王亞杰 何鵬軍 荊曉鵬 鐵維昊 田 川 趙程光

(西安電子工程研究所 西安 710100)

接收/發(fā)射技術(shù)

基于DSRD陡前沿固態(tài)脈沖源研制

王亞杰 何鵬軍 荊曉鵬 鐵維昊 田 川 趙程光

(西安電子工程研究所 西安 710100)

本文對(duì)比了不同種類(lèi)開(kāi)關(guān)在脈沖功率源技術(shù)中的應(yīng)用，介紹了半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)漂移階躍恢復(fù)二極管(DSRD)的工作原理，建立了DSRD工作電路仿真模型，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，研制了一臺(tái)基于DSRD半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的亞納秒脈沖功率源，輸出電壓2kV、脈沖前沿680ps，可以穩(wěn)定工作200kHz高重頻下。

亞納秒；漂移階躍恢復(fù)二極管；高重頻；固態(tài)脈沖源

0 引言

隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，亞秒級(jí)脈沖功率源在超寬帶雷達(dá)、激光驅(qū)動(dòng)、材料改性和低溫等離子體研究等方面具有廣泛的應(yīng)用前景?；跉怏w開(kāi)關(guān)的脈沖功率源特點(diǎn)是功率大，應(yīng)用廣，但是因氣體介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間限制，一般最高重復(fù)頻率為1kHz，且脈沖源使用壽命受到電極燒蝕的限制；采用磁壓縮技術(shù)研制的脈沖功率源重復(fù)頻率可達(dá)到幾十kHz，不足之處是脈沖前沿最快為10ns左右；半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)主要分為斷路開(kāi)關(guān)與閉合開(kāi)關(guān)，斷路開(kāi)關(guān)利用電感儲(chǔ)能，開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)刻經(jīng)過(guò)換路將電感能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載上，在負(fù)載上產(chǎn)生高壓脈沖等于電感上的瞬時(shí)電壓，如漂移階躍恢復(fù)二極管(Drift-Step-Recovery Diode，DSRD)；閉合開(kāi)關(guān)利用電容儲(chǔ)能原理，在閉合時(shí)刻將電容能量對(duì)負(fù)載放電產(chǎn)生陡脈沖前沿，如硅雪崩銳化器(silicon-avalanche shaper，SAS)。其中DSRD單個(gè)器件的耐壓值為500-2000V，輸出脈沖前沿可以達(dá)到600-800ps；SAS單個(gè)器件的耐壓值為2000-4000V，銳化前沿為100-300ps[1]。SAS的輸出需要一個(gè)陡脈沖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一般采用DSRD的輸出作為SAS的驅(qū)動(dòng)脈沖，對(duì)DSRD的輸出脈沖進(jìn)行進(jìn)一步的銳化。這兩種開(kāi)關(guān)的工作重復(fù)頻率最高可以達(dá)到MHz，一般可以穩(wěn)定工作在200-500kHz。

1 DSRD工作原理

DSRD是一種快速關(guān)斷開(kāi)關(guān)， 典型DSRD結(jié)構(gòu)為p+-n-n+結(jié)構(gòu)，如圖1所示。DSRD先流過(guò)正向泵浦電流，在正向泵浦電流作用下在其pn結(jié)區(qū)域產(chǎn)生電子-空穴對(duì)載流子，此時(shí)DSRD保持正向?qū)?，?dǎo)通壓降很低；然后給DSRD快速提供一個(gè)反向泵浦電流，此電流一般要比正向電流大很多，DSRD的pn結(jié)區(qū)域載流子在反向電流作用下快速?gòu)?fù)合消失，當(dāng)載流子完全消失時(shí)DSRD關(guān)斷，在負(fù)載上產(chǎn)生陡前沿脈沖。DSRD截?cái)鄷r(shí)間為400ps-2ns，輸出脈沖前沿為亞ns，器件恢復(fù)時(shí)間小于1μs，具有MHz重頻工作能力。俄羅斯約飛所應(yīng)用DSRD研制出多種脈沖源，包括前沿600ps、幅值2kV、工作頻率1MHz的PPG2/1000與前沿4ns、幅值15kV、工作頻率3.2kHz的NPG15/2000及前沿0.9ns、幅值80kV、工作頻率1kHz的NPG80等多款產(chǎn)品；以色列Yavne核研究中心研制出前沿小于1ns、幅值6KV固態(tài)脈沖源。國(guó)內(nèi)西北核技術(shù)研究所研制了一套前沿680ps、幅值2kV、工作頻率200kHz的脈沖源[2]。

