基于功率MOSFET的激光器外觸發系統研制
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在兩路脈沖功率源的同步輸出實驗中，觸發控制系統是保證源正確有效合成的關鍵?？刂葡到y一方面產生兩臺源正常運行的工作時序，同時通過同步考慮的設計，控制激光觸發開關產生觸發信號，達到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有單極型、電壓驅動、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好及所需驅動功率小而且驅動電路簡單的特點，所以采用MOSFET來設計激光觸發器的外觸發控制系統。
1 系統結構及工作原理
圖1為激光觸發脈沖功率源同步控制系統結構框圖，單臺源均采用德國InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，將觸發信號分成多路，分別控制單元開關導通。激光觸發系統工作原理為：兩路脈沖功率源的儲能單元充電到設定值，控制系統根據目標位置設定兩臺源的觸發時間間隔，分別發指令到兩臺源的激光觸發系統，觸發系統產生激光注入主開關，控制兩組主開關各自擊穿，初級能源系統儲存的電能通過開關向負載饋送。
激光器對外觸發系統的設計參數要求如下：
(1)產生閃燈觸發信號。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬
≥100 μs，工作頻率50 Hz，負載50 Ω；
(2)產生普克爾盒觸發信號。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬≥100 ?滋s，脈沖上升沿≤5 ns，負載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；
(3)外觸發電路、激光器和脈沖功率源之間采取隔離和屏蔽等抗干擾保護措施，確保觸發系統在功率源高壓大電流強輻射的惡劣環境中正常工作。
2 理論設計與分析
激光器外觸發系統由控制信號產生和控制信號觸發2部分組成，二者之間通過普通多模光纖(工作波長為820 nm)進行連接。其中，控制系統工作參數設置(如工作頻率和工作次數等)、控制信號產生、輸出信號隔離及轉換(電/光)等功能在控制信號產生單元內實現，它位于操作者所在的工作區；放置于脈沖功率源激光器側的是控制信號觸發單元，完成通過光纖傳輸而來的輸入信號轉換(光/電)、放大、快上升沿信號形成以及隔離觸發輸出等功能。
2.1 控制信號產生單元設計
控制信號產生單元分為2部分：
(1)脈沖觸發信號發生器。用于產生控制功率MOSFET器件、功率晶體管工作的脈沖觸發信號，具有輸出脈沖的個數、脈寬及頻率可調的能力，輸出為TTL電平。采用工業PC，內置NI定時/計數卡PCI-6602，利用LabVIEW開發系統編制計算機人機界面，設置工作參數，編程產生激光器外觸發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電平的觸發信號和功率MOSFET的輸出電壓，具有響應快、不失真的特點。光纖發送器件選用HFBR-1414，其帶寬可達5 MHz，滿足脈寬為數百?滋s的觸發脈沖信號傳輸要求。
2.2 控制信號觸發單元設計
控制信號產生單元分為4部分：
(1)光/電轉換電路。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單元的光信號轉換為TTL電信號。
(2)功率MOSFET驅動/功率晶體管驅動電路，前者用于將低電平的TTL信號提升到可以用來驅動功率MOSFET器件的電平，以產生脈沖上升沿≤5 ns的激光器普克爾盒觸發信號。后者用來產生閃燈觸發信號。
(3)功率MOSFET器件。MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管)是一種電壓控制型的器件，由于MOSFET是正溫度系數，所以可避免溫度持續上升而使器件損壞。同時由于它的導通電阻在理論上沒有上限值，因此導通時的能量損失可以非常小。其優點是：具有非?？斓膶ê完P斷能力(ns量級)；非常低的觸發能量；能工作在高重復頻率下(MHz量級)；使用壽命長(平均109次)；高效率、脈寬可以調節(輸出由輸入觸發信號決定)。經選擇采用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，導通延時時間Td(on)為3.9 ns，關斷時間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驅動電路所使用的低壓電源。它配裝有專用保護板，具有過充、過放、過壓、欠壓、過流短路及反接保護功能，進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單元與前級控制信號產生單元及后級功率源高壓工作回路因電源共地而可能產生的高壓擊穿等危險因素。
如圖2所示，變換后的TTL電平經整形、功率MOSFET/功率晶體管驅動、脈沖變壓器隔離輸出至激光器。為了保證觸發單元的正常工作，在其輸出至激光器之前需加入高耐壓(5 kV)脈沖變壓器進行電氣隔離。
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