应用兆赫兹脉冲功率发生器中的功率MOSFET技术

高功率半导体开关单元在重复脉冲功率放电领域发挥着越来越重要的角色，其中，功率MOSFET为典型器件。近年来，新概念的高能量粒子加速器的设计提出了增加粒子束流的使用规模。在这种情况下，兆赫兹量级的脉冲功率发生器是很有必要的，对应需要的输出电压和电流分别为10kV和100A。为了达到这种脉冲功率的输出，MOS-FET堆体被认为是最合适的开关单元。

本例实验中，建立了一个MOSFET开关堆体的测试单元，目的是检测该单元在兆赫兹工作环境下的开关转换能力。实验结果在给70Ω的负载以5kV电压高频脉冲的突发模式下测得。表3-2显示的是实验中MOSFET的各项性能。为了增加电压和电流承载能力，实验中的MOSFET采取8个串联和6个并联的形式。图3-27显示了一个6只MOSFET并联的模块电路。触发信号通过光纤传递给每一个模块，高速驱动器IC_s用作控制MOSFET的门极电位。MOSFET经仔细挑选以保证其响应时间的差别减到最小。图3-28显示了8个该模块的串联。以上描述的堆体MOSFET电路用作开关单元，给负载（阻抗为70Ω）提供高重复率和高电压的脉冲（图3-29为测试电路）。当MOSFET单元在脉冲控制下开关转换时，电容器起到了能量存储的作用。

表3-2 MOSFET的特性

图3-27 6只MOSFET模块图

图3-28 串联模块图

图3-30给出了漏源电压和负载电流，MOSFET工作在2.1MHz的爆发模式下。MOSFET开关单元很好地控制了负载电流，峰值电压达到了75A。值得注意的是，电压电流峰值的缓慢减少都是由电容器存储电荷降低而引起，直流电源和重复率为2.1MHz的负载功率传递无法匹配。图3-31和图3-30中的波形相同，但取自不同的时间尺度。从图3-31中可以看到，负载上脉冲的脉宽大约为240ns，上升时间和下降时间分别为33ns和43ns。

(www.xing528.com)

图3-29 实验测试电路图

由MOSFET开关单元产生的总的能量损耗可以通过电压和电流波形计算出来，如图3-32所示。开关能量损耗主要发生在开通和关断过程，大约为6mJ／pulse。在此实验环境下，传递给负载的电能大约为94mJ／pulse，从而可以获得大约为94％的能量传递效率。然而，在开关单元中6mJ／pulse的能量沉积也意味着12kW的功率沉积（重复率为2MHz）。因此，由于在这个时间内没有冷却效果可以产生，MOSFET单元只能够工作在突发模式下。

图3-30 漏源电压U_DS和负载电流I_D的波形图

图3-31 不同时间尺度下的波形

图3-32 功率沉积（P_loss）和能量沉积（E_loss）