波(bō)形(xíng)幅度約4.3 kV，前沿(yán)時間小(xiǎo)於8 ns，脈衝寬度約(yuē)105 ns，晃(huǎng)動小於3 ns。達到了(liǎo)設(shè)計(jì)的(dí)要求。

4 結語(yǔ)

實(shí)驗結(jié)果表(biǎo)明：研製(zhì)出基於快(kuài)脈(mài)衝源符(fú)合(hé)高壓(yā)脈衝輸(shū)出500～4 000 V可(kě)調(tiáo)，前(qián)沿小(xiǎo)於10 ns，脈寬(kuān)大於(yú)100 ns，晃(huǎng)動(dòng)小於3 ns的(dí)技術(shù)指標(biāo)的高壓脈衝驅動源(yuán)，滿足(zú)了設計和使用的要求。