張超 陳煥紅 劉雪峰 石志成 張艾

雙級(jí)升壓高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

張超1陳煥紅2劉雪峰1石志成1張艾1

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 北京軒宇信息技術(shù)有限公司，北京 100190）

電光調(diào)Q是獲取高峰值功率激光脈沖的有效手段，傳統(tǒng)單一脈沖變壓器升壓存在電光調(diào)Q電壓調(diào)整范圍受限、高壓脈沖上升時(shí)間過長等問題。文章通過雙級(jí)升壓方式進(jìn)行了高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電光調(diào)Q電壓高幅值和高速率的需求。其中一級(jí)升壓采用反激式變換器原理，輸出幅值可調(diào)的一級(jí)高壓，擴(kuò)展了電壓調(diào)整范圍；二級(jí)升壓采用馬克思（Marx）發(fā)生器原理，通過電壓倍增的方式輸出二級(jí)高速高壓脈沖信號(hào)。該設(shè)計(jì)電路與激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源的聯(lián)試結(jié)果顯示：通過調(diào)整反饋偏置直流工作點(diǎn)，使一級(jí)反激式變換器升壓輸出范圍在150～550 V，二級(jí)Marx發(fā)生器升壓輸出范圍1 500～4 000 V，高壓脈沖上升時(shí)間小于30 ns；相比于傳統(tǒng)單一變壓器控制方法，調(diào)Q電壓輸出的范圍更寬，增幅近1 000 V；高壓脈沖上升時(shí)間更短，僅為23～28 ns。試驗(yàn)證明雙級(jí)升壓設(shè)計(jì)能夠?yàn)殡姽庹{(diào)Q晶體提供調(diào)整范圍更寬的高速率驅(qū)動(dòng)高壓，進(jìn)而獲得高峰值功率的激光脈沖。

激光測距 電光調(diào)Q 反激式變換器 馬克思發(fā)生器 雙級(jí)升壓

0 引言

隨著空間探測技術(shù)的發(fā)展，激光器在天基主動(dòng)成像、空間激光通信、空間激光雷達(dá)、激光精密測繪等應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注[1-3]。電光調(diào)Q因具有輸出脈寬窄、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是獲取高峰值功率激光輸出的有效手段[4-5]。

目前，實(shí)現(xiàn)電光調(diào)Q高壓高速脈沖輸出通常采用脈沖變壓器控制方法[6-8]。傳統(tǒng)脈沖變壓器法原理是通過供電電源對(duì)脈沖變壓器源邊電容進(jìn)行儲(chǔ)能，當(dāng)接收到控制觸發(fā)脈沖信號(hào)后，開關(guān)器件變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，對(duì)脈沖變壓器源邊電容儲(chǔ)存的能量快速釋放，進(jìn)而在脈沖變壓器副邊感生出瞬態(tài)高壓脈沖[9-11]。這種傳統(tǒng)的單一脈沖變壓器升壓方式的控制電路較為簡單，但是對(duì)脈沖變壓器性能以及供電電源要求比較苛刻[12]。升壓性能受限于變壓器線圈，并且在脈沖變壓器規(guī)格確定后，若想輸出電壓范圍可調(diào)的高壓脈沖，需要調(diào)整供電電壓幅值，對(duì)供電電源要求較高，這意味著輸出電壓的可調(diào)范圍在一定程度上受到限制[13-14]。此外普通鐵氧體環(huán)形磁芯構(gòu)成的變壓器產(chǎn)生的高壓脈沖上升時(shí)間為50～100 ns，脈沖前沿緩慢[15]。

為解決傳統(tǒng)單一脈沖變壓器升壓存在電壓調(diào)整范圍受限、高壓脈沖上升時(shí)間過長、升壓方式對(duì)脈沖變壓器性能以及供電電源要求過于依賴等不足，本文采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）作為電光調(diào)Q開關(guān)器件，利用MOSFET電壓可調(diào)范圍寬、開關(guān)速度快、工作頻率高等特性[16]，設(shè)計(jì)了基于反激式變換器與Marx發(fā)生器的兩級(jí)升壓電路。在MOSFET關(guān)斷和導(dǎo)通瞬間，對(duì)一級(jí)反激式變換器進(jìn)行單端反激升壓，通過升壓偏置點(diǎn)設(shè)置，有效調(diào)整一級(jí)輸出電壓范圍，降低對(duì)供電電源要求。二級(jí)Marx發(fā)生器進(jìn)行儲(chǔ)能電容級(jí)聯(lián)放電，由于發(fā)生器內(nèi)部高儲(chǔ)能密度、低電感電容器的特性[17-19]，可以保證輸出脈沖的上升時(shí)間。相比同類型產(chǎn)品，雙級(jí)升壓調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單且控制方便，內(nèi)部所用器件電氣性能滿足航天器元器件降額標(biāo)準(zhǔn)，并且綜合考慮了硬件電路的電磁兼容與工藝防護(hù)等問題。輸出的高速率驅(qū)動(dòng)高壓脈沖能夠改變激光器腔體的Q因子，使腔內(nèi)的光子數(shù)量獲得雪崩式的增加，最終產(chǎn)生高峰值功率的激光脈沖。

