基于功率MOSFET的激光器外触发系统研制

2.3 功率MOSFET器件及其驱动电路选择
图3为功率MOSFET器件的工作原理电路示意图。图3(a)中，RG和CGS是影响MOSFET导通延时的主要参数；漏栅极电容CGD是造成开关动作过程中栅极电压受干扰的主要参数；漏源极电容CDS是影响关断时间的主要参数。MOSFET器件转换过程有2个：导通转换和关断转换。导通转换过程的漏源电压VDS、漏极电流iD、栅源电压VGS和与栅极电流iG随时间t的变化关系如图3(b)所示。导通转换过程分成4个阶段，各个阶段分别是：

(1)t₀～t₁阶段：栅极驱动电流iG对CDS和CGS充电，使CGS上的电压从0上升到MOSFET导通阈值V_GS(th)。
(2)t₁～t₂阶段：栅源电压V_GS继续以指数规律上升，超过MOSFET导通阐值VGS(th)达到Va，在V_GS超过V_GS(th)后，漏极电流开始增长，并达到最终的输出电流Io。在这一过程中，由于电压与电流重叠，MOSFET功耗最大。
(3)t₂～t₃阶段：从t₂时刻开始，MOSFET漏源电压V_DS开始下降，引起从漏极到栅极的密勒电容效应，使得V_GS不能上升而出现平台，在t₃时刻漏源电压下降到最小值。
(4)t₃～t₄阶段：在这一区间栅源电压V_GS从平台上升到最后的驱动电压。上升的栅压使漏源电阻R_DS(on)减小，t₄以后MOSFET进入导通状态。
MOSFET器件的截止转换过程与上面的过程相反。由上面的分析可知对栅极驱动电路的要求主要有：
(1)驱动信号的脉冲前、后沿都要陡峭。
(2)对功率MOSFET栅极的充放电回路时间常数要小，以提高功率MOSFET器件的开关速度。
(3)驱动电流为栅极电容的充放电电流，驱动电流要大，才能使开关波形的上升沿和下降沿更快。
选用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲线图可得：在V_DS=15 V、V_GS=12 V时，总栅极电荷Q_G≈3.7 nC，则栅极电容C=Q_G/V_GS=3.7 n_C/12 V≈0.3 nF=300 pF。
MOSFET导通和截止的速度与MOSFET栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET栅极电容、导通和截止时间与MOSFET驱动器的驱动电流的关系可以表示为：
d_T=(dV×C)/I
式中，d_T是导通/截止时间，d_V是栅极电压，C是栅极电容(从栅极电荷值)，I是峰值驱动电流(对于给定电压值)。
IRLML2803导通/截止时间是4 ns，则I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驱动电流为0.9 A，同时还需要考虑在MOSFET驱动器和功率MOSFET栅极之间使用的外部电阻，这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流，所以选择峰值输出电流大于0.9 A的驱动器。系统中采用的是4.5 A高峰值输出电流的同相驱动器TC4424A，经实验验证满足快上升沿信号输出要求。
3 测试结果与分析
3.1 触发信号光纤传输转换测试
激光器外触发系统采用光纤传输和收发技术，由于其本身是由绝缘材料制成，所以具有很好的高电压隔离能力，同时还具有很强的抗干扰能力，多路光纤信号传输的同步性也非常好，满足对信号高压隔离和同步性的要求。
图4为激光器外触发单元产生的信号波形图。图4(a)、图4(b)中通道2均显示的是工作频率50Hz的激光器闪灯触发信号（前者是输出个数为50的脉冲序列，后者是单个输出脉冲），它在控制信号产生单元内由PC机编程产生，经脉冲变压器隔离、电/光转换、光纤传输处理输入至触发单元，再经过光/电转换、功率晶体管驱动放大，由高耐压脉冲变压器隔离输出至激光器，其上升时间Tr在200 ns以内，主要是由脉冲变压器的输出上升时间确定。

图4(a)、图4(b)中通道1均为激光器普克尔盒触发信号(显示方式同通道2)，工作频率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信号产生单元内信号生成方式同闪灯触发信号，不同的是在触发单元内经过功率MOSFET及高速MOSFET驱动器成形等处理，最终生成实测上升沿小于5 ns的脉冲信号。
实验中测得激光器闪灯触发信号、普克尔盒触发信号脉宽均为160 μs，后者较前者滞后约250 μs，两者均可调，并且普克尔盒触发信号的输出频率也可调，满足激光器的使用要求。
3.2 激光器外触发工作对功率源的影响
低抖动高功率重复频率主开关系统是功率源同步控制系统的研制核心和难点。为了实现脉冲功率源同步系统的低抖动工作，首先对系统工作过程中的抖动来源进行分析。同步系统的工作流程如下：激光器外触发系统产生一个快上升沿的信号送到激光器，激光器产生脉冲激光注入激光开关，激光开关闭合，形成线通过感应叠加模块对二极管放电，产生电子束。在这个过程中，可能产生以下的抖动：
(1)激光器外触发系统电路抖动J1。抖动来源于传输线路及转换线路中的芯片延时不同和芯片本身的抖动，该抖动经实测小于2 ns；
(2)激光器抖动J2。抖动来源于激光器的工作过程，在快前沿信号(t_r≤5 ns)触发下激光器抖动小于3 ns。
(3)激光开关抖动J3。抖动来源于激光触发产生等离子体放电的物理过程，设计指标为小于5 ns。
图5为脉冲功率源中4路感应叠加模块合成负载波形，重复频率25 Hz，负载为平面二极管，图中为25个波形的重叠（通道1为二极管电流信号波形，通道2为二极管电压信号波形）。由此证明：采用激光器外触发系统，负载输出波形的一致性较好，重复频率25 Hz工作时开关抖动低，满足设计要求。