利用MOSFET实现高电压固态加法脉冲发生器的模拟幅度调制

1.实验条件

基于MOSFET的加法脉冲发生器已经发展为脉冲调制器在带电粒子束领域的应用。在一些实例中，需要使用快速输出电压脉冲的幅度调制。感应加法堆中利用附加单元从冲击输出脉冲中增加或抽取电压，即可完成快速冲击电压调制。现已经发展出两种脉冲调制方法，数字调制方法依赖于一些加法单元，每个单元按要求给冲击电压脉冲幅度增加一个固定的电压电平；模拟调制方法依赖于一些模拟抽取单元，每个单元从冲击输出电压幅度抽取瞬时变化电压。应用于模拟抽取单元的功率MOSFET阵列的栅极驱动电压，决定了模拟单元抽取电压的瞬时变化。图3-33能够更容易地解释模拟调制单元的工作。

图3-33 有调制单元的4个加法单元

图3-33给出了有4个加法单元的感应加法堆和1个模拟调制单元。如果忽略在图3-33顶端的模拟调制单元，4个加法单元的功能能够更好的解释，该单元的加法功能能够通过磁心的变压器效应来完成。每个磁心含一次侧和二次侧，一次侧单元（磁心与MOSFET相连的一端）是并联连接在一起，二次侧是串联连接在一起。当加法单元的栅极开通时，V电动势通过每个加法单元的一次侧和二次侧，从而导致了4V的脉冲电压加在负载电阻R上。二次侧电流为4V电压除以负载R，一次侧电流二为次侧电流大小加上磁心电流。如果电容C_s的大小足够大，脉冲产生时会有个小的电压降，而产生一个矩形的输出电压脉冲。如果加上图3-33中第5个单元的模拟调制电路，加法电路的操作将会发生改变。如果模拟MOSFET保持关断，负载阻抗R_a就会和负载R并联在一起。负载R上的电压就会减小为V_Load＝｛R_Load／（R_Load＋R_a）｝4V。

实际上，输出负载电压的一部分已经被抽取出来。如果将模拟调制MOSFET的门极完全打开，电流会从电阻R_a中分流出去，R_a上的电压下降，输出电压存储在负载R上。如果模拟调制MOSFET的门极只是部分打开，R_a上的电压只有部分加在R上。因此，通过调节模拟调制MOSFET的门极电压来调制电流，可以调制感应加法器的输出电压幅度。模拟调制的概念虽然简单，但需要足够的脉冲和载流能力才能成功。

2.实验测试

（1）初始化测试 初始化测试包括选取确定合适的MOSFET和形成实际的高带宽，表面贴装，以集成电路为基础的MOSFET栅极驱动电路，目的是找到有50MHz带宽的功率MOSFET。测试中，MOSFET与25Ω的电阻并联，一个200V、150ns的脉宽应用于25Ω的电阻和MOSFET的漏极到源极。当应用于200V脉冲系统时，需要给MOSFET的栅极加一电压脉冲。栅极电压包括4～5V脉冲电平和3V峰间电压的放大方波，频率为25、35和50MHz。25Ω电阻上的电压决定了MOSFET调制电压的表现，6个不同厂家的8个备选MOSFET以此种方式进行测试，最合适的测试设备是应用于先进电源技术领域中的ARF446和ARF449A。其额定值分别为900V／6.5A和450V／9A。然而，在所有的测试中可以清晰的看到，ARF449A有最好的频率响应。

初始MOSFET测试的栅极驱动电路是钢管调制器电路控制栅极的前置放大器。该设备是一个100MHz带宽的线性放大器，可以提供＋15V的输出电压和源极达到20A的驱动电流。这个栅极驱动电路从价格和大小上讲是不实际的，图3-34给出了一个比较实际的以集成电路为基础的MOSFET栅极驱动电路。

图3-34 线性栅极驱动

这个电路驱动模拟调制MOSFET的栅极，产生5.4A的峰值驱动电流，以及最大栅极上升电压4.5V／ns和3.0V／ns，分别对应于ARF449A和ARF446。选用任意一个波形发生器用于驱动输入电路。在选用的设备和栅极驱动电路确定以后即可开始MOSFET的栅极电流调制测试。

（2）MOSFET的电流调制测试 MOSFET漏电流调制测试是在ARF449A利用图3-35中电路进行的。

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图3-35 电流调制测试电路

这个图给出了与ARF449A串联的0.8μF的储能电容（充电至425V）和12.3Ω的负载电阻，负载电阻限制了电路的最大电流为32A。测试的目的是确定ARF449A有能够达到几十安培电流的电流调制能力。当漏电流上升至1～2A或是更大时，ARF449A工作在速度饱和机制下。这种工作模式导致ARF449A的漏电流线性依赖于栅源电压减去阈值电压，各种栅极驱动电压波形应用于调制电路电流和负载电压。通过ARF449A的电流从370～100ns呈正弦曲线变化的上升、下降、上升、再下降。图3-36和图3-37给出了栅极电压和漏极电流的波形，证明利用ARF449A可以很好地完成电流调制。

图3-36 50MHz的正弦曲线调制

图3-37 斜升斜降调制

（3）第3步测试 与图3-33中排列类似，5单元加法器电路用于测试模拟调制的概念。4个模拟调制MOSFET的安装用于电路的初始化测试，模拟调制MOSFET总共有80A的调制能力。输出5单元加法器的输出负载为22.5Ω。4个加法器单元工作在充电电压能够使应用于22.5Ω负载上的电压在1600～2000V序列的条件下。图3-38给出了模拟调制器的漏电压和5单元加法器输出电压，对应的20MHz方波应用于栅极驱动电路的输入。

并联调制电路从4个增加到9个，增加了电流调制能力。加法器单元的充电电压增加以获得2800～3000V的输出脉冲，负载电阻减小为17.3Ω。图3-39给出了20MHz方波的重复测试，可以看到加法器输出脉冲中的完整抽取电压。然而，由于负载阻抗的减少，时间常数L／R的影响效应更为明显。模拟调制电路对130A的开关进行转换，频率为20MHz。该模拟调制电路转换130A能够达到30MHz，但是由感应堆栈形成的低通滤波器和负载电阻能够阻止任何超过20～25MHz的有效调制。

图3-38 低电流20MHz方波测试

图3-39 高电流20MHz方波测试

注：Ch1为MOSFET漏电压（100V／div），Ch2为5单元加法器负载电压（500V／div）。