1 設(shè)計(jì)架構(gòu)

雙級(jí)升壓高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖1所示，由一級(jí)反激式變換器升壓電路、二級(jí)升壓觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、二級(jí)Marx發(fā)生器升壓電路組成。一級(jí)反激式變換器升壓電路根據(jù)激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源輸出的控制信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，輸出一級(jí)高壓電；二級(jí)升壓觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路接收一級(jí)高壓電，并結(jié)合激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源提供的觸發(fā)脈沖，輸出晶體管開關(guān)信號(hào)；二級(jí)Marx發(fā)生器升壓電路接收一級(jí)高壓電，并結(jié)合晶體管開關(guān)信號(hào)，輸出調(diào)整范圍為1 500～4 000 V的二級(jí)高壓脈沖信號(hào)，為激光器腔體內(nèi)部的電光調(diào)Q晶體提供幅值可調(diào)的調(diào)Q驅(qū)動(dòng)高壓。

圖1 雙級(jí)升壓高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 一級(jí)反激式變換器升壓電路

一級(jí)反激式變換器升壓電路主要由脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制芯片、DA集成芯片、運(yùn)算放大器、MOSFET、反激式變壓器構(gòu)成，具體組成如圖2所示。該電路通過PWM控制芯片U1進(jìn)行雙閉環(huán)控制，首先由采樣電阻R0兩端電壓作為電流內(nèi)閉環(huán)進(jìn)行反饋，然后反激輸出的一級(jí)高壓電經(jīng)升壓偏置點(diǎn)調(diào)理后，作為電壓外閉環(huán)進(jìn)行反饋，從而提升電壓和負(fù)載調(diào)整率。U1輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET K0的導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)K0關(guān)斷瞬間，由反激式變壓器T0進(jìn)行反激升壓。為實(shí)現(xiàn)調(diào)Q電壓1 500～ 4 000 V的輸出范圍，綜合下一級(jí)升壓電路能力，將激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源提供的+15 V電壓反激升壓至150～550 V。整流二極管D0（2CZ0112）耐壓值為1 200 V，能夠滿足降額設(shè)計(jì)要求。

圖2 一級(jí)反激式變換器升壓電路組成

為實(shí)現(xiàn)一級(jí)反激式變換器升壓電路輸出的高壓1程控可調(diào)，采用反饋偏置直流工作點(diǎn)的方式對(duì)其進(jìn)行150～550 V的電壓調(diào)整，達(dá)到調(diào)Q高壓的輸出范圍要求。圖2中時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)由激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源提供，對(duì)DA集成芯片U2進(jìn)行控制。在輸出一級(jí)高壓1反饋通路中，增加運(yùn)放U3A來調(diào)整輸出電壓。將U2輸出電壓和一級(jí)輸出高壓1進(jìn)行綜合邏輯處理，產(chǎn)生的電壓信號(hào)FB輸入給PWM控制芯片U1作為電壓外閉環(huán)進(jìn)行反饋，即以主動(dòng)調(diào)整反饋強(qiáng)度的方式來調(diào)整PWM信號(hào)占空比，從而達(dá)到一級(jí)高壓輸出范圍可調(diào)。

2.2 二級(jí)升壓觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

二級(jí)升壓觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路主要由高速驅(qū)動(dòng)芯片、MOSFET、脈沖變壓器、穩(wěn)壓二極管和儲(chǔ)能電容構(gòu)成，如圖3所示。在MOSFET K9關(guān)斷時(shí)，利用耐高壓電容C2和C3進(jìn)行充電儲(chǔ)能；在MOSFET K9導(dǎo)通時(shí)，C2和C3中的電荷迅速釋放，在脈沖變壓器T1和T2的源邊產(chǎn)生感生電流，進(jìn)而在副邊激勵(lì)生成正向電壓，保證MOSFET K1～K8同步開啟。副邊正向電壓通過穩(wěn)壓二極管D1～D8進(jìn)行保護(hù)，防止K1～K8的柵源間壓差過大損傷器件。

