大電流脈沖恒流源

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1、全國第三屆特種電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集大．電流脈沖恒流源于治國，馮莉，張繼昌(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621900)摘要：本文介紹了一種電容通過開關(guān)放電獲取恒流脈沖的裝置。它能為O．5Q的負(fù)載提供40A～100A電流，脈寬0．51as一-51as可調(diào)，脈沖前沿小于lOOns。其使用了功率MOSFET來為滿足大電流、快前沿且可控的要求，并構(gòu)建了兩種低阻抗傳輸線來滿足阻抗匹配。關(guān)鍵詞：脈沖恒流；功率MOSFET；低阻抗傳輸線引言脈沖恒流源在超導(dǎo)體、氣囊引爆管和充氣機(jī)、熔斷器、炸藥、激光二極管以及各種半導(dǎo)體等的測試中有廣泛的應(yīng)用。脈沖恒流源也是輻射熱測量計(jì)的配套設(shè)備1，它

2、的負(fù)載由鎳或金薄金屬膜組成。當(dāng)被x射線照射時(shí)，負(fù)載溫度變化。由于阻值和溫度存在較好的線性關(guān)系，阻值會(huì)相應(yīng)變化。當(dāng)通過40A--一IOOA的恒流脈沖時(shí)，負(fù)載電壓會(huì)發(fā)生明顯變化，根據(jù)電壓的變化可以得到阻值的變化，最終可推算出x射線照射到負(fù)載上沉積的能量。限制脈寬小于51．ts可以減小電流對負(fù)載做功對測量結(jié)果的影響并保護(hù)負(fù)載不被燒毀。多年前國外已經(jīng)開展脈沖恒流源的研究，也出現(xiàn)了一些較成熟的產(chǎn)品，但由于應(yīng)用的場合不一致，一般輸出電流較小或脈沖寬度寬或前沿較慢，部分實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品能滿足需求(美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室有類似產(chǎn)品)，但無購買途徑。為滿足科研工作的需要，我們開展脈沖恒流技術(shù)方面的

3、研究。1工作原理脈沖恒流源輸出的恒流脈沖由電容放電形成，其原理圖如圖1所示。直流電源通過限流電阻尺對電容C充電，電容C通過開關(guān)M對負(fù)載甩放電。電容C放電時(shí)回路電阻主要由三部分構(gòu)成：開關(guān)管導(dǎo)通內(nèi)阻足D鼬n)、電流參考電阻Jk和負(fù)載電阻甩。它們存在以下關(guān)系：％玲晚+％洲(1)冠和如鼬n)發(fā)生的微小變化A[RL+RD蜘)】相對于Rra'+RL+RDs(on)n-fff忽略不計(jì)，因此輸出電流的變化AIo也可以忽略不計(jì)，輸出電流局基本維持不變。只要選擇的儲(chǔ)能電容足夠大，就能滿足平頂下垂的要求。脈沖電流幅度由電容C的充電電壓控制，脈沖寬度由開關(guān)M導(dǎo)通時(shí)間決定。蜀和礦構(gòu)成充電回路的反饋網(wǎng)絡(luò)。

4、曼I：舳晰)幸2王予量。Gsl圖l脈沖恒流源原理圖圖2功率MOSFET及驅(qū)動(dòng)電路原理圖2方案設(shè)計(jì)2．1開關(guān)器件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)電容放電形成恒流脈沖的結(jié)構(gòu)中，開關(guān)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有特殊重要的作用，它不僅決定了裝置的輸出特性，甚至是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。我們使用的功率開關(guān)器件有三個(gè)特點(diǎn)：電流大、速度快且可控。如今所應(yīng)有的開關(guān)種類很多，但多數(shù)門極不可控，即一旦觸發(fā)就不能關(guān)斷，如氫閘流管、晶閘管、真空放電開關(guān)、氣體開關(guān)、雪崩管等；功率IGBT的前后沿在微秒級(jí)且導(dǎo)通延遲和關(guān)斷延遲時(shí)間差異大；134全國第三屆特種電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集金屬陶瓷微波管結(jié)構(gòu)及外圍電路復(fù)雜；電子管電流小，可能有工作電流大的電子管，但

5、其體積大，外圍電路繁瑣。功率場效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)具有開關(guān)速度快、高頻特性好、導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、SOA寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點(diǎn)，非常適合本方案的需要。圖2為功率MOSFET及驅(qū)動(dòng)電路原理圖。功率MOSFET作為高頻功率電路的功率開關(guān)使用時(shí)，對于一個(gè)箝位感性負(fù)載，當(dāng)穩(wěn)態(tài)電流IL流過時(shí)，其開啟時(shí)間由下式給出wtf：，亟；堡監(jiān)竺鯉訂(2)。陟，G一妒，T+，L／g。月其中蠔是電源電壓，詐是MOSFET的開態(tài)壓降，如是柵驅(qū)動(dòng)電壓源串聯(lián)的電阻，COD是MOSFET柵．漏寄生電容，％是柵極驅(qū)動(dòng)電壓，巧是MOSFET閾值電壓，

6、gm是MOSFET跨導(dǎo)。功率MOSFET的開關(guān)速度受其輸入電容的沖放電速度限制，選擇璺鏟160nC。在選定功率MOSFET的情況下，我們一般通過減小柵極電阻忍和提高驅(qū)動(dòng)電壓％的辦法來提高開通速度。柵極電壓源串聯(lián)電阻由三部分組成：Ra=如．皿+RG儺+％(3)其中風(fēng)融是固有的內(nèi)部柵極電阻，颶嘲是柵極外部串聯(lián)電阻，如是驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗。選擇輸出阻抗小的驅(qū)動(dòng)電路并減小風(fēng)眥非常重要。最終我們采用了圖騰柱結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路，這種電路結(jié)構(gòu)能提供很大的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)有較快的前、后沿。為減小輸出阻抗，我們在驅(qū)動(dòng)電路的電源和地之間并聯(lián)放置一對阻抗曲線互補(bǔ)且ESR(等效串聯(lián)電阻)和ESL(等效

7、串聯(lián)感抗)小的旁路電容。在減小RG的同時(shí)我們必須注意回路中分布電感L的影響，由柵極電阻如、分布電感工和MOSFET輸入電容ci站構(gòu)成的RLC串聯(lián)電路會(huì)出現(xiàn)零輸入響應(yīng)的欠阻尼情況，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前后沿會(huì)出現(xiàn)過沖、下沖及振蕩，導(dǎo)致誤開通及誤關(guān)斷。所以必須保證：％>21]'-L／Ca,。(4)另外，為保證功率MOSFET快速開關(guān)，需要驅(qū)動(dòng)電路在很短時(shí)間內(nèi)提供很大的脈沖電流，根據(jù)楞次定律：RG≥2廂(5)這會(huì)在電感上感應(yīng)出較大的電壓。為減小電感，我們選用了表面安裝的射頻MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及射頻功率MO