陈彦丽，郭明安，罗通顶，夏惊涛

(1. 中国科学技术大学，合肥230026； 2. 西北核技术研究所，西安710024)

快前沿程控高压脉冲信号发生器研制

陈彦丽1,2，郭明安2，罗通顶2，夏惊涛2

(1. 中国科学技术大学，合肥230026； 2. 西北核技术研究所，西安710024)

基于计算机串口通信和功率型金属氧化物半导体场效应晶体管，设计研制了程控产生单次快前沿负高压脉冲的信号发生器。其性能指标为高压脉冲幅度-100 ～-1 000 V，脉冲宽度40 ns～2 μs，脉冲前沿随脉冲幅度和宽度变化，可小于30 ns，输出负载为50 Ω。作为一种模拟源，该高压脉冲信号发生器已用于小功率气体放电管的高压保护特性实验研究中。

高压脉冲发生器；触发控制；功率型金属氧化物半导体场效应晶体管；串口通信

气体放电管是一种电子设备保护装置，保护电子设备不受闪电、过电压或操作过电压的破坏[1]。在使用气体放电管之前，需要对气体放电管高压保护性能进行测试，而在测试实验中，需要幅度和宽度可调的单次-1 kV且程序可调的高压脉冲信号作为模拟源。因功率型金属氧化物半导体场效应晶体管(metallic oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)具有开关速度快、输入阻抗高、驱动功率小和无二次击穿问题等优点，在各类中小功率开关电路中应用极为广泛[2]。因此，本文针对测试实验需求，设计了一种基于串口通信和功率MOSFET的快前沿程控高压脉冲信号发生器。

1 发生器原理及系统组成

产生高压脉冲信号的途径主要有两种[3]：一种是先得到直流高压，然后利用开关器件的开通和关断将直流高压信号逆变为高压脉冲信号；另一种是先得到符合形状的低压脉冲，然后将其放大到需要的幅度。第一种方法得到的快前沿脉冲波形较为理想，第二种方法通常采用变压器，脉冲前沿慢，且幅度高时波形容易畸变。因此，本文采用第一种方法设计了高压脉冲信号发生器，系统组成如图1所示。

图1 高压脉冲信号发生器系统组成框图Fig.1Block diagram of the high voltage pulse signal generator

2 发生器电路设计

2.1触发控制电路

鉴于串口通信资源消耗少、技术成熟，且适合远距离传输，本文设计了基于复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device, CPLD)实现串口通信的触发控制电路。主要功能为：1) 通过CPLD器件产生脉宽可程序控制的5 V方波信号作为触发信号；2) 通过程序控制高压脉冲信号的脉冲宽度和幅度。脉宽调节范围为0～16 μs，步进20 ns，电压幅度调节范围为0～1 kV，分为0～99个档位，共100档。触发控制电路功能模块如图2所示。

利用MFC中的串口控件和Windows API函数，在VC 6.0开发环境下设计了串口通信控制软件，界面如图3所示。

图 触发控制电路功能模块框图Fig.2Diagram of function module of trigger control circuit

图3 控制软件的界面截图Fig.3Control software interface

在CPLD内部，利用Quartus II软件平台，采用原理图与Verilog-HDL语言结合的方法，设计了串口数据接收电路、解码电路、脉冲产生模块、脉宽设置模块及幅度控制模块等。串口与CPLD通信的编程流程如图4所示。

图4 串口与CPLD通信的编程流程Fig.4Flow chart of programming communication between serial port and CPLD

2.2高压脉冲产生电路

高压脉冲产生电路主要由驱动电路、功率MOSFET及储能电路组成，是快前沿高压脉冲信号发生器电路的核心部分。为得到顶部尽可能平，前沿尽可能快的高压脉冲信号，直流高压器件采用天津东文高压电源厂提供的1.2 kV压控可调直流高压模块，储能电容使用100 μF、耐压1.6 kV的无极性电容，电阻选择高精度的金属膜大功率电阻。由于功率MOSFET的开关速度很大程度上受栅极驱动源驱动能力的影响，因此要提高功率MOSFET的开关速度，就要提高驱动电路的驱动能力，即能够提供较大的驱动电流、驱动电压及具有较快前沿的驱动脉冲，并且驱动电路的输出电阻应尽量小[2-3]。为此，驱动电路采用了IXYS公司生产的专用集成芯片IXDD409。选择功率MOSFET时，考虑导通压降、器件容量、耐冲击能力及可靠性等因素，选取了IXYS公司生产的IXTA3N120，其最高工作电压为1.2 kV，正常工作电流为3 A，最大峰值电流为12 A；在电路板PCB 布局上，将低压部分和高压部分放在不同层面上，高压引线和地线尽可能粗，且其间距至少保持2.54 mm，以防出现火花[4]；引线尽可能短，以减少寄生电容和寄生电感[5]。设计的高压脉冲产生电路如图5所示。

