雙級升壓高速電光調Q驅動電路設計

張超 陳煥紅 劉雪峰 石志成 張艾

雙級升壓高速電光調Q驅動電路設計

張超1陳煥紅2劉雪峰1石志成1張艾1

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 北京軒宇信息技術有限公司，北京 100190）

電光調Q是獲取高峰值功率激光脈沖的有效手段，傳統單一脈沖變壓器升壓存在電光調Q電壓調整范圍受限、高壓脈沖上升時間過長等問題。文章通過雙級升壓方式進行了高速電光調Q驅動電路設計，實現了電光調Q電壓高幅值和高速率的需求。其中一級升壓采用反激式變換器原理，輸出幅值可調的一級高壓，擴展了電壓調整范圍；二級升壓采用馬克思（Marx）發生器原理，通過電壓倍增的方式輸出二級高速高壓脈沖信號。該設計電路與激光發射機驅動源的聯試結果顯示：通過調整反饋偏置直流工作點，使一級反激式變換器升壓輸出范圍在150～550 V，二級Marx發生器升壓輸出范圍1 500～4 000 V，高壓脈沖上升時間小于30 ns；相比于傳統單一變壓器控制方法，調Q電壓輸出的范圍更寬，增幅近1 000 V；高壓脈沖上升時間更短，僅為23～28 ns。試驗證明雙級升壓設計能夠為電光調Q晶體提供調整范圍更寬的高速率驅動高壓，進而獲得高峰值功率的激光脈沖。

激光測距 電光調Q 反激式變換器 馬克思發生器 雙級升壓

0 引言

隨著空間探測技術的發展，激光器在天基主動成像、空間激光通信、空間激光雷達、激光精密測繪等應用領域備受關注[1-3]。電光調Q因具有輸出脈寬窄、效率高等優點，是獲取高峰值功率激光輸出的有效手段[4-5]。

目前，實現電光調Q高壓高速脈沖輸出通常采用脈沖變壓器控制方法[6-8]。傳統脈沖變壓器法原理是通過供電電源對脈沖變壓器源邊電容進行儲能，當接收到控制觸發脈沖信號后，開關器件變為導通狀態，對脈沖變壓器源邊電容儲存的能量快速釋放，進而在脈沖變壓器副邊感生出瞬態高壓脈沖[9-11]。這種傳統的單一脈沖變壓器升壓方式的控制電路較為簡單，但是對脈沖變壓器性能以及供電電源要求比較苛刻[12]。升壓性能受限于變壓器線圈，并且在脈沖變壓器規格確定后，若想輸出電壓范圍可調的高壓脈沖，需要調整供電電壓幅值，對供電電源要求較高，這意味著輸出電壓的可調范圍在一定程度上受到限制[13-14]。此外普通鐵氧體環形磁芯構成的變壓器產生的高壓脈沖上升時間為50～100 ns，脈沖前沿緩慢[15]。

為解決傳統單一脈沖變壓器升壓存在電壓調整范圍受限、高壓脈沖上升時間過長、升壓方式對脈沖變壓器性能以及供電電源要求過于依賴等不足，本文采用金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）作為電光調Q開關器件，利用MOSFET電壓可調范圍寬、開關速度快、工作頻率高等特性[16]，設計了基于反激式變換器與Marx發生器的兩級升壓電路。在MOSFET關斷和導通瞬間，對一級反激式變換器進行單端反激升壓，通過升壓偏置點設置，有效調整一級輸出電壓范圍，降低對供電電源要求。二級Marx發生器進行儲能電容級聯放電，由于發生器內部高儲能密度、低電感電容器的特性[17-19]，可以保證輸出脈沖的上升時間。相比同類型產品，雙級升壓調Q驅動電路結構簡單且控制方便，內部所用器件電氣性能滿足航天器元器件降額標準，并且綜合考慮了硬件電路的電磁兼容與工藝防護等問題。輸出的高速率驅動高壓脈沖能夠改變激光器腔體的Q因子，使腔內的光子數量獲得雪崩式的增加，最終產生高峰值功率的激光脈沖。

