應(yīng)用IGBT串聯(lián)的固態(tài)脈沖調(diào)制器分析

姬新陽，黃旭東

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 孟州 454750）

0 引 言

現(xiàn)代雷達對脈沖發(fā)射機的射頻性能提出了苛刻的要求，而調(diào)整射頻脈沖質(zhì)量的關(guān)鍵在于脈沖調(diào)制器。以往脈沖調(diào)制器較多采用電真空管作為開關(guān)管，但其工作壽命短、重量體積大、工作電壓高以及在真空度變差情況下可能會出現(xiàn)打火等較多的缺陷令人不得不另辟途徑，半導(dǎo)體的發(fā)展為此奠定了基礎(chǔ)[1]。

近年來，隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，尤其是近乎理想的剛性開關(guān)器件——絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）技術(shù)的逐步成熟，以及其應(yīng)用技術(shù)的突破與發(fā)展，固態(tài)鋼管脈沖調(diào)制器技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，采用IGBT的固態(tài)鋼管脈沖調(diào)制器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

1 脈沖調(diào)制器組成和分類

雷達發(fā)射機廣泛采用脈沖調(diào)制方式，包括常規(guī)的簡單矩形脈沖列調(diào)制到比較復(fù)雜的編碼脈沖或脈沖串調(diào)制[2]。

1.1 組 成

脈沖調(diào)制器本質(zhì)上是一個功率轉(zhuǎn)換器，其任務(wù)是為射頻放大管提供性能合乎要求的視頻調(diào)制脈沖。它把初級電源送來的交流功率率先轉(zhuǎn)換成有合適電壓的直流功率，然后再通過脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)形成和控制負載上所要求的調(diào)制脈沖[3]。它由電源部分、能量儲存部分、脈沖形成部分3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)

（1）儲能元件。它在脈沖間歇期間把電源供給的能量儲存起來，而在脈沖持續(xù)期間把儲能（或其一部分）提供給射頻負載。采用儲能元件的好處是能給負載提供高峰值功率，但不要求電源系統(tǒng)有高的峰值功率。儲能元件可以是電容或電感，主要由電容做成，也可用等效于電容的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)PFN（也稱仿真線或人工線）做成。

（2）調(diào)制開關(guān)。用來形成和控制視頻脈沖，起直流功率與視頻脈沖功率的轉(zhuǎn)換作用，故也稱能量轉(zhuǎn)換開關(guān)?？梢圆捎谜婵展堋溟l流管、晶閘管或可抗飽和電抗器做的磁開關(guān)等。在國外也有應(yīng)用新型的電子轟擊半導(dǎo)體開關(guān)（EBS）、可關(guān)斷晶閘管、MOSFET和IGBT模塊、磁聚束管、波束開關(guān)管、MOSFET和IGBT串、并聯(lián)的高壓開關(guān)組件（HVSM）等。

（3）高壓電源。把初級電源（例如市電）變換成符合要求的直流高壓電源。直流電源包括低壓電源和高壓電源兩種，低壓電源供給調(diào)制脈沖預(yù)處理電路使用，高壓電源供給調(diào)制脈沖形成電路使用。

（4）射頻發(fā)生器。射頻發(fā)生器就是射頻放大管，通常有微波三極管、微波四級管、線性注微波管（O型管）[4]及正交場微波管（M型管）等。

（5）限流元件。其作用主要有3個：1）構(gòu)成儲能元件的充電通路；2）防止調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通時電源被短路；3）減小脈沖后沿。它常有電阻、電感或二者串聯(lián)組成。

1.2 脈沖調(diào)制器的分類和特點

脈沖調(diào)制器主要用于以脈沖方式工作的雷達發(fā)射機或電子加速器的微波源上[5]，主要有軟性開關(guān)調(diào)制器、剛性開關(guān)調(diào)制器和柵極調(diào)制器3種類型。

軟性開關(guān)調(diào)制器主要采用人工線形成脈沖寬度，應(yīng)用在脈沖寬度變化不多、對波形要求不太嚴格的發(fā)射機中。

剛性開關(guān)調(diào)制器又稱剛管調(diào)制器，剛管調(diào)制器的關(guān)斷只受激勵控制，因此發(fā)射機脈寬可瞬時變化。另外剛管調(diào)制器還有脈沖頂部平坦和脈沖前后沿好等優(yōu)點。當(dāng)雷達有多種發(fā)射脈沖寬度時，發(fā)射機的調(diào)制器只能采用剛性開關(guān)調(diào)制器。

