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)

接收/發(fā)射技術

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)

本文對比了不同種類開關在脈沖功率源技術中的應用，介紹了半導體開關漂移階躍恢復二極管(DSRD)的工作原理，建立了DSRD工作電路仿真模型，對電路參數(shù)進行了仿真分析，通過實驗研究，研制了一臺基于DSRD半導體開關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；漂移階躍恢復二極管；高重頻；固態(tài)脈沖源

0 引言

隨著脈沖功率技術的發(fā)展，亞秒級脈沖功率源在超寬帶雷達、激光驅動、材料改性和低溫等離子體研究等方面具有廣泛的應用前景。基于氣體開關的脈沖功率源特點是功率大，應用廣，但是因氣體介質恢復時間限制，一般最高重復頻率為1kHz，且脈沖源使用壽命受到電極燒蝕的限制；采用磁壓縮技術研制的脈沖功率源重復頻率可達到幾十kHz，不足之處是脈沖前沿最快為10ns左右；半導體開關主要分為斷路開關與閉合開關，斷路開關利用電感儲能，開關在斷開時刻經(jīng)過換路將電感能量轉移到負載上，在負載上產(chǎn)生高壓脈沖等于電感上的瞬時電壓，如漂移階躍恢復二極管(Drift-Step-Recovery Diode，DSRD)；閉合開關利用電容儲能原理，在閉合時刻將電容能量對負載放電產(chǎn)生陡脈沖前沿，如硅雪崩銳化器(silicon-avalanche shaper，SAS)。其中DSRD單個器件的耐壓值為500-2000V，輸出脈沖前沿可以達到600-800ps；SAS單個器件的耐壓值為2000-4000V，銳化前沿為100-300ps[1]。SAS的輸出需要一個陡脈沖進行驅動，一般采用DSRD的輸出作為SAS的驅動脈沖，對DSRD的輸出脈沖進行進一步的銳化。這兩種開關的工作重復頻率最高可以達到MHz，一般可以穩(wěn)定工作在200-500kHz。

1 DSRD工作原理

DSRD是一種快速關斷開關， 典型DSRD結構為p+-n-n+結構，如圖1所示。DSRD先流過正向泵浦電流，在正向泵浦電流作用下在其pn結區(qū)域產(chǎn)生電子-空穴對載流子，此時DSRD保持正向導通，導通壓降很低；然后給DSRD快速提供一個反向泵浦電流，此電流一般要比正向電流大很多，DSRD的pn結區(qū)域載流子在反向電流作用下快速復合消失，當載流子完全消失時DSRD關斷，在負載上產(chǎn)生陡前沿脈沖。DSRD截斷時間為400ps-2ns，輸出脈沖前沿為亞ns，器件恢復時間小于1μs，具有MHz重頻工作能力。俄羅斯約飛所應用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。國內西北核技術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，一般需要兩個回路，并實現(xiàn)兩個回路快速切換。傳統(tǒng)DSRD驅動模式如圖(a)所示，L1與L2為儲能電感，C1、C2為儲能電容，首先儲能電容充電不同極性電壓， S2首先閉合，C2經(jīng)過L2產(chǎn)生震蕩電流I2正向泵浦DSRD；當流過DSRD電流第一次為零時S1閉合，C1經(jīng)過L1后產(chǎn)生反向泵浦電流I1。此時I1與反向的I2共同反向泵浦DSRD，在1/4振蕩周期后DSRD中載流子消失而關斷，從而實現(xiàn)DSRD的泵浦條件[3]；(b)采用一個半導體開關，通過開關的導通與關斷實現(xiàn)正負電流的切換，實現(xiàn)DSRD正反泵浦條件。兩者相比較，(a)需要兩路正負電源供電，且需要兩路開關，開關延時決定了輸出抖動較大；(b)只需要一路開關，通過開關的導通與關斷實現(xiàn)換流，控制驅動更加容易且更加穩(wěn)定[4-5]，其原理圖如圖所示