1 設計架構

雙級升壓高速電光調Q驅動電路框圖如圖1所示，由一級反激式變換器升壓電路、二級升壓觸發信號驅動電路、二級Marx發生器升壓電路組成。一級反激式變換器升壓電路根據激光發射機驅動源輸出的控制信號進行信號調理，輸出一級高壓電；二級升壓觸發信號驅動電路接收一級高壓電，并結合激光發射機驅動源提供的觸發脈沖，輸出晶體管開關信號；二級Marx發生器升壓電路接收一級高壓電，并結合晶體管開關信號，輸出調整范圍為1 500～4 000 V的二級高壓脈沖信號，為激光器腔體內部的電光調Q晶體提供幅值可調的調Q驅動高壓。

圖1 雙級升壓高速電光調Q驅動電路架構

2 電路設計

2.1 一級反激式變換器升壓電路

一級反激式變換器升壓電路主要由脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制芯片、DA集成芯片、運算放大器、MOSFET、反激式變壓器構成，具體組成如圖2所示。該電路通過PWM控制芯片U1進行雙閉環控制，首先由采樣電阻R0兩端電壓作為電流內閉環進行反饋，然后反激輸出的一級高壓電經升壓偏置點調理后，作為電壓外閉環進行反饋，從而提升電壓和負載調整率。U1輸出信號驅動MOSFET K0的導通和關斷，當K0關斷瞬間，由反激式變壓器T0進行反激升壓。為實現調Q電壓1 500～ 4 000 V的輸出范圍，綜合下一級升壓電路能力，將激光發射機驅動源提供的+15 V電壓反激升壓至150～550 V。整流二極管D0（2CZ0112）耐壓值為1 200 V，能夠滿足降額設計要求。

圖2 一級反激式變換器升壓電路組成

為實現一級反激式變換器升壓電路輸出的高壓1程控可調，采用反饋偏置直流工作點的方式對其進行150～550 V的電壓調整，達到調Q高壓的輸出范圍要求。圖2中時鐘信號、使能信號和數據信號由激光發射機驅動源提供，對DA集成芯片U2進行控制。在輸出一級高壓1反饋通路中，增加運放U3A來調整輸出電壓。將U2輸出電壓和一級輸出高壓1進行綜合邏輯處理，產生的電壓信號FB輸入給PWM控制芯片U1作為電壓外閉環進行反饋，即以主動調整反饋強度的方式來調整PWM信號占空比，從而達到一級高壓輸出范圍可調。

2.2 二級升壓觸發信號驅動電路

二級升壓觸發信號驅動電路主要由高速驅動芯片、MOSFET、脈沖變壓器、穩壓二極管和儲能電容構成，如圖3所示。在MOSFET K9關斷時，利用耐高壓電容C2和C3進行充電儲能；在MOSFET K9導通時，C2和C3中的電荷迅速釋放，在脈沖變壓器T1和T2的源邊產生感生電流，進而在副邊激勵生成正向電壓，保證MOSFET K1～K8同步開啟。副邊正向電壓通過穩壓二極管D1～D8進行保護，防止K1～K8的柵源間壓差過大損傷器件。

圖3 二級升壓觸發信號驅動電路組成

為減小電路規模，實現電光調Q驅動電路的微型化，T1和T2采用1拖4小型化脈沖變壓器，源邊與各副邊匝數比為1﹕1﹕1﹕1﹕1。選擇合適的C2和C3規格，充電時滿足儲能需求，放電時保證副邊激勵電壓能夠使MOSFET可靠導通。調Q二級高壓上升時間短，對開關器件的開啟速度、耐壓值都提出了很高的要求。選擇的MOSFET其漏源極耐壓值可達1 000 V，導通時間小于30 ns，抗電離總劑量（TID）能力≥300 krad(Si)，抗單粒子效應（SEE）的線性能量傳輸（LET）閾值≥90 MeV·cm2/mg，能夠滿足調Q二級高壓電路要求。在MOSFET K9高速導通瞬間，K9門級對驅動電流的瞬時峰值電流需求很大，但是開啟后的電流需求卻很小，傳統OC門形式的電路結構在接收高速觸發脈沖后易產生信號畸變而失真，因此選擇高速驅動芯片U4，其峰值驅動電流、灌電流都能達到3 A，具有更強的驅動能力，并且其抗電離總劑量（TID）能力≥100 krad(Si)，抗單粒子效應（SEE）的線性能量傳輸（LET）閾值≥75 MeV·cm2/mg，滿足器件抗輻照指標要求。二級升壓觸發信號通過U4輸出驅動信號，控制K9高速導通和關斷，同時保證K1～K8的高速同步通斷。

