2kV高穩定度高壓脈沖電源設計

羅通頂,田 耕,杜繼業,阮林波,張雁霞,李顯寶,王 晶,李海濤

(西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西安 710024)

2kV高穩定度高壓脈沖電源設計

羅通頂,田 耕,杜繼業,阮林波,張雁霞,李顯寶,王 晶,李海濤

(西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西安 710024)

在一些光學精密儀器的應用場合中，不僅需要脈沖電源在時間上能夠提供精確的控制，而且需要具有高穩定度的輸出，以提高光電系統的探測性能;運用基于高壓開關的兩級式方法，采用單級高功率MOSFET開關結合具有高穩定輸出的直流電源的結構，設計了輸出輻度可達2kV的高穩定負脈沖電源;測試結果表明，在輸出脈沖寬度為8μs時，脈沖前沿約為48ns，系統延遲時間約為140ns，負脈沖超調參數約為1%。該系統具有結構簡單、可靠性高、高穩定性輸出等優點，可以為特定的光電器件提供優質的控制方式。

脈沖電源；高壓電源；固態開關；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閉，其時間精度能夠達到微秒級甚至納秒級，因而在瞬態成像或者高速測量領域具有廣泛的應用[1-4]。例如在高速成像儀器中，高壓脈沖電源作為像增強器的高速選通快門，能夠精確控制相機的曝光時間，因而能夠對納秒級事件進行觀測。而對于另外一些特殊的光電器件的使用，在捕捉感興趣的瞬態事件時，不僅需要高壓脈沖電源能夠精確控制光電器件的導通和閉合(即起到快門選通的作用)，而且需要能夠提供高穩定度的輸出，以降低電源帶來的噪聲，提高系統靈敏度、動態范圍等性能指標。目前，對于高速高壓快門的研究或者高精度的直流電源研究較多，而對于高穩定度的高壓脈沖電源的研究較少有報道。

本文針對某型特殊光電器件的應用需求，研制了2kV高穩定度高壓脈沖電源，該脈沖電源不僅具有快門的功能，即能精確控制光電系統導通和關閉，同時也能夠提供高穩定度的電源，因而能極大的提高光電系統的靈敏度和動態范圍等關鍵性能指標。另外，為了獲取2kV幅度的高壓脈沖電源，本文基于單個高功率MOSFET固體開關構建了脈沖成形電路，與多級固體開關串聯的方法相比，該方法能夠大幅的降低電路的復雜性，提高電路的穩定性。

1 高壓脈沖電源原理

常用的脈沖電源產生方法有兩種:基于儲能原件的充放電式方法和基于高壓開關的兩級式方法[5]?；趦δ茉某浞烹娛椒椒ㄊ紫葘δ茉M行長時間的充電，然后使其在短時間內放電，放電時間一般遠遠小于充電時間，最后實現能量在短時間內瞬間放出，從而達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，其脈沖精度難以實現精確的控制，脈沖參數難以實現精確的調節，并且由于電路恢復時間慢造成重復頻率低，因而應用范圍比較有限，主要應用高功率脈沖源設計[6-7]。

基于高壓開關的兩級式方法是采用一個直流高壓電源和一個高壓開關，通過高壓開關的閉合來實現脈沖的輸出。實現高壓開關常用的器件有閘流管(Thyratron)、晶閘管(Thyristor)、絕緣柵雙極型功率管(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應客(MOSFET)。開關性能對于脈沖電源的各項性能參數起決定作用。隨著固體開關在開關速度、耐壓和導通電流等性能上的提高，基于固態開關的脈沖電源設計成為了目前研究的主流。固體開關具有電路簡單、體積小、靈活性高、可實現任意波形輸出、工作壽命長等優點?；诠虘B開關的驅動方法非常簡單，只要提供一個低壓觸發信號例如5 V TTL開關控制信號，開關即可以工作在固定的脈寬下。MODFET的開關速度比IGBT快，通常用于制作高速開關。該類功率電子器件具有高速通斷能力、低觸發能量、脈寬可調的特性, 而且具有高重復頻率、脈寬可調、長壽命、可靠性高等優點。以前，受限于技術和工藝生產水平，單個功率電子器件的耐壓和電流有限, 只能應用于低壓快脈沖電源領域中。隨著半導體技術工藝水平的提高，單個功率MOSFET固體開關器件的耐壓水平、電流驅動能力、功率輸出等主要指標都有了極大的提高。為了獲取2kV幅度的高壓脈沖電源，本文基于單個高功率MOSFET固體開關構建了脈沖成形電路，與多級固體開關串聯的方法相比，該方法能夠大幅的降低電路的復雜性，提高電路的穩定性和精度。

基于固態開關的脈沖電源具有3種常用的電路拓撲結構，如圖1所示，它們分別產生不同需求的波形。圖1(a)為輸入正電源，輸出正脈沖；圖1(b)為輸入負電源，輸出負脈沖；圖1(c)為輸入正電源，輸出負脈沖。本文選擇圖1(c)實現了脈沖電源的產生。

圖1 常用脈沖電源電路拓撲結構圖

2 系統硬件設計

本文采用高穩定性直流電源作為高壓輸入，單個大功率固體MOSFET管作為開關的方式設計了高穩定度高壓脈沖電源。系統實現原理如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