圖3 二級(jí)升壓觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路組成

為減小電路規(guī)模，實(shí)現(xiàn)電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路的微型化，T1和T2采用1拖4小型化脈沖變壓器，源邊與各副邊匝數(shù)比為1﹕1﹕1﹕1﹕1。選擇合適的C2和C3規(guī)格，充電時(shí)滿足儲(chǔ)能需求，放電時(shí)保證副邊激勵(lì)電壓能夠使MOSFET可靠導(dǎo)通。調(diào)Q二級(jí)高壓上升時(shí)間短，對(duì)開關(guān)器件的開啟速度、耐壓值都提出了很高的要求。選擇的MOSFET其漏源極耐壓值可達(dá)1 000 V，導(dǎo)通時(shí)間小于30 ns，抗電離總劑量（TID）能力≥300 krad(Si)，抗單粒子效應(yīng)（SEE）的線性能量傳輸（LET）閾值≥90 MeV·cm2/mg，能夠滿足調(diào)Q二級(jí)高壓電路要求。在MOSFET K9高速導(dǎo)通瞬間，K9門級(jí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的瞬時(shí)峰值電流需求很大，但是開啟后的電流需求卻很小，傳統(tǒng)OC門形式的電路結(jié)構(gòu)在接收高速觸發(fā)脈沖后易產(chǎn)生信號(hào)畸變而失真，因此選擇高速驅(qū)動(dòng)芯片U4，其峰值驅(qū)動(dòng)電流、灌電流都能達(dá)到3 A，具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，并且其抗電離總劑量（TID）能力≥100 krad(Si)，抗單粒子效應(yīng)（SEE）的線性能量傳輸（LET）閾值≥75 MeV·cm2/mg，滿足器件抗輻照指標(biāo)要求。二級(jí)升壓觸發(fā)信號(hào)通過U4輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制K9高速導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)保證K1～K8的高速同步通斷。

2.3 二級(jí)Marx發(fā)生器升壓電路

二級(jí)升壓采用8階Marx發(fā)生器電路（如圖4所示），考慮硬件電路的電磁兼容與工藝防護(hù)問題，該發(fā)生器電路分為兩組進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)MOSFET K1～K8關(guān)斷時(shí)，一級(jí)高壓1對(duì)儲(chǔ)能電容C4～C11進(jìn)行充電，C4～C11兩端的電壓值均為1；當(dāng)K1～K8導(dǎo)通瞬間，利用MOSFET的高速和同步性能，使儲(chǔ)能電容C4～C11進(jìn)行級(jí)聯(lián)放電，放電路徑繞過電阻R12～R28。其中第一組Marx發(fā)生器電路輸出的二級(jí)高壓正電壓H+相對(duì)QGND的電壓為+750～+2 000 V，第二組Marx發(fā)生器電路輸出的二級(jí)高壓負(fù)電壓H–相對(duì)QGND的電壓為–2 000～–750 V。這種設(shè)計(jì)方式從電氣安全間距防護(hù)等問題上更利于實(shí)現(xiàn)電路的微小型設(shè)計(jì)，并且可有效減弱高壓信號(hào)電磁干擾的影響。H+和H–分別接到激光器腔體內(nèi)部的電光調(diào)Q晶體兩端，以實(shí)現(xiàn)高速的1 500～4 000 V二級(jí)高壓輸出。

圖4 二級(jí)Marx發(fā)生器升壓電路組成

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路的性能指標(biāo)，搭建了系統(tǒng)控制鏈路試驗(yàn)測試平臺(tái)。電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路接收激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源提供的供電電壓、控制信號(hào)以及觸發(fā)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載為激光二極管泵浦固體Nd：YAG激光器。用示波器監(jiān)測一級(jí)反激式變換器升壓電路和二級(jí)Marx發(fā)生器升壓電路相關(guān)信號(hào)波形，包括一級(jí)反激式變換器升壓電路中PWM控制芯片U1的PWM輸出、一級(jí)升壓電路輸出高壓1、激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源輸出的觸發(fā)脈沖以及二級(jí)Marx發(fā)生器升壓電路輸出的調(diào)Q電壓，其中調(diào)Q電壓的測量通過1 000︰1高壓衰減探頭進(jìn)行測量。1 500 V調(diào)Q電壓的測試波形以及局部放大波形如圖5和圖6所示。

