大电流脉冲恒流源

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1、全国第三届特种电源学术年会论文集大．电流脉冲恒流源于治国，冯莉，张继昌(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900)摘要：本文介绍了一种电容通过开关放电获取恒流脉冲的装置。它能为O．5Q的负载提供40A～100A电流，脉宽0．51as一-51as可调，脉冲前沿小于lOOns。其使用了功率MOSFET来为满足大电流、快前沿且可控的要求，并构建了两种低阻抗传输线来满足阻抗匹配。关键词：脉冲恒流；功率MOSFET；低阻抗传输线引言脉冲恒流源在超导体、气囊引爆管和充气机、熔断器、炸药、激光二极管以及各种半导体等的测试中有广泛的应用。脉冲恒流源也是辐射热测量计的配套设备1，它

2、的负载由镍或金薄金属膜组成。当被x射线照射时，负载温度变化。由于阻值和温度存在较好的线性关系，阻值会相应变化。当通过40A--一IOOA的恒流脉冲时，负载电压会发生明显变化，根据电压的变化可以得到阻值的变化，最终可推算出x射线照射到负载上沉积的能量。限制脉宽小于51．ts可以减小电流对负载做功对测量结果的影响并保护负载不被烧毁。多年前国外已经开展脉冲恒流源的研究，也出现了一些较成熟的产品，但由于应用的场合不一致，一般输出电流较小或脉冲宽度宽或前沿较慢，部分实验室产品能满足需求(美国Sandia国家实验室有类似产品)，但无购买途径。为满足科研工作的需要，我们开展脉冲恒流技术方面的

3、研究。1工作原理脉冲恒流源输出的恒流脉冲由电容放电形成，其原理图如图1所示。直流电源通过限流电阻尺对电容C充电，电容C通过开关M对负载甩放电。电容C放电时回路电阻主要由三部分构成：开关管导通内阻足D鼬n)、电流参考电阻Jk和负载电阻甩。它们存在以下关系：％玲晚+％洲(1)冠和如鼬n)发生的微小变化A[RL+RD蜘)】相对于Rra'+RL+RDs(on)n-fff忽略不计，因此输出电流的变化AIo也可以忽略不计，输出电流局基本维持不变。只要选择的储能电容足够大，就能满足平顶下垂的要求。脉冲电流幅度由电容C的充电电压控制，脉冲宽度由开关M导通时间决定。蜀和矿构成充电回路的反馈网络。

4、曼I：舳晰)幸2王予量。Gsl图l脉冲恒流源原理图图2功率MOSFET及驱动电路原理图2方案设计2．1开关器件及驱动技术电容放电形成恒流脉冲的结构中，开关及驱动技术具有特殊重要的作用，它不仅决定了装置的输出特性，甚至是系统成败的关键。我们使用的功率开关器件有三个特点：电流大、速度快且可控。如今所应有的开关种类很多，但多数门极不可控，即一旦触发就不能关断，如氢闸流管、晶闸管、真空放电开关、气体开关、雪崩管等；功率IGBT的前后沿在微秒级且导通延迟和关断延迟时间差异大；134全国第三届特种电源学术年会论文集金属陶瓷微波管结构及外围电路复杂；电子管电流小，可能有工作电流大的电子管，但

5、其体积大，外围电路繁琐。功率场效应晶体管(PowerMOSFET)具有开关速度快、高频特性好、导通电阻低、负载电流大、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、SOA宽、无二次击穿问题等显著优点，非常适合本方案的需要。图2为功率MOSFET及驱动电路原理图。功率MOSFET作为高频功率电路的功率开关使用时，对于一个箝位感性负载，当稳态电流IL流过时，其开启时间由下式给出wtf：，亟；堡监竺鲤订(2)。陟，G一妒，T+，L／g。月其中蚝是电源电压，诈是MOSFET的开态压降，如是栅驱动电压源串联的电阻，COD是MOSFET栅．漏寄生电容，％是栅极驱动电压，巧是MOSFET阈值电压，

6、gm是MOSFET跨导。功率MOSFET的开关速度受其输入电容的冲放电速度限制，选择璺铲160nC。在选定功率MOSFET的情况下，我们一般通过减小栅极电阻忍和提高驱动电压％的办法来提高开通速度。栅极电压源串联电阻由三部分组成：Ra=如．皿+RG傩+％(3)其中风融是固有的内部栅极电阻，飓嘲是栅极外部串联电阻，如是驱动电路输出阻抗。选择输出阻抗小的驱动电路并减小风眦非常重要。最终我们采用了图腾柱结构的驱动电路，这种电路结构能提供很大的驱动电流，同时驱动信号有较快的前、后沿。为减小输出阻抗，我们在驱动电路的电源和地之间并联放置一对阻抗曲线互补且ESR(等效串联电阻)和ESL(等效

7、串联感抗)小的旁路电容。在减小RG的同时我们必须注意回路中分布电感L的影响，由栅极电阻如、分布电感工和MOSFET输入电容ci站构成的RLC串联电路会出现零输入响应的欠阻尼情况，驱动信号的前后沿会出现过冲、下冲及振荡，导致误开通及误关断。所以必须保证：％>21]'-L／Ca,。(4)另外，为保证功率MOSFET快速开关，需要驱动电路在很短时间内提供很大的脉冲电流，根据楞次定律：RG≥2厢(5)这会在电感上感应出较大的电压。为减小电感，我们选用了表面安装的射频MOSFET驱动器以及射频功率MO