基于功率MOSFET的高压纳秒脉冲源研究

等各寄生参数及前后驱动脉冲时间间隔对脉冲前后 沿影响的资料较少。本文研究以固态器件功率 MOSFET 为核心的阻性负载高压脉冲源，主要针对阻性负 载以及影响输出脉冲前后沿的各因素进行研究，利用 Pspice 仿真软件辅助分析，并通过实验对理论以及仿 真分析进行验证。最终得到了脉宽 10 ～ 5 000 ns 可 调、前沿 5 ns、后沿 8 ns 左右的脉冲输出。实际输出 结果很好的满足了对钝感火工品电安全性的测试。
一般固态快脉冲源大多采用雪崩晶体管、阶跃管 来设计，其输出脉冲幅度较高且可以达到快前沿，但
脉冲功率技术能够实现对电能在时间和空间 上的压缩，并 在 极 短 时 间 内 以 极 大 的 功 率 进 行 释 放，从而产生很多极端的物理环境，在军事、工业上 催生出较多的应用［1-8］。如在一些钝感火工品电安 全性试验 中 需 要 应 用 到 上 升 沿 和 下 降 沿 均 小 于 20 ns，脉冲幅度 300 V 左右的电压脉冲源。
这些器件存在电流驱动能力弱且输出脉宽较窄的缺 点。虽然可以通过级联来提高输出功率，如 Marx 发 生器电路，但提高有限且会增加电路的复杂性、降低 电路的可靠性。为克服以上这些缺点，一般采用金属 氧化物半导体场效应晶体管（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET） 作为脉冲源开 关器件。其以高重复频率、寿命长和易于驱动等优点
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电子测量与仪器学报 JOUＲNAL OF ELECTＲONIC MEASUＲEMENT AND INSTＲUMENTATION
DOI： 10． 13382 / j． jemi． 2015． 12． 016
Vol. 29 No. 12 2015 年 12 月
基于功率 MOSFET 的高压纳秒脉冲源研究
0． 6 Ω。
3． 2 开关时序对输出脉冲波形的影响
电路中负载为 50 Ω 电阻，所以前后沿驱动脉 冲时间间隔的不同对输出脉冲的影响比较大。实 际高压脉冲发生器高压输入到上级 MOSFET 漏极 之间以及负载到下级 MOSFET 漏极之间不可避免 的会引入各种寄生电感，这两处的寄生电感会对纳 秒输出脉冲波形产生影响，为了达到更接近实际测 量系统的 仿 真 结 果，在 仿 真 中 增 加 这 两 处 寄 生 电 感。分 3 种情况进行分析，仿真原理图如图 4 所 示，其中 V1 为直流可调高压电源，L1 为高压输入到 M1 的引线电感及 M1 漏极寄生电感之和，L2 为和 负载连接三端到 M2 漏极之间引线电感及 M2 漏极 寄生电感之和。触发脉冲源 V2 、V3 之间重叠时间 为 t1 ，死区时间为 t2 。
式中： gm 是跨导，ＲL 是负载电阻。功率 MOSFET 一
般具有 高 速 开 关 能 力，经 常 被 用 作 高 频 开 关 使
用［15］。当稳态电流 IL 流过时，其开启时间以及关断
时间可由下式给定：
ton
=
（ Vds － Vf ） Ｒg Cgd Vgs_app － Vgp
（ 2）
( ) toff
= Ｒg Cgd
Vds － Vf Vgp
（ 3）
式中： Vds是 MOSFET 关断状态下其漏源两端电压，
Vf 是满载电流流过时 MOSFET 漏源端压降，Ｒg 包 括 MOSFET 栅极寄生电阻以及栅驱动电压源串联
的电阻，Vgs_app 是栅极驱动电压，Vth 是 MOSFET 的阈
值电压，Ids为 MOSFET 导通时流过漏源极的电流。
夏 涛 吴云峰 王胜利 戴 磊 胡波洋 郑天策 苗 玲
（ 电子科技大学能源科学与工程学院 成都 611731）
摘 要： 为进行钝感火工品电安全性测试，对一种以 MOSFET（ 金属氧化物半导体场效应晶体管） 为开关元件的纳秒双快沿脉冲源 进行分析与实验研究。简要介绍其结构的基础上，着重从高压场效应管的开关机理、推挽 MOSFET 动作时序以及主要寄生参数对 输出脉冲波形影响等几方面来详细分析提高高压纳秒脉冲源输出脉冲特性的方法和途径。实验结果表明，该脉冲源可以产生脉 冲上升沿约为 5 ns、下降沿约为 8 ns，幅值 300 V 左右的准方波脉冲，性能指标满足钝感火工品的电安全性试验的要求。 关键词： 功率 MOSFET； 纳秒级前后沿； 驱动时序； 电路寄生参数 中图分类号： TN78 文献标识码： A 国家标准学科分类代码： 470． 40
图 3 MOSFET 开关模型 Fig． 3 MOSFET switching model
功率 MOSFET 的开关速度主要由其栅极输入 电容的充放电速度限制［15］。由于米勒效应，栅漏
间电容 Cgd被放大，故 MOSFET 等效输入电容为：
Cin = Cgs + （ 1 + gmＲL） Cgd
（ 1）
Abstract： For electrical safety testing of insensitive pyrotechnics，an analysis and experimental research of a pulse
generator with nanosecond pulse edge of a switch element which was based on the metal-oxide-semiconductor field-
