基于功率MOSFET的激光器外觸發(fā)系統研制

激光器對外觸發(fā)系統的設計參數要求如下：
(1)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)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(chǎn)生普克爾盒觸發(fā)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(shí)可調；
(3)外觸發(fā)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(fā)系統在功率源高壓大電流強輻射的惡劣環(huán)境中正常工作。
2 理論設計與分析
激光器外觸發(fā)系統由控制信號產(chǎn)生和控制信號觸發(fā)2部分組成，二者之間通過(guò)普通多模光纖(工作波長(cháng)為820 nm)進(jìn)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(chǎn)生、輸出信號隔離及轉換(電/光)等功能在控制信號產(chǎn)生單元內實(shí)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(fā)單元，完成通過(guò)光纖傳輸而來(lái)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(fā)輸出等功能。
2.1 控制信號產(chǎn)生單元設計
控制信號產(chǎn)生單元分為2部分：
(1)脈沖觸發(fā)信號發(fā)生器。用于產(chǎn)生控制功率MOSFET器件、功率晶體管工作的脈沖觸發(fā)信號，具有輸出脈沖的個(gè)數、脈寬及頻率可調的能力，輸出為T(mén)TL電平。采用工業(yè)PC，內置NI定時(shí)/計數卡PCI-6602，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統編制計算機人機界面，設置工作參數，編程產(chǎn)生激光器外觸發(fā)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(shí)/計數通道，輸出脈沖信號上升沿實(shí)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(fā)信號和功率MOSFET的輸出電壓，具有響應快、不失真的特點(diǎn)。光纖發(fā)送器件選用HFBR-1414，其帶寬可達5 MHz，滿(mǎn)足脈寬為數百?滋s的觸發(fā)脈沖信號傳輸要求。
2.2 控制信號觸發(fā)單元設計
控制信號產(chǎn)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(guò)多模光纖傳輸至控制信號觸發(fā)單元的光信號轉換為T(mén)TL電信號。
(2)功率MOSFET驅動(dòng)/功率晶體管驅動(dòng)電路，前者用于將低電平的TTL信號提升到可以用來(lái)驅動(dòng)功率MOSFET器件的電平，以產(chǎn)生脈沖上升沿≤5 ns的激光器普克爾盒觸發(fā)信號。后者用來(lái)產(chǎn)生閃燈觸發(fā)信號。
(3)功率MOSFET器件。MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)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(shí)由于它的導通電阻在理論上沒(méi)有上限值，因此導通時(shí)的能量損失可以非常小。其優(yōu)點(diǎn)是：具有非?？斓膶ê完P(guān)斷能力(ns量級)；非常低的觸發(fā)能量；能工作在高重復頻率下(MHz量級)；使用壽命長(cháng)(平均109次)；高效率、脈寬可以調節(輸出由輸入觸發(fā)信號決定)。經(jīng)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(shí)時(shí)間Td(on)為3.9 ns，關(guān)斷時(shí)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(dòng)電路所使用的低壓電源。它配裝有專(zhuān)用保護板，具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流短路及反接保護功能，進(jìn)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(fā)單元與前級控制信號產(chǎn)生單元及后級功率源高壓工作回路因電源共地而可能產(chǎn)生的高壓擊穿等危險因素。
如圖2所示，變換后的TTL電平經(jīng)整形、功率MOSFET/功率晶體管驅動(dòng)、脈沖變壓器隔離輸出至激光器。為了保證觸發(fā)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(jìn)行電氣隔離。