高重复频率高压脉冲源广泛应用于瞬态特性测试、电磁兼容测试、真空器件驱动和绝缘材料老化特性测试等多个领域。美国、俄罗斯、日本和欧洲发达国家由于在半导体器件研究和制造工艺方面更为先进和成熟，因而在全固态脉冲功率技术方面也处于领先地位。国外的主要研究侧重在雪崩三极管、MOSFET、快速离化二极管(FID)等开关器件的极限使用及性能提高、新型半导体器件、新型电路拓扑等方面。英国Kentech公司推出了基于雪崩三极管的高压脉冲源，峰值电压45 kV，受开关功率限制，脉宽仅约3 ns^[1]。国外基于MOSFET的非瞬态工作高速高压高重复频率脉冲源，峰值电压20 kV左右，脉宽一般在几百ns以下，脉冲前沿可达到10 ns以下^[2-5]。德国FID公司利用俄罗斯发明的非商业化推广器件FID，以及漂移阶跃恢复二极管(DSRD)类离化开关，研制出了重复频率50 Hz~3 MHz，电压1~300 kV的脉冲源。此类器件，随着电压及脉宽的增加，其重复频率急剧下降，在20 kV时，当脉宽在10 ns以上时，其前沿可做到3 ns以下，重复频率一般不超过1 kHz^[6]。国内从事高重复频率固态脉冲源研制的主要为科研院所和高校，采用开关有雪崩管类、MOSFET、闸流管等。国内基于雪崩管的脉冲源单元可产生1~10 kV脉冲源，脉冲半高宽在5 ns以下，重复频率1~200 kHz^[7-8]；对基于非瞬态工作模式下的高重复频率、快脉冲的MOSFET的纳秒脉冲源仍处于研究阶段，电压一般在几百V，重复频率在100 kHz以下^[9-12]。

为扩展无载波脉冲的辐射频谱，本项目将为返波管(BWO)实验平台提供合适的脉冲源，期望BWO输出辐射信号叠加上无载波脉冲的辐射频谱，从而拓展辐射脉冲的频谱。根据BWO输出要求及频谱拓展要求，提出了脉冲电压约20 kV/100 A、重复频率20 kHz、宽度在20~40 ns、前沿10 ns左右的无载波脉冲源参数指标。从器件的商业化和脉冲源综合指标，对比市场上的各类固体开关，雪崩晶体管输出电压范围窄，脉宽极窄且大电流寿命短；闸流管虽然耐压高、电流大，但前沿慢；项目最终采用IXYS公司的导通时间在5 ns、电流大于100 A的RF MOSFET作为主开关，且以传输线为形成线的主电路来产生脉冲。

1.   高压脉冲发生器原理

图 1为脉冲产生线路原理图，其工作过程如下：V_cc通过L1，D1为传输线T1充电2U₀，充电完毕，开关U1导通，在T1的两端瞬态各产生一个波形，两个波以相反方向朝另一端传播，如果负载不匹配将在此端产生一个反射波。假设传输线的阻抗为Z₀，根据传输线理论，传输线一端外皮接负载电阻Z₁，另一端外皮接Z₂，可以得到两端的波形幅度，其中一端幅度为

图  1  脉冲产生线路原理图

Figure  1.  Circuit schematics of pulse generator

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式中：$\alpha_1=2 Z_1 /\left(Z_1+Z_0\right)$。

同理，另一端幅度为

式中：$\alpha_2=2 Z_2 /\left(Z_2+Z_0\right)$

由于电缆两端所接负载完全一样，都等于Z₀，则2个波传输到负载端不会存在反射，当2个波传输分别到另一端，波中止于另一端。可见，电缆两端的电压波形完全一样，电压皆为U₀，脉宽则为T1的传播延时τ。

从以上分析可知，若T1外皮所接负载相同且与T1特征阻抗相同时，在T1的外皮上可以同时获得2个完全相同的脉冲信号^[8]。此时，则可以利用T2，T3构成的传输线变压器对2个波形进行叠加。选择电缆T2，T3的阻抗皆为Z₀，当T2，T3同步输入电压为U₀，则在负载R_L(R_L=2Z₀)上可以产生电压为2U₀的脉冲。

依据以上原理，考虑到市场上流通的商业电缆，选择75 Ω的同轴电缆，长度选择延迟时间20 ns。当在T1上充电20 kV时，则在T1的外皮两端可产生2个近似10 kV的脉冲，通过T2，T3进行功率合成，若线路是无损耗的理想电路，则可在150 Ω的负载上产生20 kV，20 ns的脉冲。考虑到电流环路的导通阻抗，为保证输出功率不减小，则匹配负载应大于2Z₀，且T1的充电电压应略有增加。