圖5 調(diào)Q電壓1 500 V測試波形

圖6 調(diào)Q電壓1 500 V測試波形局部放大

從圖5和圖6中可以看出，控制芯片U1的PWM輸出占空比較低，一級(jí)升壓電路輸出高壓1接近190 V，在接收到激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源1ms的觸發(fā)脈沖后，調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路輸出調(diào)Q電壓1 500 V，上升時(shí)間23 ns。

通過激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源提供的控制信號(hào)，對(duì)一級(jí)升壓偏置點(diǎn)調(diào)理電路直流工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)Q電壓4 000 V時(shí)的測試波形以及局部放大波形如圖7和圖8所示。

圖7 調(diào)Q電壓4 000 V測試波形

圖8 調(diào)Q電壓4 000 V測試波形局部放大

由圖7和圖8可以看出，控制芯片U1的PWM輸出占空比已經(jīng)較高，一級(jí)升壓電路輸出高壓1達(dá)到500 V，在接收到激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源1ms的觸發(fā)脈沖后，調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路輸出調(diào)Q電壓4 000 V，上升時(shí)間28 ns。

針對(duì)上述測試發(fā)現(xiàn)，在帶載情況下，雙級(jí)升壓高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路能夠輸出調(diào)整范圍為1 500～ 4 000 V的高壓脈沖信號(hào)，脈沖上升時(shí)間小于30 ns，優(yōu)于激光測距系統(tǒng)要求的50 ns技術(shù)指標(biāo)，并且比傳統(tǒng)單一脈沖變壓器升壓方式快了約40 ns。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于反激式變換器與Marx發(fā)生器的雙極升壓電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路，并與激光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行了聯(lián)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)Q電壓可調(diào)輸出范圍達(dá)到1 500～4 000 V，高壓脈沖上升時(shí)間為23～28 ns。相比于傳統(tǒng)單一變壓器控制方法，電壓輸出的范圍增幅近1 000 V，脈沖上升時(shí)間減小近40 ns。該調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路針對(duì)二極管泵浦固體Nd：YAG激光器測試，激光器輸出的單脈沖能量和寬度穩(wěn)定，性能優(yōu)越，可控性強(qiáng)。設(shè)計(jì)的雙級(jí)升壓高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，所選器件具備相應(yīng)抗輻照指標(biāo)，并滿足航天器元器件降額等標(biāo)準(zhǔn)要求，適用于航天領(lǐng)域。電路的輸出電壓調(diào)整范圍寬、上升時(shí)間短，滿足激光測距系統(tǒng)對(duì)激光器的指標(biāo)要求，具有一定工程實(shí)用價(jià)值。

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Design of a High Speed Electro-Optic Q-Switch Driver Circuit by Double Stage Boost

ZHANG Chao1CHEN Huanhong2LIU Xuefeng1SHI Zhicheng1ZHANG Ai1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Sunwise Information Technology Ltd., Beijing 100190, China）

Electro-optic Q-switch is an effective means to obtain laser pulseswith high peak power. The traditional single-pulse transformer has shortcomings such as limited voltage adjustment range and long rise time of high-voltage pulse. In this paper, the requirement of high amplitude and high speed for the electro-optic Q-switch voltage is realized by means of double-stage boost. The first stage boost uses the principle of flyback converter, and the voltage output can be adjustable, thus effectively extending the voltage adjustment range. The second stage boost uses the principle of Marx generator, and the second stage high-voltage pulse signal is outputby voltage multiplication. The experimental results show that by adjusting the operating point of the feedback bias DC, the boost output rangesfor the double stages are respectively 150～550 V and 1 500～4 000 V, and the rise time of high-voltage pulse is less than 30 ns. Compared with the traditional single transformer control method, the range of Q-switch voltage output is wider, with an increase of nearly 1 000 V. The rise time is shorter, with nearly 40 ns reduced. The double-stage boost design can provide a high speed drive voltage with a wider adjustment range for the electro-optic Q-switch crystal and then obtain laser pulses with high peak power.

laser ranging; electro-optic Q-switch; flyback converter; Marx generator; double stage boost

TN242；TN835

A

1009-8518(2023)05-0065-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.008

2022-11-14

張超, 陳煥紅, 劉雪峰, 等. 雙級(jí)升壓高速電光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(5): 65-71.

ZHANG Chao, CHEN Huanhong, LIU Xuefeng, et al. Design of a High Speed Electro-Optic Q-Switch Driver Circuit by Double Stage Boost[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 65-71. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）