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1、基于射频场效应管的快速电光调Q驱动电路设计张 鑫1 陈满超2 席文强1 郑家凤1 王 捷1（1华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430073；2延长集团陕西化建工程有限公司，陕西 西安 710003）摘要 针对电光Q开关速度快的特点，提出基于射频场效应管电光调Q驱动电路的设计方法。通过选择电磁对称性器件，多个电容并联，元器件及走线空间对称分布以较好的符合电磁对称性要求，使得回路等效电感降低。通过该方法可获得上升沿约16ns幅度大于5000V电光调Q开关驱动信号。该研究为高速高压电路设计提供了参考。关键词 电光Q开关；射频场效应管；驱动电流；电磁对称中图分类号 TN2 文献标识
2、码 A 1 引言电光Q开关是产生高峰值功率激光脉冲关键器件1，影响电光调Q激光电光效率的一个重要因素是Q开关速度，Q开关速度主要由其驱动电路决定，如何提高Q开关速度一直倍受关注2-6。产生电光调Q脉冲常用的方法有三种：脉冲变压器法、雪崩三极管法和高频金属陶瓷三极管法7。脉冲变压器法优点是电路结构最简单、供电电压低、输出电压宽范围可调而被广泛使用，但变压器磁芯是由普通的铁氧体环形磁芯构成的脉冲变压器典型电光调Q电路，其电光Q速度较慢，输出高压脉冲前沿时间在40ns左右。本文是在借鉴典型脉冲变压器电光调Q电路基础上，对其优化，提高了Q开关速度。2 原理分析图1 典型电光调Q驱动电路Fig1 typ
3、ical electro-optic Q-switch drive circuit控制信号为低电平时，开关管V1断开，高压源HV通过电阻R1、R2、C1和脉冲变压器T1的初级线圈组成的回路为电容C1充电，控制信号为高电平时，V1开通，C1储存的能量通过V1快速释放，在脉冲变压器T1初级产生一个前沿快速下降的窄脉冲，这个窄脉冲通过脉冲变压器传递到负载（负载为电光Q开关），实现电光调Q。通过多次实验和理论分析得出影响调Q速度主要因素有以下几点：1) 驱动开关管V1的控制信号的驱动能力；2) 开关管V1的开通速度；3) 由V1、C1和变压器T1初级构成主回路器件和走线的布局。3 硬件设计与分析3.1
4、开关管选择V1通常使用MOSFET（金属氧化物场效应三极管），典型MOSFET开通时间在2050ns，显而易见用这样开关管得到速度低于20ns高压驱动信号是很难实现的。因此应选择开关速度很快射频场效应管，通过多次实验，开关速度小于5ns时，所得结果比较理想。3.2开关管控制信号驱动电流估算对开通速度为5ns的场效应管所需的栅极驱动电流Ig做以下分析和估算。图2为MOSFET等效电路图8-11。图2 MOSFET等效电路Fig.2 Equivalent circuit diagram of MOSFET图2中MOSFET管开关开通过程一旦建立，流过栅源电流Ig只有几个nA，栅极的驱动电流Ig就可
5、以忽略。然而在栅源极和栅漏极分别有一个不能忽略的电容Ciss和Crss，如果MOSFET管快速开通，则需要较大瞬间电流Ig。所需驱动电流估算如下：在tr时间（开关管V1开通上升时间）内栅极驱动电压为VGS，所需要的平均电流值I1为 (1)考虑米勒效应6，栅极驱动电压达到VGS时，漏源极间电压由供电电压US下降到到导通电压。这样栅漏电容Crss的上端电压下降了US（忽略MOSFET导通时漏源压降），它的下端电压上升VGS(开通时栅源电压)。完成这个过程所需要的电流是 (2)从（2）式可以看出，即使Crss很小（一般为Ciss的十分之一或更小），如果漏源电压US很大，那么电流I2也很很大，也就是说
6、，在漏源电压US比较高的时候，米勒效应影响不可忽略。需要的总驱动电流为 (3)常用封装为TO-247封装的功率MOSFET管，Ciss、Crss典型值分别为2700pF和300pF， 如果tr取5ns，VGS取5V、Us取200V。带入公式（3）得为保证稳定可靠，瞬间驱动电流应该是23倍的Ig，但瞬间驱动能力能达到30多安驱动芯片很少见。由此可见控制信号的驱动能力对于提高调Q速度至关重要。3.3 器件和走线布局高速电路的器件和走线布局非常重要，对于图1电路，如何减小V1、C1的寄生电感，如何减小回路走线的电感对于开通速度影响很大。回路电感大小满足以下表达式。式中L表示电感，表示回路面积，表示导
7、电宽度。要减小电感，就必须降低，增加，在实际应用中，降低，增加是有限度的，如果想更进一步降低电感，就必须向采用其他方法。实际上电感存在，就是在电流变换的过程中利用磁场(B)储存能量作用，如果能减小或消除电路中由于电场变化产生磁场的磁能，那么回路等效电感将随之减小甚至消除，可以利用两个幅度相同、方向相反的磁场向量的耦合而相互抵消来减小甚至消除磁场，达到回路等效电感减小甚至为零的效果，这就要求在器件布局和走线的过程中减小回路面积A，增加导电回路宽度的同时，选择具有电磁对称性器件，并尽可能在走线和布局上符合电磁对称性要求，以减小回路的等效电感。4 电路器件选择、布局及实验结果图3中关键器件U5选择为