Keywords： metal-oxide-semiconductor type field effect transistor（ MOSTFET） ； nanosecond grade pulse edges； drive
timing； circuit parasitic parameter
1引言
图中前后沿成形开关均由高压 MOSFET 组成， 其原理图如图 2 所示［14］。电路中 MOSFET 构成推 挽结构，外接触发脉冲经相应电路产生间隔脉冲控 制 MOSFET 导通与关断。
图 2 脉冲输出电路 Fig． 2 Circuit of pulse output
图 2 中 V1 为直流输入电源，Ｒ0 为限流电阻，ＲL 为 50 Ω 负载电阻，C1 为储能电容，C2 为负载等效电 容，M1 和 M2 为高压 MOSFET，V2 和 V3 分别为 M1 和 M2 的驱动脉冲源。开始时，M1 和 M2 均处于截止状 态，V1 通过 Ｒ0 给电容 C1 充电，此时 C2 上电压为零。 当 V2 触发脉冲来临，M1 快速导通，此时 M2 仍处于 截止状态，C1 通过 M1 给 C2 快速充电，使其电压快 速达到电源电压 V1 ，形成较快波形上升沿。当负载 上电压达到电源电压时，其上电压不再增加，在 M1 导通、M2 截止的时间内保持不变，从而形成一定宽 度的平顶。达到所需脉冲宽度时，给 M2 触发脉冲， 使其快速导通，从而使 C2 上的电压通过 M2 快速泄 放到零，得到一个较快的下降沿。输出脉冲的宽度 取决于前后沿触发脉冲间隔［14］（ 前后触发脉冲死 区时间不能过大，否则会出现 M1 已经关断，而 M2 尚未开通，C2 通过负载电阻放电，从而达不到快后
电流；
3） 栅极驱动电压要高于 MOSFET 阈值电压，
关断时最好提供负的栅源电压；
4） 驱动电流幅值要足够大，电流波形最好为
尖波。
最终 选 中 IXZＲ16N60，其 栅 极 寄 生 电 阻 为
1 Ω，Cgd 为 20 pF。选 择 专 用 MOSFET 驱 动 芯 片 DEIC420，它 提 供 最 大 电 流 为 20 A，输 出 电 阻
effect transistor（ MOSFET） is presented． On the base of briefly introducing its structure，the methods and approa-
ches to improve the output characteristics of pulse generator of nanosecond level are analyzed through the switch
time about 8 ns． Overall the performance of the nanosecond pulse power supply can satisfy the demands of experi-
mentally researching of Insensitive Pyrotechnics electrical safety testing．
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沿） 。
3 影响输出脉冲波形因素分析
3． 1 MOSFET 开关机理及其驱动要求
功率 MOSFET 是压控元件。随着栅源电压 Vgs 的升高，导电沟道中载流子迅速增多，当其达到导 通阈值电压 Vgs（ th） 时，载流子急速增多，使 MOSFET 漏源极导通； 之后当 Vgs 减小到小于 Vgs（ th） 时，载流 子急速减少，从而导致 MOSFET 漏源极关断。Cgs 为栅源电容，Cgd 为栅漏极电容，Cds 为漏源极电容。 在 MOSFET 导通期间，漏源之间的导通电阻 Ｒds 很 小，一般小于几欧姆，在 MOSFET 关断期间漏源之 间相当于电容。N 沟道增强型 MOSFET 的开通过 程其实 就 是 向 它 的 输 入 电 容 充 电 过 程。 MOSFET 开关模型如图 3 所示。
收稿日期： 2015-07 Ｒeceived Date： 2015-07
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基于功率 MOSFET 高压纳秒脉冲源研究
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而运用广泛。当电压或电流太大时，可以通过半导体 开关的串并联和其他技术来解决，因此半导体固体开 关拥有较好的应用前景［9-11］。如西安交通大学孟国栋 等人［12］利用 MOSFET 研制的 10 kV 重复频率方波脉 冲源，其脉冲前沿达到 80 ns、后沿为 320 ns； 中国工程 物理研究院流体物理研究所丁明军等人［13］利用 MOSFET 研制的 5 kHz 重复频率氢闸流管触发系统，其脉 冲前后沿均大于 20 ns 且脉宽较窄； 中国工程物理研 究院电子工程研究所王欣等人利用两个高速高压 MOSFET 分别形成脉冲前后沿的方法在容性负载上 得到脉冲前后沿 5 ns 左右的高压脉冲源［14］。然而这 些研究文献中所研究的高压脉冲源大多是基于单开 关脉冲成形，其输出脉冲波形很难达到对前后沿小于 20 ns 的要求，而文献［14］中的双开关分别形成脉冲 前后沿的方法针对的是容性负载，且这些文献中针对 脉冲成形的资料较多，但详细分析器件以及 PCB 布线