2.3 二級Marx發生器升壓電路

二級升壓采用8階Marx發生器電路（如圖4所示），考慮硬件電路的電磁兼容與工藝防護問題，該發生器電路分為兩組進行設計。當MOSFET K1～K8關斷時，一級高壓1對儲能電容C4～C11進行充電，C4～C11兩端的電壓值均為1；當K1～K8導通瞬間，利用MOSFET的高速和同步性能，使儲能電容C4～C11進行級聯放電，放電路徑繞過電阻R12～R28。其中第一組Marx發生器電路輸出的二級高壓正電壓H+相對QGND的電壓為+750～+2 000 V，第二組Marx發生器電路輸出的二級高壓負電壓H–相對QGND的電壓為–2 000～–750 V。這種設計方式從電氣安全間距防護等問題上更利于實現電路的微小型設計，并且可有效減弱高壓信號電磁干擾的影響。H+和H–分別接到激光器腔體內部的電光調Q晶體兩端，以實現高速的1 500～4 000 V二級高壓輸出。

圖4 二級Marx發生器升壓電路組成

3 試驗驗證

為驗證電光調Q驅動電路的性能指標，搭建了系統控制鏈路試驗測試平臺。電光調Q驅動電路接收激光發射機驅動源提供的供電電壓、控制信號以及觸發脈沖信號，驅動電路的負載為激光二極管泵浦固體Nd：YAG激光器。用示波器監測一級反激式變換器升壓電路和二級Marx發生器升壓電路相關信號波形，包括一級反激式變換器升壓電路中PWM控制芯片U1的PWM輸出、一級升壓電路輸出高壓1、激光發射機驅動源輸出的觸發脈沖以及二級Marx發生器升壓電路輸出的調Q電壓，其中調Q電壓的測量通過1 000︰1高壓衰減探頭進行測量。1 500 V調Q電壓的測試波形以及局部放大波形如圖5和圖6所示。

圖5 調Q電壓1 500 V測試波形

圖6 調Q電壓1 500 V測試波形局部放大

從圖5和圖6中可以看出，控制芯片U1的PWM輸出占空比較低，一級升壓電路輸出高壓1接近190 V，在接收到激光發射機驅動源1ms的觸發脈沖后，調Q驅動電路輸出調Q電壓1 500 V，上升時間23 ns。

通過激光發射機驅動源提供的控制信號，對一級升壓偏置點調理電路直流工作點進行調整。調Q電壓4 000 V時的測試波形以及局部放大波形如圖7和圖8所示。

圖7 調Q電壓4 000 V測試波形

圖8 調Q電壓4 000 V測試波形局部放大

由圖7和圖8可以看出，控制芯片U1的PWM輸出占空比已經較高，一級升壓電路輸出高壓1達到500 V，在接收到激光發射機驅動源1ms的觸發脈沖后，調Q驅動電路輸出調Q電壓4 000 V，上升時間28 ns。

針對上述測試發現，在帶載情況下，雙級升壓高速電光調Q驅動電路能夠輸出調整范圍為1 500～ 4 000 V的高壓脈沖信號，脈沖上升時間小于30 ns，優于激光測距系統要求的50 ns技術指標，并且比傳統單一脈沖變壓器升壓方式快了約40 ns。

4 結束語

本文設計了一種基于反激式變換器與Marx發生器的雙極升壓電光調Q驅動電路，并與激光發射機驅動源進行了聯試。試驗結果表明，調Q電壓可調輸出范圍達到1 500～4 000 V，高壓脈沖上升時間為23～28 ns。相比于傳統單一變壓器控制方法，電壓輸出的范圍增幅近1 000 V，脈沖上升時間減小近40 ns。該調Q驅動電路針對二極管泵浦固體Nd：YAG激光器測試，激光器輸出的單脈沖能量和寬度穩定，性能優越，可控性強。設計的雙級升壓高速電光調Q驅動電路硬件電路結構簡單，所選器件具備相應抗輻照指標，并滿足航天器元器件降額等標準要求，適用于航天領域。電路的輸出電壓調整范圍寬、上升時間短，滿足激光測距系統對激光器的指標要求，具有一定工程實用價值。

