郭明安, 劉 璐, 郭耀軍, 嚴(yán) 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(yùn)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(diǎn)。監(jiān)測快脈沖輸出可準(zhǔn)確掌握曝光時(shí)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(jì)了一種高壓快門脈沖源，具有驅(qū)動簡單，體積小，前后沿時(shí)間短、輸出脈沖寬度可調(diào)節(jié)及監(jiān)測輸出等特點(diǎn)，適用于像增強(qiáng)器高速成像。

1 原理和關(guān)鍵理論值估計(jì)

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(fù)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(gè)阻值較高的限流電阻RI給蓄能電容器CR充電。當(dāng)高壓開關(guān)(high voltage switch，HVS)閉合時(shí)，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(fù)載電容CL等，充入到高壓電源中，然后由負(fù)載電阻RL和電容器CR決定放電電流和放電時(shí)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(fù)載電容和負(fù)載電阻上的電流之和。3種電容和負(fù)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(gè)初始的尖脈沖和一個(gè)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(shí)間(幅度從峰值的10%上升到90%的時(shí)間)，可表示為

(1)

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

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，前沿的峰值電流是這個(gè)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(shí)間為下降沿時(shí)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(jì)一個(gè)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(fù)載電容為2 pF，負(fù)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(jì)

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(dāng)電路施加電源時(shí)，一個(gè)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(dāng)輸入信號為高電平時(shí)(8～20 V)，IC1內(nèi)部一個(gè)VCC幅度的電壓加載在MOSFET的柵極，使之導(dǎo)通，C13通過等效負(fù)載放電，在等效負(fù)載上形成一個(gè)負(fù)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(gè)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(dāng)輸入回到0 V時(shí)，輸出保持在50 V，這樣在輸出端就形成一個(gè)+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(fù)載的限制，因此， 控制輸入信號的寬度不能大于C13的放電時(shí)間。

多個(gè)分離電阻并聯(lián)可減少串聯(lián)電感，短路和過載保護(hù)依靠R4-R8和R15-R19并聯(lián)組成的等效電阻。當(dāng)輸出電流升高時(shí)，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(fù)載引起的反向電壓。為安全起見，當(dāng)電路不工作時(shí)，C13的電荷可通過串聯(lián)電阻R14，R21，R24，R27泄放。

電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，首先要一個(gè)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(gè)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(gè)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(jìn)而保護(hù)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(fù)載50 Ω匹配。圖5為高壓脈沖源電路實(shí)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(shí)間、前后沿時(shí)間、晃動時(shí)間及固有延遲時(shí)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(fù)載輸出接16.5 Ω的大功率電阻，可采用多個(gè)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(jìn)示波器通道，與50 Ω的負(fù)載阻抗匹配。

3.1 觸發(fā)晃動時(shí)間測試

3.2 前后沿時(shí)間、晃動時(shí)間及固有延遲時(shí)間測試

利用示波器同時(shí)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(shí)間、上升沿時(shí)間、固有延遲時(shí)間(輸入上升沿與輸出下降沿之間的延遲時(shí)間及輸入下降沿和輸出上升沿之間的延遲時(shí)間)、輸出幅度和輸出寬度等參數(shù)自動測試功能。累計(jì)測試100次后，上升沿和下降沿、固有延遲時(shí)間及晃動時(shí)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(shí)間減去最小時(shí)間為前沿晃動時(shí)間，為2.398-2.187=0.211 ns，以上升沿的最大時(shí)間減去最小時(shí)間為后沿的晃動時(shí)間，為3.576-3.133=0.446 ns；以延遲時(shí)間的平均值為測試值，得到下降沿固有延遲時(shí)間為26.55 ns，上升沿固有延遲時(shí)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(shí)間差2.34 ns等于輸入信號寬度100 ns)，晃動時(shí)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(gè)RC放電電路，放電時(shí)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(fù)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(shí)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(dāng)輸出脈沖寬度在1 μs內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，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(shí)為止，這個(gè)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(dāng)輸出最小脈沖寬度為13 ns時(shí)，高壓脈沖源輸出的脈沖寬度為4.53 ns；當(dāng)信號源輸出的脈沖寬度為14 ns時(shí)，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(shí)的輸出波形。

當(dāng)脈沖電源的輸出開始與輸入有固定關(guān)系時(shí)，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(shí)輸出脈沖寬度稱為最小有效輸出脈沖寬度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)的觸發(fā)輸入信號的幅度為最小觸發(fā)閾。當(dāng)開始有輸出信號時(shí)，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(gè)通道接監(jiān)測輸出，阻抗匹配為50 Ω，另一個(gè)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(jì)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(shí)際輸出VPP為250 V，監(jiān)測輸出為6 V，實(shí)際測試的衰減倍數(shù)為41.7倍，與設(shè)計(jì)值相符。

4 結(jié)論

本文利用單片集成驅(qū)動和高壓MOSFET實(shí)現(xiàn)了帶監(jiān)測輸出的高速高壓脈沖源，適用于像增強(qiáng)器的高速成像，可很準(zhǔn)確地把握曝光時(shí)刻。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，包括電纜電容在內(nèi)的負(fù)載電容是高壓脈沖源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的一個(gè)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(fù)載上的分流電阻。今后的工作將致力于進(jìn)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(shí)間。