图5 高压脉冲产生电路Fig.5Generating circuit of high voltage pulse

将可编程逻辑器件CPLD产生的5 V单次方波脉冲信号输送到驱动电路的输入端，通过驱动电路将其提高到24 V，达到功率MOSFET的栅极开启电压，使功率MOSFET(IXTA3N120)导通，高压储能电容迅速释放能量到负载上，触发结束，MOSFET关断，输出信号回到直流状态。这样，在负载上就将直流高压信号变为高压脉冲信号。为了提高开关管的速度，驱动电路和功率MOSFET之间使用直流耦合。使用PSPICE软件对图5电路进行仿真，得到的高压脉冲信号波形如图6所示。仿真结果表明，图5的设计理论上可以获得-1 kV的高压脉冲信号。

图6 电路仿真得到的高压脉冲信号波形Fig.6Waveform of a high voltage pulse signal obtained by circuit simulation

3 实验测试及结果

测量高压脉冲发生器产生高压脉冲信号的实验布局如图7所示。

图7 测量高压脉冲信号的实验布局图Fig.7Experimental layout of measurement of high voltage pulse signals

在计算机的控制软件界面中设置相关参数，负载为50 Ω。高压脉冲发生器的输出端连接衰减器后，再接入示波器进行测试。根据衰减倍数对测试数据进行转换，得到各种条件下的信号波形如图8—图11所示。从测试结果可以看出，信号幅度可达-1 kV，脉宽可达2 μs，且底部较平；脉宽为1 μs时，前沿小于30 ns。

由于单只MOSFET的功率有限，在脉宽为2 μs时，信号幅度只能达到-900 V；因为CPLD自身产生的触发信号后沿有一定振荡，所以高压脉冲输出信号后沿有过冲现象，脉宽比较窄时，过冲比较明显，但不影响其在气体放电管高压保护特性实验研究中的应用。

图8 电压为-900 V、脉宽为2 μs的高压脉冲信号波形Fig.8Waveform of a high voltage pulse signal withVout=-900 V and Tw=2 μs

图9 电压为-1 kV、脉宽为1 μs的高压脉冲信号波形Fig.9Waveform of a high voltage pulse signal with Vout=-1 kV and Tw=1 μs

图10 电压为-1 kV、脉宽为1 μs的高压脉冲信号前沿波形Fig.10Front edge of a high voltage pulse signal with Vout=-1 kV and Tw=1 μs

图11 电压为-700 V、脉宽为40 ns的高压脉冲信号波形Fig.11Waveform of a high voltage pulse signal withVout=-700 V and Tw=40 ns

4 结语

实验测试表明，本文设计的快前沿高压脉冲发生器程控可调，输出高压脉冲幅度为-100～-1 000 V、脉冲宽度为40 ns～2 μs、前沿小于30 ns、负载为50 Ω，且信号具有较高的稳定性和安全性。该高压脉冲信号发生器成本低、结构简单、操作方便，满足了小功率气体放电管高压保护特性实验研究的需求。由于单只MOSFET功率有限，下一步研究可将多只功率MOSFET串联或并联，实现功率提升。

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Design of a High Voltage Pulse Signal Generator with Program Control and Fast Rise Edge

CHEN Yan-li1,2GUO Ming-an2,LUO Tong-ding2,XIA Jing-tao2

(1. University of Science and Technology of China,Hefei230026,China;2. Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China)

Based on computer serial port communication and power MOSFETs, a high-voltage pulse signal generator is developed, which has an adjustable program control and fast rise time. The generator has the following parameters: the high voltage pulse amplitude varied from -100 V to -1 000 V, the pulse width varied from 40 ns to 2 μs, and the rise time of the pulse is less than 30 ns when the output load is 50 Ω. As a simulator, the generator has been applied in testing of the low power gas discharge tube under high voltage.Key words:high voltage pulse generator;spring control;MOSFET;serial port communication

2016-06-08；

2016-09-18

陈彦丽(1979- )，女，山东菏泽人，助理研究员，硕士研究生，主要从事脉冲辐射探测及核电子学研究。

E-mail:cyll1979@mail.edu.cn

TN782

A

2095-6223(2016)041204(4)