8、艾赛斯公司(IXYS)一款高功率射频功率场效应管DEI275，漏源电压可达500V，最大脉冲电流96A，开通关断时间小于3ns。U2为一款专用驱动芯片IXDD415，双路输出，每路输出能力可达15A，开通关断时间小于3ns12。图3 主电路Fig3 Main circuit关键器件U5和驱动芯片U2选择电磁对称性器件，U2的旁路电容在空间上对称分布，在取值上对应相等，保证从U2的OUTA（22、23、24管脚）经过U5的2管脚到达U5的1管脚的电流I1与相对称的电流I2大小相等并在空间上形成电磁对称性。电容的容值越大其寄生电感也越大，为了降低电容的寄生电感对电路性能的影响，采用多个小电容并联，
9、可显著降低电容的寄生电感，多个电容的对称分布保证在U5开通的瞬间电流I3与I4大小相等并在空间形成电磁对称性。在实验过程中对一些关键波形进行了仔细观察和记录。实验用的示波器为：Agilent infiniium MSO6104A 1GHz 4GSa/s；信号源为：Agilent 33220A 20MHz Fuction/Arbitary；供电电源：Agilent E3631A。射频场效应管关断波形如图4。低压示波器探头衰减10倍，高压示波器探头为Tektronix P6015A 1000，3.0pF，100M。从图4（a)中可以看出，漏源电压从200V降到0V所需要的时间大约2ns，变压器输出
10、波形如图4(b)，幅度5130V，上升沿15.4ns。该电路已应用于某型灯泵浦脉冲固体激光器中，激光器静态输出能量500mJ，调Q后输出能量362mJ，动静比为72.4%： 图4 输出波形Fig Output waveform5 结论通过对典型电光调Q电路原理分析，得出影响调Q速度主要因素为：控制开关管信号的驱动能力，开关管的开通时间，器件和走线的布局。通过选择开通速度快（约3ns）的射频场效应管，驱动能力强（约15A）的专用驱动芯片，并且器件的布局和走线满足电磁对称性要求，从而降低回路的等效电感，提高了Q开关速度，获得较好的实验效果，具有一定实用价值。本文对高速高电压电路设计具有一定的参考价
11、值。如何降低电路对外干扰的问题有待更进一步研究。参考文献1 Haikuan Kong, Jiyang Wang, Huaijin Zhang, et al. Growth, properties and application as an electrooptic Q-switch of langasite crystalJ.Journal of Crystal Growth,2003,254(1):360367.2 侯惠民,张玉峰,姚大虎.高重频NdYAG激光器的可靠性设计J.激光与红外,2002,32(3):180-181.3 唐永新,杨华,郭继华,吴念乐等.表面等离子体激光Q 开关原理研
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15、l Laboratory for Optoelectronics，Wuhan 430073，China)Abstract Aiming at the characteristics of high speed for Q-switch, novel design methods of high speed Q switch driver circuit based on radio frequency field effect transistor is proposed. The main circuit loop equivalent inductance is reduced by se
16、lecting high speed radio frequency field effect transistor, special IC driver, components layout and routing meet electromagnetism symmetry. Q-switch drive pulse with rise time about 16ns voltage magnitude more than 5000V is obtained though this method. This research provides a reference for the design of high speed high voltage circuit.Key words electro-optic Q-switch；radio frequency field effect transistor；drive current；electromagnetism symmetry作者简介：张鑫（1979-），男，工程师，主要从事信号处理，模拟电子技术研究。E-mail：xzhanghit