為了保證DSRD工作在正、反電流泵浦條件下，一般需要兩個(gè)回路，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)回路快速切換。傳統(tǒng)DSRD驅(qū)動(dòng)模式如圖(a)所示，L1與L2為儲(chǔ)能電感，C1、C2為儲(chǔ)能電容，首先儲(chǔ)能電容充電不同極性電壓， S2首先閉合，C2經(jīng)過(guò)L2產(chǎn)生震蕩電流I2正向泵浦DSRD；當(dāng)流過(guò)DSRD電流第一次為零時(shí)S1閉合，C1經(jīng)過(guò)L1后產(chǎn)生反向泵浦電流I1。此時(shí)I1與反向的I2共同反向泵浦DSRD，在1/4振蕩周期后DSRD中載流子消失而關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)DSRD的泵浦條件[3]；(b)采用一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)正負(fù)電流的切換，實(shí)現(xiàn)DSRD正反泵浦條件。兩者相比較，(a)需要兩路正負(fù)電源供電，且需要兩路開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)延時(shí)決定了輸出抖動(dòng)較大；(b)只需要一路開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)換流，控制驅(qū)動(dòng)更加容易且更加穩(wěn)定[4-5]，其原理圖如圖所示

根據(jù)圖2(b)DSRD工作原理，設(shè)計(jì)固態(tài)脈沖源的系統(tǒng)框圖如圖所示

固態(tài)脈沖源由供電單元、觸發(fā)單元、驅(qū)動(dòng)單元和脈沖產(chǎn)生單元組成。供電單元提供整個(gè)功率源的能量輸入，觸發(fā)單元提供一個(gè)TTL觸發(fā)電平，控制脈沖源的頻率，驅(qū)動(dòng)單元為開(kāi)關(guān)管快速導(dǎo)通與關(guān)斷提供驅(qū)動(dòng)，脈沖產(chǎn)生單元包括DSRD與儲(chǔ)能電感，形成脈沖輸出。

2 DSRD仿真

為了研究DSRD工作過(guò)程，采用Pspice建立脈沖源仿真電路圖，如圖所示

觸發(fā)信號(hào)用方波源V3代替，其脈沖寬度為ΔT。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)Q截止，C2上電壓為ΔU=V1-V2；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通，C2經(jīng)過(guò)L2、DSRD回路振蕩，對(duì)DSRD進(jìn)行正向泵浦，L1上產(chǎn)生線(xiàn)性增加的電流

(1)

當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)Q關(guān)斷，L1上的電流被換流至L2回路對(duì)DSRD反向泵浦，當(dāng)DSRD載流子完全消失時(shí)DSRD關(guān)斷，在負(fù)載上產(chǎn)生高壓脈沖。脈沖幅值與負(fù)載阻值、電感電流相關(guān)，脈沖前沿與DSRD的關(guān)斷時(shí)間有關(guān)，脈沖寬度與L/R有關(guān)[6]。仿真輸出波形如圖所示

改變觸發(fā)信號(hào)脈沖寬度與C2兩端壓差ΔU可以對(duì)脈沖源輸出進(jìn)行優(yōu)化。觸發(fā)信號(hào)寬度決定正向泵浦持續(xù)時(shí)間與電感L1上電流上升的大小。觸發(fā)信號(hào)脈沖寬度過(guò)短時(shí)，正向泵浦電流持續(xù)時(shí)間短，在DSRD的PN結(jié)產(chǎn)生的載流子數(shù)量少，導(dǎo)致反向泵浦時(shí)DSRD容易關(guān)斷，在負(fù)載上產(chǎn)生的電壓過(guò)低；觸發(fā)信號(hào)脈沖寬度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，DSRD正向泵浦產(chǎn)生的載流子在此期間復(fù)合， DSRD沒(méi)有工作在最佳狀態(tài)。圖6(a)為改變觸發(fā)信號(hào)脈沖寬度時(shí)流過(guò)DSRD的電流波形。

調(diào)整C2兩端的壓差ΔU可以改變正向泵浦電流的大小。保證V1電壓不變的前提下，V2電壓越低，C2兩端壓差就越大，正向泵浦電流就越大，如圖6(b)所示

為了保證脈沖源各個(gè)器件穩(wěn)定工作，對(duì)開(kāi)關(guān)管Q并聯(lián)電容C1。當(dāng)觸發(fā)脈沖從高電平變成低電平時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管Q的電流瞬間減小，在開(kāi)關(guān)管兩端產(chǎn)生很高的正向電壓。C1對(duì)正向電壓有限壓作用，但C1過(guò)大會(huì)影響DSRD泵浦電流。對(duì)C1的取值進(jìn)行仿真，如圖7所示