[1] 王一帆, 徐欣, 談宜東. 激光精密測距技術進展[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(6): 22-33. WANG Yifan, XU Xin, TAN Yidong. Laser Precision Ranging Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(6): 22-33. (in Chinese)

[2] 張海濤, 李祝蓮, 湯儒峰, 等. 陣列探測技術在激光測距中的應用[J]. 紅外與激光工程, 2020, 49(10): 132-139. ZHANG Haitao, LI Zhulian, TANG Rufeng, et al. Application of Array Detection Technology in Laser Ranging[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(10): 132-139. (in Chinese)

[3] 王蕓, 林栩凌, 郭忠凱, 等. 空間應用激光干涉測距技術發展綜述[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(2): 68-78. WANG Yun, LIN Xuling, GUO Zhongkai, et al. Review of High Precision Distance Metrology in Space Applications[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(2): 68-78. (in Chinese)

[4] 郭超勇, 劉繼奎, 程俊波, 等. 衛星激光通信粗跟蹤系統復合控制策略[J]. 光學精密工程, 2020, 28(4): 946-953. GUO Chaoyong, LIU Jikui, CHENG Junbo, et al. Compound Control Strategy of Satellite Laser Communication Coarse Tracking System[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(4): 946-953. (in Chinese)

[5] 王鶴, 李澤明. 激光測距儀與相機信息融合過程中位姿標定方法[J]. 紅外與激光工程, 2020, 49(4): 143-150. WANG He, LI Zeming. Calibration Method of Laser Range Finder and Camera Ininformation Fusion Process[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(4): 143-150. (in Chinese)

[6] 齊明, 鄧永濤, 張晨陽, 等. 星載高精度激光平移反射器設計與實現[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(4): 66-73. QI Ming, DENG Yongtao, ZHANG Chenyang, et al. Design and Implementation of High Precision Lateral Transfer Retroreflectors on Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(4): 66-73. (in Chinese)

[7] 王文杰, 徐偉, 樸永杰, 等. 衛星星間激光通信粗跟蹤轉臺控制系統[J]. 光學精密工程, 2021, 29(12): 2797-2805. WANG Wenjie, XU Wei, PIAO Yongjie, et al. Control System for Coarse Tracking Turntable of Laser Communication between Satellites[J]. Optics and Precision Engineering, 2021, 29(12): 2797-2805. (in Chinese)

[8] 喬凱, 高超, 高秀娟, 等. 光學遙感衛星的激光威脅及防護體制探討[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(2): 59-67. QIAO Kai, GAO Chao, GAO Xiujuan, et al. Laser Precision Ranging Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(2): 59-67. (in Chinese)

[9] 汪自軍, 張揚, 劉東, 等. 新型多波束陸海激光雷達探測衛星技術發展研究[J]. 紅外與激光工程, 2021, 50(7): 151-161. WANG Zijun, ZHANG Yang, LIU Dong, et al. Research on the Development of Detection Satellite Technology in Thenovel Multi-beam Land and Ocean Lidar[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(7): 151-161. (in Chinese)

[10] 王惠琴, 楊順信, 李亞婷, 等. 適合于大氣激光通信的雙空間調制[J]. 光學精密工程, 2020, 28(3): 565-572. WANG Huiqin, YANG Shunxin, LI Yating, et al. Double Spatial Modulation Suitable for Atmospheric Laser Communication[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(3): 565-572. (in Chinese)

[11] 劉壯, 王超, 江倫, 等. 低空高分辨率激光雷達光學系統設計[J]. 紅外與激光工程, 2021, 50(1): 280-286. LIU Zhuang, WANG Chao, JIANG Lun, et al. Design of Low Altitude High Resolution Lidar Optical System[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(1): 280-286. (in Chinese)

[12] 林蘇斌, 周云, 陳為, 等. 反激變壓器傳導共模EMI 特性分析[J]. 電機與控制學報, 2021, 25(3): 97-103. LIN Subin, ZHOU Yun, CHEN Wei, et al. Analysis of Conducted Common-mode EMI Characteristics of Flyback Transformer[J]. Electric Machines and Control, 2021, 25(3): 97-103. (in Chinese)

[13] 陳偉, 梁昊, 廖勝凱, 等. 45 kHz, 2 kV電光調制電路的設計與應用[J]. 強激光與粒子束, 2015, 27(8): 222-225. CHEN Wei, LIANG Hao, LIAO Shengkai, et al. Design and Application of 45 kHz, 2 kV Electro-optic Modulator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(8): 222-225. (in Chinese)