脈沖成形級電路原理如圖3所示，該級主要由貯能電容、開關、負載組成。與傳統的晶閘管等相比，功率MOSFET管具有開關時間快等優點，隨著MOSFET設計技術的進一步提高，其耐壓有了顯著的提高，并且具有較高的可靠性，例如IXYS公司發布的功率MOSFET管耐壓值可達數千伏。本文基于單個IXYS公司的IXTK5N250器件構造的脈沖成形電路，該單管電路具有簡單可靠、易于集成和小型化設計的優勢[8]。

圖3 脈沖成形級電路原理

IXTK5N250單管極限耐壓值可達2 500伏，漏極電流

I

D

可達5安培，導通電阻

R

DS

(on)為8.8歐姆。圖3中Q1為IXTK5N250，當前端輸入為低電壓時，Q1關閉，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；當前端輸入為高電平時，Q1導通，C1通過放電回路1放電。

輸入級由電阻R1、R2和R3組成的π形網絡構成，主要實現兩個功能，一是用于觸發域的調節；二是用于與輸入信號的阻抗匹配，因為大多數信號的特性阻抗為低阻50Ω，而π形電阻網絡能夠很好的與其實現匹配。

圖4 輸入級電路圖原理

驅動級是提高MOSFET管開關速度以及輸出脈沖前沿陡峭程度的關鍵。MOSFET管的開關速度很大程度上受柵極驅動源的驅動能力的影響。在導通瞬間，為MOSFET提供的瞬態電流越大，則導通的延遲時間越小，因此，要提高MOSFET開關管的速度就要提高驅動電路的驅動能力：能夠提供較大的驅動電流、驅動電壓及具有較快前沿的驅動脈沖，并且驅動電路的輸出電阻應盡量小。本文選用IXYS公司的專用MOSFET驅動芯片IXDD409, 它能提供9A的驅動電流,輸出信號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的高壓電器PS350。PS350是專門針對實驗研究和測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定度和精確度，其穩壓率可達0.001%，精確率可達0.05%。PS350最高可輸出5 KV，是科學研究中非常理想的精密電源，在高精度實驗測試中具廣泛的應用。

3 Pspice電路仿真

利用Pspice 16.5工具對脈沖成形電路(如圖3)進行了功能仿真驗證。Q1為IXTK5N250，HV設定為2 kV，RS和RL設定為50 kΩ，C1設定為4.7 μF,輸入正脈沖寬度為5 μs，幅度為20 V。仿真結果如圖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快速開關特性決定的；(3)為了使輸出脈沖能在幾微秒時間內保持穩定而不產生大的偏移，選擇較大的電容和輸出電阻，加大了放電回路的放電時間，因此輸出脈沖寬度產生了一定程度的展寬。

圖5 功能仿真結果

4 測試結果與分析

利用示波器和1：1 000的高壓棒對實際電路進行了測試。觸發輸入脈沖寬度為7 μs，幅度為10伏。圖5中第1通道為輸出脈沖波形，第3通道為驅動級輸出波形，測量結果如下：(1)負脈沖輻度約為1960伏、后沿約為7 μs、寬度約為7.974 μs秒(略有展寬)；(2)驅動級輸出幅度約15伏。

圖6為觸發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，測得如下結果：(1) 系統的延遲時間約為140 ns；(2)輸出脈沖前沿約為48 ns；(3)負脈沖的幅值由超調參數給出，約為1%，約為20伏。

圖6 輸出波形與驅動級輸出波形

5 小結

本文基于單個功率MOSFET固體開關器件和高精度直流電源構建了一種高穩定性高壓脈沖電源，用于產生脈沖寬度為2～10微秒的脈沖，達到如下指標：輸出波形為負極性脈沖、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。該系統具有結構簡單、穩定可靠、精度較高的優點，可以為特定的光電器件提供優質的控制方式。

圖7 前沿波形時間放大圖

[1] 毛久兵, 王 欣, 唐 丹,等. 低抖動納秒高壓脈沖源研究[J]. 原子能科學技術, 2013, 47(5):888-892.

[2] 杜繼業, 宋 巖, 羅通頂,等. 像增強器高速選通脈沖發生器[J]. 現代應用物理, 2013, 4(3).

[3] 羅通頂, 郭明安, 杜繼業,等. 遠程控制高時間分辨多通道脈沖發生器設計[J]. 計算機測量與控制, 2015, 23(8):2921-2923.

[4] 王雅麗, 毛曉惠, 邵 葵,等. HL-2A脈沖高壓電源測量系統的設計與應用[J]. 計算機測量與控制, 2011, 19(9):2095-2097.

[5] 黃燕華. 可調脈沖電源的研制[D]. 大連:大連理工大學, 2006.

[6] 王慶峰, 高國強, 張政權,等. 緊湊型可重復運行的高功率納秒脈沖源[J]. 強激光與粒子束, 2009, 21(6):956-960.

[7] 劉錫三. 高功率脈沖技術[ M ] . 北京: 國防工業出版社, 2005.

[8] IXYS,Advance Technical Information,IXTK5N250 (DS100280)[Z].

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。

國家自然科學基金資助項目(11605141,11305129);國家重點實驗室基金(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