1、基于射频场效应管的快速电光调 Q 驱动电路设计张 鑫 1 陈满超 2 席文强 1 郑家凤 1 王 捷 1（1 华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430073；2 延长集团陕西化建工程有限公司，陕西 西安 710003）摘要 针对电光 Q 开关速度快的特点，提出基于射频场效应管电光调 Q 驱动电路的设计方法。通过选择电磁对称性器件，多个电容并联，元器件及走线空间对称分布以较好的符合电磁对称性要求，使得回路等效电感降低。通过该方法可获得上升沿约 16ns 幅度大于 5000V 电光调 Q 开关驱动信号。该研究为高速高压电路设计提供了参考。关键词 电光 Q 开关；射频场效应管；驱动
2、电流；电磁对称中图分类号 TN2 文献标识码 A 1 引言电光 Q 开关是产生高峰值功率激光脉冲关键器件 1，影响电光调 Q 激光电光效率的一个重要因素是 Q 开关速度， Q 开关速度主要由其驱动电路决定，如何提高 Q 开关速度一直倍受关注 2-6。产生电光调 Q 脉冲常用的方法有三种：脉冲变压器法、雪崩三极管法和高频金属陶瓷三极管法 7。脉冲变压器法优点是电路结构最简单、供电电压低、输出电压宽范围可调而被广泛使用，但变压器磁芯是由普通的铁氧体环形磁芯构成的脉冲变压器典型电光调 Q 电路，其电光 Q 速度较慢，输出高压脉冲前沿时间在 40ns 左右。本文是在借鉴典型脉冲变压器电光调 Q 电路基
3、础上，对其优化，提高了 Q 开关速度。2 原理分析 HVRCTGNDPort信图 1 典型电光调 Q 驱动电路Fig1 typical electro-optic Q-switch drive circuit控制信号为低电平时，开关管 V1 断开，高压源 HV 通过电阻 R1、R2、C1 和脉冲变压器 T1 的初级线圈组成的回路为电容 C1 充电，控制信号为高电平时，V1 开通，C1 储存的能量通过 V1 快速释放，在脉冲变压器 T1 初级产生一个前沿快速下降的窄脉冲，这个窄脉冲通过脉冲变压器传递到负载（负载为电光 Q 开关） ，实现电光调 Q。通过多次实验和理论分析得出影响调 Q 速度主要因
4、素有以下几点：1) 驱动开关管 V1 的控制信号的驱动能力；2) 开关管 V1 的开通速度；3) 由 V1、C1 和变压器 T1 初级构成主回路器件和走线的布局。3 硬件设计与分析3.1 开关管选择V1 通常使用 MOSFET（金属氧化物场效应三极管） ，典型 MOSFET 开通时间在2050ns，显而易见用这样开关管得到速度低于 20ns 高压驱动信号是很难实现的。因此应选择开关速度很快射频场效应管，通过多次实验，开关速度小于 5ns 时，所得结果比较理想。3.2 开关管控制信号驱动电流估算对开通速度为 5ns 的场效应管所需的栅极驱动电流 Ig 做以下分析和估算。图 2 为MOSFET 等
5、效电路图 8-11。图 2 MOSFET 等效电路Fig.2 Equivalent circuit diagram of MOSFET图 2 中 MOSFET 管开关开通过程一旦建立，流过栅源电流 Ig 只有几个 nA，栅极的驱动电流 Ig 就可以忽略。然而在栅源极和栅漏极分别有一个不能忽略的电容 Ciss 和 Crss，如果MOSFET 管快速开通，则需要较大瞬间电流 Ig。所需驱动电流估算如下：在 tr 时间（开关管 V1 开通上升时间）内栅极驱动电压为 VGS，所需要的平均电流值 I1 为(1)rGSisistCdI1考虑米勒效应 6，栅极驱动电压达到 VGS 时，漏源极间电压由供电电压
6、 US 下降到到导通电压。这样栅漏电容 Crss 的上端电压下降了 US（忽略 MOSFET 导通时漏源压降） ，它的下端电压上升 VGS(开通时栅源电压)。完成这个过程所需要的电流是(2)rGsrstdtI)(2从（2）式可以看出，即使 Crss 很小（一般为 Ciss 的十分之一或更小） ，如果漏源电压US 很大，那么电流 I2 也很很大，也就是说，在漏源电压 US 比较高的时候，米勒效应影响不可忽略。需要的总驱动电流为(3)12()isGSrsSgVIt常用封装为 TO-247 封装的功率 MOSFET 管，C iss、C rss 典型值分别为 2700pF 和300pF， 如果 tr
7、取 5ns，V GS 取 5V、U s 取 200V。带入公式（ 3）得121212 9()7050(5)(isGSrSgCI At为保证稳定可靠，瞬间驱动电流应该是 23 倍的 Ig，但瞬间驱动能力能达到 30 多安驱动芯片很少见。由此可见控制信号的驱动能力对于提高调 Q 速度至关重要。3.3 器件和走线布局高速电路的器件和走线布局非常重要，对于图 1 电路，如何减小 V1、C1 的寄生电感，如何减小回路走线的电感对于开通速度影响很大。回路电感大小满足以下表达式 。LA式中 L 表示电感， 表示回路面积， 表示导电宽度。要减小电感，就必须降低 ，增加AA，在实际应用中，降低 ，增加 是有限度