[14] 謝仕永, 王久旺, 孫勇, 等. 垂直腔面發射激光端面泵浦的高能量調QNd:YAG激光[J]. 光學精密工程, 2020, 28(3): 558-564. XIE Shiyong, WANG Jiuwang, SUN Yong, et al. VCSEL End-pumped High-energy Q-switched Nd:YAG Laser[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(3): 558-564. (in Chinese)

[15] 冉子涵, 趙一鳴, 李靜, 等. 全固態高重頻電光調Q激光器研究進展[J]. 遙測遙控, 2021, 42(2): 1-12. RAN Zihan, ZHAO Yiming, LI Jing, et al. Research Progress of All-solid-state High-repetition Frequency Electro-optic Q-switched Lasers[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2021, 42(2): 1-12. (in Chinese)

[16] 朱小磊, 唐昊, 李小莉, 等. 高重復頻率電光調Q全固態激光器研究進展[J]. 中國激光, 2009, 36(7): 1654-1659. ZHU Xiaolei, TANG Hao, LI Xiaoli, et al. Recent Progresses of LD Pumped Solid State Lasers with High Repetition Rate Electro-Optic Q-Switch[J]. Chinese Journal of Lasers, 2009, 36(7): 1654-1659. (in Chinese)

[17] 馮文, 顏凡江, 趙梁博, 等. 基于Marx發生器的快速Q開關驅動電路設計[J]. 紅外與激光工程, 2017, 46(9): 61-65. FENG Wen, YAN Fanjiang, ZHAO Liangbo, et al. Design of High Speed Q-switch Drive Circuit Based on Marx Generator[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(9): 61-65. (in Chinese)

[18] 戴成棟, 李孜. 固態Marx發生器均流技術研究[J]. 上海理工大學學報, 2021, 43(3): 227-234. DAI Chengdong, LI Zi. Current Sharing Technology of Solid-state Marx Generators[J]. Journal of University of Shanghai for Science and Technology, 2021, 43(3): 227-234. (in Chinese)

[19] 王海洋, 肖晶, 謝霖燊, 等. 32級模塊化Marx發生器機芯模態分析[J]. 強激光與粒子束, 2021, 33(8): 162-167. WANG Haiyang, XIAO Jing, XIE Linshen, et al. Modal Analysis of the 32-stage Modular Marx Generator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33(8): 162-167. (in Chinese)

Design of a High Speed Electro-Optic Q-Switch Driver Circuit by Double Stage Boost

ZHANG Chao1CHEN Huanhong2LIU Xuefeng1SHI Zhicheng1ZHANG Ai1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Sunwise Information Technology Ltd., Beijing 100190, China）

Electro-optic Q-switch is an effective means to obtain laser pulseswith high peak power. The traditional single-pulse transformer has shortcomings such as limited voltage adjustment range and long rise time of high-voltage pulse. In this paper, the requirement of high amplitude and high speed for the electro-optic Q-switch voltage is realized by means of double-stage boost. The first stage boost uses the principle of flyback converter, and the voltage output can be adjustable, thus effectively extending the voltage adjustment range. The second stage boost uses the principle of Marx generator, and the second stage high-voltage pulse signal is outputby voltage multiplication. The experimental results show that by adjusting the operating point of the feedback bias DC, the boost output rangesfor the double stages are respectively 150～550 V and 1 500～4 000 V, and the rise time of high-voltage pulse is less than 30 ns. Compared with the traditional single transformer control method, the range of Q-switch voltage output is wider, with an increase of nearly 1 000 V. The rise time is shorter, with nearly 40 ns reduced. The double-stage boost design can provide a high speed drive voltage with a wider adjustment range for the electro-optic Q-switch crystal and then obtain laser pulses with high peak power.

laser ranging; electro-optic Q-switch; flyback converter; Marx generator; double stage boost

TN242；TN835

A

1009-8518(2023)05-0065-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.008

2022-11-14

張超, 陳煥紅, 劉雪峰, 等. 雙級升壓高速電光調Q驅動電路設計[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(5): 65-71.

ZHANG Chao, CHEN Huanhong, LIU Xuefeng, et al. Design of a High Speed Electro-Optic Q-Switch Driver Circuit by Double Stage Boost[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 65-71. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）