根據(jù)圖2(b)DSRD工作原理，設計固態(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、驅動單元和脈沖產(chǎn)生單元組成。供電單元提供整個功率源的能量輸入，觸發(fā)單元提供一個TTL觸發(fā)電平，控制脈沖源的頻率，驅動單元為開關管快速導通與關斷提供驅動，脈沖產(chǎn)生單元包括DSRD與儲能電感，形成脈沖輸出。

2 DSRD仿真

為了研究DSRD工作過程，采用Pspice建立脈沖源仿真電路圖，如圖所示

觸發(fā)信號用方波源V3代替，其脈沖寬度為ΔT。當觸發(fā)信號為低電平時，開關Q截止，C2上電壓為ΔU=V1-V2；當觸發(fā)信號為高電平時，開關Q導通，C2經(jīng)過L2、DSRD回路振蕩，對DSRD進行正向泵浦，L1上產(chǎn)生線性增加的電流

(1)

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

改變觸發(fā)信號脈沖寬度與C2兩端壓差ΔU可以對脈沖源輸出進行優(yōu)化。觸發(fā)信號寬度決定正向泵浦持續(xù)時間與電感L1上電流上升的大小。觸發(fā)信號脈沖寬度過短時，正向泵浦電流持續(xù)時間短，在DSRD的PN結產(chǎn)生的載流子數(shù)量少，導致反向泵浦時DSRD容易關斷，在負載上產(chǎn)生的電壓過低；觸發(fā)信號脈沖寬度過長時，DSRD正向泵浦產(chǎn)生的載流子在此期間復合， DSRD沒有工作在最佳狀態(tài)。圖6(a)為改變觸發(fā)信號脈沖寬度時流過DSRD的電流波形。

調整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器件穩(wěn)定工作，對開關管Q并聯(lián)電容C1。當觸發(fā)脈沖從高電平變成低電平時，流過開關管Q的電流瞬間減小，在開關管兩端產(chǎn)生很高的正向電壓。C1對正向電壓有限壓作用，但C1過大會影響DSRD泵浦電流。對C1的取值進行仿真，如圖7所示

通過比較可知，C1選值過小對正向過沖電壓的限制作用很小，隨著C1的增加正向過充電壓逐漸降低，振蕩周期逐漸增加。因為選擇的電容C1取值很小，采用電容電阻并聯(lián)限壓的方式對正向過沖電壓沒有效果。

隔直電容C3作用是隔離負載，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對不同的C3選值進行仿真。由仿真結果可知C3取值過小對輸出有分壓作用，導致輸出幅值偏低，前沿變緩。一般C3選擇4nF以上能夠保證負載上得到波形與DSRD輸出波形基本無變化。

3 實驗研究

采用中國電子集團第十三研究所DSRD器件搭建實驗電路，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、驅動單元與脈沖形成單元。該DSRD參數(shù)為：正向導通電壓VF=8V；反向漏電流IR=1mA；反向脈沖電壓VR=2kV；脈沖前沿TR≤800ps；重復頻率f=100kHz[7]。采用IXYS公司生產(chǎn)的RF開關管DE475-102N21A，漏源電壓VDS=1000V，漏源電流IDS=24A，其專用驅動芯片IXRFD630。觸發(fā)采用外控方式，輸入為TTL電平信號，脈寬可調范圍40-100ns。脈沖源實物圖如圖10所示

當V1=100V、V2=60V時，觸發(fā)頻率為500kHz時，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，單個脈沖能量經(jīng)積分為115μJ，當重復頻率為500kHz時，輸出能量為57.5J。

4 結論

本文應用半導體斷路開關DSRD研制了一臺亞納秒前沿、重復頻率500kHz的高壓脈沖源，利用仿真技術建立了固態(tài)脈沖源原理圖，采用了單開關工作的方法，利用開關的導通與關斷，實現(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DSRD泵浦電流特性，分析了回路電容C2兩端壓差ΔU對正向泵浦電流的影響。分析了開關管并聯(lián)電容C1取值對開關管正向過沖電壓的限壓作用，也分析了負載隔直電容C3選擇對輸出結果的影響。通過對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對脈沖輸出進行進一步銳化，得到前沿為300ps以內的脈沖輸出。

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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。主要研究方向為脈沖功率源技術與應用。

TN95

A

1008-8652(2017)03-050-05