通過(guò)比較可知，C1選值過(guò)小對(duì)正向過(guò)沖電壓的限制作用很小，隨著C1的增加正向過(guò)充電壓逐漸降低，振蕩周期逐漸增加。因?yàn)檫x擇的電容C1取值很小，采用電容電阻并聯(lián)限壓的方式對(duì)正向過(guò)沖電壓沒(méi)有效果。

隔直電容C3作用是隔離負(fù)載，保證電容C2右端電壓穩(wěn)定在V2，從而保證壓差ΔU穩(wěn)定。圖8對(duì)不同的C3選值進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果可知C3取值過(guò)小對(duì)輸出有分壓作用，導(dǎo)致輸出幅值偏低，前沿變緩。一般C3選擇4nF以上能夠保證負(fù)載上得到波形與DSRD輸出波形基本無(wú)變化。

3 實(shí)驗(yàn)研究

采用中國(guó)電子集團(tuán)第十三研究所DSRD器件搭建實(shí)驗(yàn)電路，接地極有散熱銅片。如圖9所示

該電路板包括供電單元、觸發(fā)單元、驅(qū)動(dòng)單元與脈沖形成單元。該DSRD參數(shù)為：正向?qū)妷篤F=8V；反向漏電流IR=1mA；反向脈沖電壓VR=2kV；脈沖前沿TR≤800ps；重復(fù)頻率f=100kHz[7]。采用IXYS公司生產(chǎn)的RF開(kāi)關(guān)管DE475-102N21A，漏源電壓VDS=1000V，漏源電流IDS=24A，其專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IXRFD630。觸發(fā)采用外控方式，輸入為T(mén)TL電平信號(hào)，脈寬可調(diào)范圍40-100ns。脈沖源實(shí)物圖如圖10所示

當(dāng)V1=100V、V2=60V時(shí)，觸發(fā)頻率為500kHz時(shí)，輸出電壓波形如圖11所示

圖11中，輸出電壓幅值為1.85kV，脈沖前沿700ps，半高寬1.57ns，單個(gè)脈沖能量經(jīng)積分為115μJ，當(dāng)重復(fù)頻率為500kHz時(shí)，輸出能量為57.5J。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用半導(dǎo)體斷路開(kāi)關(guān)DSRD研制了一臺(tái)亞納秒前沿、重復(fù)頻率500kHz的高壓脈沖源，利用仿真技術(shù)建立了固態(tài)脈沖源原理圖，采用了單開(kāi)關(guān)工作的方法，利用開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)DSRD的正反電流泵浦。分析了在不同觸發(fā)脈沖寬度下，反向泵浦電流變化的特性及流過(guò)DSRD泵浦電流特性，分析了回路電容C2兩端壓差ΔU對(duì)正向泵浦電流的影響。分析了開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容C1取值對(duì)開(kāi)關(guān)管正向過(guò)沖電壓的限壓作用，也分析了負(fù)載隔直電容C3選擇對(duì)輸出結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)影響電路性能的參數(shù)的仿真分析，得到了參數(shù)選擇的依據(jù)。下一步利用SAS對(duì)脈沖輸出進(jìn)行進(jìn)一步銳化，得到前沿為300ps以?xún)?nèi)的脈沖輸出。

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DevelopmentofDSRDbasedSolid-StatePulsedGeneratorwithSteepRise-Time

Wang Yajie, He Pengjun, Jing Xiaopeng, Tie Weihao, Tian Chuan, Zhao Chengguang

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Application of different diodes in pulsed power generator technology is compared, operation principle of semiconductor drift-step-recovery diode (DSRD) is introduced, simulation model of DSRD circuit is built, and simulation analysis to the circuit parameters is conducted. A sub-nanosecond pulsed power generator based on DSRD semiconductor diode is developed, its output voltage is 2kV, rise-time is 680ps and it can operate stably at high repetition frequency of 200kHz.

sub-nanosecond; drift-step-recovery diode (DSRD); high repetition frequency; solid-state pulsed generator

2007-06-21

王亞杰(1986-)，男，工程師。主要研究方向?yàn)槊}沖功率源技術(shù)與應(yīng)用。

TN95

A

1008-8652(2017)03-050-05