8、的，如果想更进一步降低电感，就必须向采用其他方法。实际上电感存在，就是在电流变换的过程中利用磁场(B)储存能量作用，如果能减小或消除电路中由于电场变化产生磁场的磁能，那么回路等效电感将随之减小甚至消除，可以利用两个幅度相同、方向相反的磁场向量的耦合而相互抵消来减小甚至消除磁场，达到回路等效电感减小甚至为零的效果，这就要求在器件布局和走线的过程中减小回路面积 A，增加导电回路宽度 的同时，选择具有电磁对称性器件，并尽可能在走线和布局上符合电磁对称性要求，以减小回路的等效电感。4 电路器件选择、布局及实验结果图 3 中关键器件 U5 选择为艾赛斯公司 (IXYS)一款高功率射频功率场效应管 DEI
9、275，漏源电压可达 500V，最大脉冲电流 96A，开通关断时间小于 3ns。U2 为一款专用驱动芯片 IXDD415，双路输出，每路输出能力可达 15A，开通关断时间小于 3ns12。图 3 主电路Fig3 Main circuit关键器件 U5 和驱动芯片 U2 选择电磁对称性器件，U2 的旁路电容在空间上对称分布，在取值上对应相等，保证从 U2 的 OUTA（22、23、24 管脚）经过 U5 的 2 管脚到达 U5的 1 管脚的电流 I1 与相对称的电流 I2 大小相等并在空间上形成电磁对称性。电容的容值越大其寄生电感也越大，为了降低电容的寄生电感对电路性能的影响，采用多个小电容并联
10、，可显著降低电容的寄生电感，多个电容的对称分布保证在 U5 开通的瞬间电流 I3 与 I4大小相等并在空间形成电磁对称性。在实验过程中对一些关键波形进行了仔细观察和记录。实验用的示波器为：Agilent infiniium MSO6104A 1GHz 4GSa/s；信号源为：Agilent 33220A 20MHz Fuction/Arbitary；供电电源：Agilent E3631A。射频场效应管关断波形如图 4。低压示波器探头衰减 10 倍，高压示波器探头为 Tektronix P6015A 1000，3.0pF，100M。从图 4（a)中可以看出，漏源电压从 200V 降到 0V 所需
11、要的时间大约 2ns，变压器输出波形如图 4(b)，幅度 5130V，上升沿 15.4ns。该电路已应用于某型灯泵浦脉冲固体激光器中，激光器静态输出能量500mJ，调 Q 后输出能量 362mJ，动静比为 72.4%： 图 4 输出波形Fig Output waveform5 结论通过对典型电光调 Q 电路原理分析，得出影响调 Q 速度主要因素为：控制开关管信号的驱动能力，开关管的开通时间，器件和走线的布局。通过选择开通速度快（约 3ns）的射频场效应管，驱动能力强（约 15A）的专用驱动芯片，并且器件的布局和走线满足电磁对称性要求，从而降低回路的等效电感，提高了 Q 开关速度，获得较好的实验
12、效果，具有一定实用价值。本文对高速高电压电路设计具有一定的参考价值。如何降低电路对外干扰的问题有待更进一步研究。参考文献1 Haikuan Kong, Jiyang Wang, Huaijin Zhang, et al. Growth, properties and application as an electrooptic Q-switch of langasite crystalJ.Journal of Crystal Growth,2003,254(1):360367.2 侯惠民,张玉峰,姚大虎.高重频NdYAG 激光器的可靠性设计J.激光与红外,2002,32(3):180-181.
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16、itute of Electro-Optics-Wuhan National Laboratory for Optoelectronics，Wuhan 430073，China)Abstract Aiming at the characteristics of high speed for Q-switch, novel design methods of high speed Q switch driver circuit based on radio frequency field effect transistor is proposed. The main circuit loop e
17、quivalent inductance is reduced by selecting high speed radio frequency field effect transistor, special IC driver, components layout and routing meet electromagnetism symmetry. Q-switch drive pulse with rise time about 16ns voltage magnitude more than 5000V is obtained though this method. This research provides a reference for the design of high speed high voltage circuit.Key words electro-optic Q-switch；radio frequency field effect transistor；drive current；electromagnetism symmetry作者简介：张鑫（1979-） ，男，工程师，主要从事信号处理，模拟电子技术研究。E-mail：
