基于功率MOSFET的激光器外触发系统研制

为了推动微波功率合成技术的发展，需要开展多路同步输出的脉冲功率源开关关键技术研究，以实现电子束精确同步(同步抖动≤10 ns)，源输出波形一致性好，满足负载工作要求。在气体开关的各种触发方式中，激光触发开关是减少开关延迟时间和时间抖动的一种比较理想的开关。气体介质的激光开关，时延可达到1 ns～2 ns，其时间抖动可达到亚纳秒量级[1]。因此，单路脉冲功率源主开关采用吹气式激光触发气体火花开关，要求其开关抖动≤5 ns，重复频率为50 Hz。
在两路脉冲功率源的同步输出实验中，触发控制系统是保证源正确有效合成的关键。控制系统一方面产生两台源正常运行的工作时序，同时通过同步考虑的设计，控制激光触发开关产生触发信号，达到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好及所需驱动功率小而且驱动电路简单的特点，所以采用MOSFET来设计激光触发器的外触发控制系统。
1 系统结构及工作原理
图1为激光触发脉冲功率源同步控制系统结构框图，单台源均采用德国InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，将触发信号分成多路，分别控制单元开关导通。激光触发系统工作原理为：两路脉冲功率源的储能单元充电到设定值，控制系统根据目标位置设定两台源的触发时间间隔，分别发指令到两台源的激光触发系统，触发系统产生激光注入主开关，控制两组主开关各自击穿，初级能源系统储存的电能通过开关向负载馈送。

激光器对外触发系统的设计参数要求如下：
(1)产生闪灯触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽
≥100 μs，工作频率50 Hz，负载50 Ω；
(2)产生普克尔盒触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽≥100 ?滋s，脉冲上升沿≤5 ns，负载50 Ω，工作频率50/N(N=1，2，…，50)。该信号与闪灯信号之间延时可调；
(3)外触发电路、激光器和脉冲功率源之间采取隔离和屏蔽等抗干扰保护措施，确保触发系统在功率源高压大电流强辐射的恶劣环境中正常工作。
2 理论设计与分析
激光器外触发系统由控制信号产生和控制信号触发2部分组成，二者之间通过普通多模光纤(工作波长为820 nm)进行连接。其中，控制系统工作参数设置(如工作频率和工作次数等)、控制信号产生、输出信号隔离及转换(电/光)等功能在控制信号产生单元内实现，它位于操作者所在的工作区；放置于脉冲功率源激光器侧的是控制信号触发单元，完成通过光纤传输而来的输入信号转换(光/电)、放大、快上升沿信号形成以及隔离触发输出等功能。
2.1 控制信号产生单元设计
控制信号产生单元分为2部分：
(1)脉冲触发信号发生器。用于产生控制功率MOSFET器件、功率晶体管工作的脉冲触发信号，具有输出脉冲的个数、脉宽及频率可调的能力，输出为TTL电平。采用工业PC，内置NI定时/计数卡PCI-6602，利用LabVIEW开发系统编制计算机人机界面，设置工作参数，编程产生激光器外触发工作所需的控制信号。其中PCI-6602提供8路32 bit源频率80 MHz的定时/计数通道，输出脉冲信号上升沿实验测试在10 ns左右；
(2)光纤隔离电路。用于隔离TTL电平的触发信号和功率MOSFET的输出电压，具有响应快、不失真的特点。光纤发送器件选用HFBR-1414，其带宽可达5 MHz，满足脉宽为数百?滋s的触发脉冲信号传输要求。
2.2 控制信号触发单元设计
控制信号产生单元分为4部分：
(1)光/电转换电路。采用HFBR-2412光纤接收器件，将通过多模光纤传输至控制信号触发单元的光信号转换为TTL电信号。
(2)功率MOSFET驱动/功率晶体管驱动电路，前者用于将低电平的TTL信号提升到可以用来驱动功率MOSFET器件的电平，以产生脉冲上升沿≤5 ns的激光器普克尔盒触发信号。后者用来产生闪灯触发信号。
(3)功率MOSFET器件。MOSFET（金属氧化物半导体场效应管)是一种电压控制型的器件，由于MOSFET是正温度系数，所以可避免温度持续上升而使器件损坏。同时由于它的导通电阻在理论上没有上限值，因此导通时的能量损失可以非常小。其优点是：具有非常快的导通和关断能力(ns量级)；非常低的触发能量；能工作在高重复频率下(MHz量级)；使用寿命长(平均109次)；高效率、脉宽可以调节(输出由输入触发信号决定)。经选择采用IR公司的功率MOSFET器件――IRLML2803，它的漏源极击穿电压VDSS为30 V，直流电流ID为1.2 A，脉冲下最大输出电流为7.3 A，导通延时时间Td(on)为3.9 ns，关断时间Toff为9 ns。
(4)电源部分。采用锂电池组提供给光纤隔离电路和功率MOSFET驱动电路所使用的低压电源。它配装有专用保护板，具有过充、过放、过压、欠压、过流短路及反接保护功能，进一步保证电池组控制部分的安全工作。这样有效地消除了触发单元与前级控制信号产生单元及后级功率源高压工作回路因电源共地而可能产生的高压击穿等危险因素。
如图2所示，变换后的TTL电平经整形、功率MOSFET/功率晶体管驱动、脉冲变压器隔离输出至激光器。为了保证触发单元的正常工作，在其输出至激光器之前需加入高耐压(5 kV)脉冲变压器进行电气隔离。