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基于功率MOSFET的激光器外触发系统研制

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  (4)电源部分。采用锂电池组提供给光纤隔离电路和功率MOSFET驱动电路所使用的低压电源。它配装有专用保护板，具有过充、过放、过压、欠压、过流短路及反接保护功能，进一步保证电池组控制部分的安全工作。这样有效地消除了触发单元与前级控制信号产生单元及后级功率源高压工作回路因电源共地而可能产生的高压击穿等危险因素。
  如图2所示，变换后的TTL电平经整形、功率MOSFET/功率晶体管驱动、脉冲变压器隔离输出至激光器。为了保证触发单元的正常工作，在其输出至激光器之前需加入高耐压(5 kV)脉冲变压器进行电气隔离。

  

  2.3 功率MOSFET器件及其驱动电路选择
  图3为功率MOSFET器件的工作原理电路示意图。图3(a)中，RG和电感器生产CGS是影响MOSFET导通延时的主要参数；漏栅极电容CGD是造成开关动作过程中栅极电压受干扰的主要参数；漏源极电容CDS是影响关断时间的主要参数。MOSFET器件转换过程有2个：导通转换和关断转换。导通转换过程的漏源电压VDS、漏极电流iD、栅源电压VGS和与栅极电流iG随时间t的变化关系如图3(b)所示。导通转换过程分成4个阶段，各个阶段分别是：

  

  (1)t₀～t₁阶段：栅极驱动电流iG对CDS和CGS充电，使CGS上的电压从模压电感0上升到MOSFET导通阈值V_GS(th)。
  (2)t₁～t₂阶段：栅源电压V_GS继续以指数规律上升，超过MOSFET导通阐值VGS(th)达到Va，在V_GS超过V_GS(th)后，漏极电流开始增长，并模压电感器达到最终的输出电流Io。在这一过程中，由于电压与电流重叠，MOSFET功耗最大。
  (3)t₂～t₃阶段：从t₂时刻开始，MOSFET漏源电压V_DS开始下降，引起从漏极到栅极的密勒电容效应，使得V_GS不能上升而出现平台，在t₃时刻漏源电压下降到最小值。
  (4)t₃～t₄阶段：在这一区间栅源电压V_GS从平台上升到最后的驱动电压。上升的栅压使漏源电阻R_DS(on)减小，t₄以后MOSFET进入导通状态。
  MOSFET器件的截止转换过程与上面的过程相反。由上面的分析可知对栅极驱动电路的要求主要有：
  (1)驱动信号的脉冲前、后沿都要陡峭。
  (2)对功率MOSFET栅极的充放电回路时间常数要小，以提高功率MOSFET器件的开关速度。
  (3)驱动电流为栅极电容的充放电电流，驱动电流要大，才能使开关波形的上升沿和下降沿更快。
  选用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲线图可得：在V_DS=15 V、V_GS=12 V时，总栅极电荷Q_G≈3.7 nC，则栅极电容C=Q_G/V_GS=3.7 n_C/12 V≈0.3 nF=300 pF。
  MOSFET导通和截止的速度与MOSFET栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET栅极电容、导通和截止时间与MOSFET驱动器的驱动电流的关系可以表示为：
  d_T=(dV×C)/I
  式中，d_T是导通/截止时间，d_V是栅极电压，C是栅极电容(从栅极电荷值)，I是峰值驱动电流(对于给定电压值)。
  IRLML2803导通/截止时间是4 ns，则I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驱动电流为0.9 A，同时还需要考虑在MOSFET驱动器和功率MOSFET栅极之间使用的外部电阻，这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流，所以选择峰值输出电流大于0.9 A的驱动器。系统中采用的是4.5 A高峰值输出电流的同相驱动器TC4424A，经实验验证满足快上升沿信号输出要求。
  3 测试结果与分析
  3.1 触发信号光纤传输转换测试
  激光器外触发系电感器的作用统采用光纤传输和收发技术，由于其本身是由绝缘材料制成，所以具有很好的高电压隔离能力，同时还具有很强的抗干扰能力，多路光纤信号传输的同步性也非常好，满足对信号高压隔离和同步性的要求。
  图4为激光器外触发单元产生的信号波形图。图4(a)、图4(b)中通道2均显示的是工作频率50Hz的激光器闪灯触发信号（前者是输出个数为50的脉冲序列，后者是单个输出脉冲），它在控制信号产生单元内由PC机编程产生，经脉冲变压器隔离、电/光转换、光纤传输处理输入至触发单元，再经过光/电转换、功率晶体管驱动放大，由高耐压脉冲变压器隔离输出至激光器，其上升时间Tr在200 ns以内，主要是由脉冲变压器的输出上升时间确定。

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