基于功率MOSFET的激光器外觸發(fā)系統(tǒng)研制

(1)t₀～t₁階段：柵極驅(qū)動(dòng)電流iG對(duì)CDS和CGS充電，使CGS上的電壓從0上升到MOSFET導(dǎo)通閾值V_GS(th)。
(2)t₁～t₂階段：柵源電壓V_GS繼續(xù)以指數(shù)規(guī)律上升，超過(guò)MOSFET導(dǎo)通闡值VGS(th)達(dá)到Va，在V_GS超過(guò)V_GS(th)后，漏極電流開(kāi)始增長(zhǎng)，并達(dá)到最終的輸出電流Io。在這一過(guò)程中，由于電壓與電流重疊，MOSFET功耗最大。
(3)t₂～t₃階段：從t₂時(shí)刻開(kāi)始，MOSFET漏源電壓V_DS開(kāi)始下降，引起從漏極到柵極的密勒電容效應(yīng)，使得V_GS不能上升而出現(xiàn)平臺(tái)，在t₃時(shí)刻漏源電壓下降到最小值。
(4)t₃～t₄階段：在這一區(qū)間柵源電壓V_GS從平臺(tái)上升到最后的驅(qū)動(dòng)電壓。上升的柵壓使漏源電阻R_DS(on)減小，t₄以后MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。
MOSFET器件的截止轉(zhuǎn)換過(guò)程與上面的過(guò)程相反。由上面的分析可知對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有：
(1)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖前、后沿都要陡峭。
(2)對(duì)功率MOSFET柵極的充放電回路時(shí)間常數(shù)要小，以提高功率MOSFET器件的開(kāi)關(guān)速度。
(3)驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，驅(qū)動(dòng)電流要大，才能使開(kāi)關(guān)波形的上升沿和下降沿更快。
選用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲線圖可得：在V_DS=15 V、V_GS=12 V時(shí)，總柵極電荷Q_G≈3.7 nC，則柵極電容C=Q_G/V_GS=3.7 n_C/12 V≈0.3 nF=300 pF。
MOSFET導(dǎo)通和截止的速度與MOSFET柵極電容的充電和放電速度有關(guān)。MOSFET柵極電容、導(dǎo)通和截止時(shí)間與MOSFET驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系可以表示為：
d_T=(dV×C)/I
式中，d_T是導(dǎo)通/截止時(shí)間，d_V是柵極電壓，C是柵極電容(從柵極電荷值)，I是峰值驅(qū)動(dòng)電流(對(duì)于給定電壓值)。
IRLML2803導(dǎo)通/截止時(shí)間是4 ns，則I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驅(qū)動(dòng)電流為0.9 A，同時(shí)還需要考慮在MOSFET驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET柵極之間使用的外部電阻，這會(huì)減小驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電容的峰值充電電流，所以選擇峰值輸出電流大于0.9 A的驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)中采用的是4.5 A高峰值輸出電流的同相驅(qū)動(dòng)器TC4424A，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿足快上升沿信號(hào)輸出要求。
3 測(cè)試結(jié)果與分析
3.1 觸發(fā)信號(hào)光纖傳輸轉(zhuǎn)換測(cè)試
激光器外觸發(fā)系統(tǒng)采用光纖傳輸和收發(fā)技術(shù)，由于其本身是由絕緣材料制成，所以具有很好的高電壓隔離能力，同時(shí)還具有很強(qiáng)的抗干擾能力，多路光纖信號(hào)傳輸?shù)耐叫砸卜浅：?，滿足對(duì)信號(hào)高壓隔離和同步性的要求。
圖4為激光器外觸發(fā)單元產(chǎn)生的信號(hào)波形圖。圖4(a)、圖4(b)中通道2均顯示的是工作頻率50Hz的激光器閃燈觸發(fā)信號(hào)（前者是輸出個(gè)數(shù)為50的脈沖序列，后者是單個(gè)輸出脈沖），它在控制信號(hào)產(chǎn)生單元內(nèi)由PC機(jī)編程產(chǎn)生，經(jīng)脈沖變壓器隔離、電/光轉(zhuǎn)換、光纖傳輸處理輸入至觸發(fā)單元，再經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換、功率晶體管驅(qū)動(dòng)放大，由高耐壓脈沖變壓器隔離輸出至激光器，其上升時(shí)間Tr在200 ns以內(nèi)，主要是由脈沖變壓器的輸出上升時(shí)間確定。