2.   结构设计

20 kV/20 kHz脉冲发生器系统由高压电源部件、高压开关部件、MOSFET时序产生部件、脉冲形成线部件和谐振充电部件组成。

高压电源部件：220 V/50 Hz供电，产生0~12 kV直流电压，为电缆形成线充电。

高压开关部件：由25个单元开关电路串联构成。单元电路结构如图 2所示，每个单元线路由光接收器、集成驱动器、MOSFET开关、均压电路等构成。为确保快前沿输出，集成驱动器和MOSFET采用IXYS公司的RF630和DEI 102N21A芯片，其中RF630可输出最大30 A的驱动电流，DEI 102N21A开关速度在5 ns以下。其中R₂，R₃为直流均压电阻，LED为MOSFET诊断指示，当MOSFET击穿时，LED不发光。R₄，C₁对MOSFET两端的过压吸收，对于每个MOSFET来说，随着其所处级数的位置增加，需要吸收的能量越大，设计时可以预估算其吸收值，在实验中再进行调整。单元板为直径140 mm的圆形PCB，MOSFET上装配高度约12 mm的散热器。单元结构之间的D，S电极连接由Z字形铜片连接，25级单元电路串联堆叠尺寸约高60 cm。

图  2  单级MOSFET线路结构图

Figure  2.  Electrical schematic of single cell

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MOSFET时序产生部件：该装置为MOSFET驱动提供25路触发信号，每路触发信号的延时范围为100 ns，延时步长为100 ps。通过调整延时量，确保25路单元信号导通同步。该部件包括上位机、ARM控制模块、FPGA数字延时设定模块、延时芯片、光输出模块，其线路结构如图 3所示。为了保证其输出波形的稳定性，机箱内所有散热元件采用绝缘导热材料灌充至机壳，以保证长时间工作时控制信号输出的同步精度达到要求。

图  3  MOSFET时序产生部件示意图

Figure  3.  Functional block diagram of MOSFET timing device

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脉冲形成线部件：采用3根SYV-75-9的电缆如图 1中的T1，T2，T3所示连接。

谐振充电部件：如图 1中的L，D，C所示，将3个器件连接在一个固定的绝缘板上。其中，电感采用棒状磁芯，电感量约580 mH；高压二极管选用北京市中润中电高压电阻有限公司的UML30 kV，0.6 kA快恢复高压二极管；电容采用12 nF的高压陶瓷电容。

实验用脉冲发生器的主开关、充电部件、脉冲形成线置于一个密闭的金属机箱内，如图 4所示。高压电源和MOSFET时序产生部件置于机箱外。

图  4  脉冲源主要结构装置

Figure  4.  Main structure of pulse generator

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3.   脉冲源测试结果及分析

脉冲源的测试示波器采用LeCroy104Xi，高压探头采用Tektronik P6015A。在200 Ω负载上，测试波形如图 5所示。从图 5来看，25级输出脉冲前沿约20 ns，脉冲半高宽约40 ns。当单级脉冲源工作时，输出脉冲前沿约5 ns，宽度大致与电缆延时长度一致，约20 ns，可见多级输出不仅使前沿变慢，且使得后沿也变慢，最终导致了波形的展宽。

图  5  25级脉冲源输出波形

Figure  5.  Output pulse wave of 25-cell stack

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为了解多级串联堆叠造成波形的展宽的原因，对实际线路进行分析发现：首先，高压开关部件中多个单元板之间级联，存在级联电感，每个MOSFET的输出端D，S也存在引线电感，根据器件规格书和矩形连接器(2.5 cm×2.5 cm×0.2 cm)电感计算公式^[13]，估算高压开关部件电感约185 nH；其次，高压开关部件对地存在分布电容，每一级的分布电容可以依据文献[5]进行估算，总分布电容估算约1.2 nF；第三，形成线连接虽然距离较小，但也存在着一定的分布电感、电容，由自由电缆电感估算和电缆结构电容估算，其分布电感电容应在10 nH、几个pF；第四，负载连接线与大地之间的引线较长，大致有40 cm，其引线电感在200 nH左右。根据以上分析，建立了带分布参数的仿真线路，如图 6(a)所示。图 6(b)为依据实际装置估算分布电感后的仿真波形，可以看到仿真波形与实测波形近似。调整图 6(a)的各项参数，发现高压开关部件的分布参数对波形影响很大，这说明高压开关的结构设计是决定脉冲波形的关键性因素。

图  6  脉冲发生器仿真线路及仿真波形

Figure  6.  Emulational circuit and waveform of pulse generator

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4.   结论

本文给出了一种25级MOSFET串联产生高压脉冲波形的设计，线路采用单根传输线产生2个矩形纳秒脉冲，再用传输线变压器(TLT)对2个脉冲进行功率合成，实现了在200 Ω负载上可输出幅度约20 kV、脉冲宽度约40 ns、重复频率20 kHz的脉冲。根据测试脉冲波形和依据脉冲源结构，建立了脉冲源仿真电路，对比实验和仿真结果，分析了分布参数电感电容对脉冲波形的影响，为后续脉冲源波形的提高提供了的设计基础。虽然利用该装置产生的高重复频率脉冲源目前已应用于C波段的BWO实验平台获得了频率5.52 GHz、重复频率为20 kHz的微波信号，但微波源的扩展频谱由于前沿的缓慢导致扩展有限，下一步将依据仿真分析改进脉冲源装置，实现快前沿的输出以拓展更宽的频谱。