基于功率MOSFET的激光器外觸發(fā)系統(tǒng)研制
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在兩路脈沖功率源的同步輸出實(shí)驗(yàn)中，觸發(fā)控制系統(tǒng)是保證源正確有效合成的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)一方面產(chǎn)生兩臺(tái)源正常運(yùn)行的工作時(shí)序，同時(shí)通過(guò)同步考慮的設(shè)計(jì)，控制激光觸發(fā)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，達(dá)到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有單極型、電壓驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好及所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以采用MOSFET來(lái)設(shè)計(jì)激光觸發(fā)器的外觸發(fā)控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1為激光觸發(fā)脈沖功率源同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，單臺(tái)源均采用德國(guó)InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，將觸發(fā)信號(hào)分成多路，分別控制單元開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。激光觸發(fā)系統(tǒng)工作原理為：兩路脈沖功率源的儲(chǔ)能單元充電到設(shè)定值，控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)位置設(shè)定兩臺(tái)源的觸發(fā)時(shí)間間隔，分別發(fā)指令到兩臺(tái)源的激光觸發(fā)系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生激光注入主開(kāi)關(guān)，控制兩組主開(kāi)關(guān)各自擊穿，初級(jí)能源系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)向負(fù)載饋送。
激光器對(duì)外觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下：
(1)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號(hào)。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬
≥100 μs，工作頻率50 Hz，負(fù)載50 Ω；
(2)產(chǎn)生普克爾盒觸發(fā)信號(hào)。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬≥100 ?滋s，脈沖上升沿≤5 ns，負(fù)載50 Ω，工作頻率50/N(N=1，2，…，50)。該信號(hào)與閃燈信號(hào)之間延時(shí)可調(diào)；
(3)外觸發(fā)電路、激光器和脈沖功率源之間采取隔離和屏蔽等抗干擾保護(hù)措施，確保觸發(fā)系統(tǒng)在功率源高壓大電流強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境中正常工作。
2 理論設(shè)計(jì)與分析
激光器外觸發(fā)系統(tǒng)由控制信號(hào)產(chǎn)生和控制信號(hào)觸發(fā)2部分組成，二者之間通過(guò)普通多模光纖(工作波長(zhǎng)為820 nm)進(jìn)行連接。其中，控制系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置(如工作頻率和工作次數(shù)等)、控制信號(hào)產(chǎn)生、輸出信號(hào)隔離及轉(zhuǎn)換(電/光)等功能在控制信號(hào)產(chǎn)生單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，它位于操作者所在的工作區(qū)；放置于脈沖功率源激光器側(cè)的是控制信號(hào)觸發(fā)單元，完成通過(guò)光纖傳輸而來(lái)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換(光/電)、放大、快上升沿信號(hào)形成以及隔離觸發(fā)輸出等功能。
2.1 控制信號(hào)產(chǎn)生單元設(shè)計(jì)
控制信號(hào)產(chǎn)生單元分為2部分：
(1)脈沖觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器。用于產(chǎn)生控制功率MOSFET器件、功率晶體管工作的脈沖觸發(fā)信號(hào)，具有輸出脈沖的個(gè)數(shù)、脈寬及頻率可調(diào)的能力，輸出為T(mén)TL電平。采用工業(yè)PC，內(nèi)置NI定時(shí)/計(jì)數(shù)卡PCI-6602，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編制計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，設(shè)置工作參數(shù)，編程產(chǎn)生激光器外觸發(fā)工作所需的控制信號(hào)。其中PCI-6602提供8路32 bit源頻率80 MHz的定時(shí)/計(jì)數(shù)通道，輸出脈沖信號(hào)上升沿實(shí)驗(yàn)測(cè)試在10 ns左右；
(2)光纖隔離電路。用于隔離TTL電平的觸發(fā)信號(hào)和功率MOSFET的輸出電壓，具有響應(yīng)快、不失真的特點(diǎn)。光纖發(fā)送器件選用HFBR-1414，其帶寬可達(dá)5 MHz，滿足脈寬為數(shù)百?滋s的觸發(fā)脈沖信號(hào)傳輸要求。
2.2 控制信號(hào)觸發(fā)單元設(shè)計(jì)
控制信號(hào)產(chǎn)生單元分為4部分：
(1)光/電轉(zhuǎn)換電路。采用HFBR-2412光纖接收器件，將通過(guò)多模光纖傳輸至控制信號(hào)觸發(fā)單元的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電信號(hào)。
(2)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)/功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路，前者用于將低電平的TTL信號(hào)提升到可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET器件的電平，以產(chǎn)生脈沖上升沿≤5 ns的激光器普克爾盒觸發(fā)信號(hào)。后者用來(lái)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號(hào)。
(3)功率MOSFET器件。MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)是一種電壓控制型的器件，由于MOSFET是正溫度系數(shù)，所以可避免溫度持續(xù)上升而使器件損壞。同時(shí)由于它的導(dǎo)通電阻在理論上沒(méi)有上限值，因此導(dǎo)通時(shí)的能量損失可以非常小。其優(yōu)點(diǎn)是：具有非?？斓膶?dǎo)通和關(guān)斷能力(ns量級(jí))；非常低的觸發(fā)能量；能工作在高重復(fù)頻率下(MHz量級(jí))；使用壽命長(zhǎng)(平均109次)；高效率、脈寬可以調(diào)節(jié)(輸出由輸入觸發(fā)信號(hào)決定)。經(jīng)選擇采用IR公司的功率MOSFET器件――IRLML2803，它的漏源極擊穿電壓VDSS為30 V，直流電流ID為1.2 A，脈沖下最大輸出電流為7.3 A，導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間Td(on)為3.9 ns，關(guān)斷時(shí)間Toff為9 ns。
(4)電源部分。采用鋰電池組提供給光纖隔離電路和功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路所使用的低壓電源。它配裝有專(zhuān)用保護(hù)板，具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流短路及反接保護(hù)功能，進(jìn)一步保證電池組控制部分的安全工作。這樣有效地消除了觸發(fā)單元與前級(jí)控制信號(hào)產(chǎn)生單元及后級(jí)功率源高壓工作回路因電源共地而可能產(chǎn)生的高壓擊穿等危險(xiǎn)因素。
如圖2所示，變換后的TTL電平經(jīng)整形、功率MOSFET/功率晶體管驅(qū)動(dòng)、脈沖變壓器隔離輸出至激光器。為了保證觸發(fā)單元的正常工作，在其輸出至激光器之前需加入高耐壓(5 kV)脈沖變壓器進(jìn)行電氣隔離。
評(píng)論