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驗中，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)生兩臺源正常運行的工作時序，同時通過同步考慮的設(shè)計，控制激光觸發(fā)開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號，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、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好及所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單的特點，所以采用MOSFET來設(shè)計激光觸發(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，單臺源均采用德國InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，將觸發(fā)信號分成多路，分別控制單元開關(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)定兩臺源的觸發(fā)時間間隔，分別發(fā)指令到兩臺源的激光觸發(fā)系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生激光注入主開關(guān)，控制兩組主開關(guān)各自擊穿，初級能源系統(tǒng)儲存的電能通過開關(guān)向負(fù)載饋送。
激光器對外觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)要求如下：
(1)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號。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。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)。該信號與閃燈信號之間延時可調(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)計與分析
激光器外觸發(fā)系統(tǒng)由控制信號產(chǎn)生和控制信號觸發(fā)2部分組成，二者之間通過普通多模光纖(工作波長為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)、控制信號產(chǎn)生、輸出信號隔離及轉(zhuǎn)換(電/光)等功能在控制信號產(chǎn)生單元內(nèi)實現(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)的是控制信號觸發(fā)單元，完成通過光纖傳輸而來的輸入信號轉(zhuǎn)換(光/電)、放大、快上升沿信號形成以及隔離觸發(fā)輸出等功能。
2.1 控制信號產(chǎn)生單元設(shè)計
控制信號產(chǎn)生單元分為2部分：
(1)脈沖觸發(fā)信號發(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，具有輸出脈沖的個數(shù)、脈寬及頻率可調(diào)的能力，輸出為TTL電平。采用工業(yè)PC，內(nèi)置NI定時/計數(shù)卡PCI-6602，利用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)編制計算機(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。其中PCI-6602提供8路32 bit源頻率80 MHz的定時/計數(shù)通道，輸出脈沖信號上升沿實驗測試在10 ns左右；
(2)光纖隔離電路。用于隔離TTL電平的觸發(fā)信號和功率MOSFET的輸出電壓，具有響應(yīng)快、不失真的特點。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)脈沖信號傳輸要求。
2.2 控制信號觸發(fā)單元設(shè)計
控制信號產(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，將通過多模光纖傳輸至控制信號觸發(fā)單元的光信號轉(zhuǎn)換為TTL電信號。
(2)功率MOSFET驅(qū)動/功率晶體管驅(qū)動電路，前者用于將低電平的TTL信號提升到可以用來驅(qū)動功率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。后者用來產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號。
(3)功率MOSFET器件。MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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。同時由于它的導(dǎo)通電阻在理論上沒有上限值，因此導(dǎo)通時的能量損失可以非常小。其優(yōu)點是：具有非?？斓膶?dǎo)通和關(guān)斷能力(ns量級)；非常低的觸發(fā)能量；能工作在高重復(fù)頻率下(MHz量級)；使用壽命長(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)通延時時間Td(on)為3.9 ns，關(guān)斷時間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)動電路所使用的低壓電源。它配裝有專用保護(hù)板，具有過充、過放、過壓、欠壓、過流短路及反接保護(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)單元與前級控制信號產(chǎn)生單元及后級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、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。
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