柵極調(diào)制器具有輸出波形好、功率小、電壓較低、波形變化靈活等特點。

2 某固態(tài)剛性調(diào)制器

圖2是某固態(tài)剛性調(diào)制器的原理框圖，它的功能是通過開關(guān)模塊的導(dǎo)通和截止，把調(diào)制器電源提供的直流電壓變成脈沖高壓，為單注速調(diào)管提供所需的工作電壓。它主要由調(diào)制開關(guān)模塊及其驅(qū)動電路、儲能電容、限流電阻器、高壓脈沖變壓器等組成。該調(diào)制器由8路（圖中僅畫出一路）完全相同的調(diào)制單元并聯(lián)組成，每路輸出一定的功率，通過脈沖變壓器初級8個相同的繞組并聯(lián)進行功率合成，輸出速調(diào)管所需的直流脈沖功率，從而降低了單路調(diào)制器的負荷，提高了調(diào)制器的可靠性。

該脈沖調(diào)制器的工作原理如下：雷達系統(tǒng)同步器送過來同步脈沖經(jīng)脈沖同步器處理和放大后，輸出8路幅度一致，脈沖寬度和延時時間可單獨調(diào)整的同步脈沖信號，通過IGBT模塊驅(qū)動電路進行功率放大后，驅(qū)動8路調(diào)制單元中的IGBT模塊同時導(dǎo)通，導(dǎo)通管壓降幾乎為零（大約3V），所以脈沖變壓器初級繞組與IGBT模塊相連的一端電位降到零電位，這樣調(diào)制器電源、限流電阻、IGBT模塊構(gòu)成回路，調(diào)制器電源將加到脈沖變壓器初級的兩端，脈沖變壓器初級產(chǎn)生脈沖電壓。在同步脈沖信號過去以后，IGBT模塊同時全部關(guān)斷，調(diào)制器電源電壓全部加在IGBT模塊的兩端，電路中的電流為零，脈沖變壓器初級電壓為零。

圖2 某型雷達調(diào)制器組成原理框圖

3 IGBT使用中需要注意的地方

3.1 IGBT的選取

IGBT工作電壓和電流由速調(diào)管和脈沖變壓器變比決定，由于IGBT關(guān)斷時T1漏感產(chǎn)生的反電勢與高壓電源電壓相加后共同作用在IGBT管上，同時還應(yīng)考慮速調(diào)管G1打火時電流增加引起的T1漏感產(chǎn)生的反電勢增大，一般高壓電源工作電壓應(yīng)小于IGBT管極限電壓的2/3或1/2[6]。IGBT可耐較大的過電流，可重復(fù)通過兩倍的極限電流，可單次通過10倍的極限電流。因此在保護電路可靠的情況下，IGBT的工作電流應(yīng)小于極限電流。此調(diào)制器選用的IGBT型號為FZ800R33KF2C，IGBT極限電壓3 300 V，極限電流800A，經(jīng)計算，脈沖變壓器初級脈沖電壓為3.48kV，初級脈沖電流為143.75A（單路），使用單個IGBT管體壓降達不到要求，因此采用3個IGBT模塊串聯(lián)的方式，電壓和電流都有比較充足的冗余量，具有較高的可靠性。

3.2 采用合適的均壓電路

當(dāng)IGBT模塊串聯(lián)使用時，必須采用均壓措施，防止多個IGBT之間承受電壓不均衡導(dǎo)致其中一個IGBT過壓損壞，均壓電路包括直流（靜態(tài)）均壓和瞬態(tài)（動態(tài)）均壓。采取的靜態(tài)均壓方法是在開關(guān)組中每個IGBT旁并聯(lián)靜態(tài)均壓電阻[7]，該調(diào)制器均壓電路如圖3所示，圖中R2為直流均壓電阻，即IGBT關(guān)斷以后的均壓元件，R2的取值應(yīng)使其流過的直流電流大于開關(guān)管的漏電流，以保證均壓的效果，又要保證其不超過電路設(shè)計時所允許的泄放電流值。壓敏電阻R1起瞬態(tài)均壓作用，主要在串聯(lián)鏈導(dǎo)通的前沿階段和阻斷的后沿過程中起到均壓作用，對脈沖的尖峰起鉗位作用，保護IGBT免受脈沖尖峰過壓損壞。

圖3 均壓電路

3.3 IGBT的保護

IGBT損壞的原因主要有3種形式：集電極和發(fā)射極過壓后引起IGBT擊穿；柵極過壓損壞；過熱損壞。針對這3種形式的損壞必須對IGBT設(shè)置保護電路：

（1）IGBT集電極和發(fā)射機過壓損壞，主要由于負載短路后，引起變壓器初級電流過大，變壓器漏感產(chǎn)生的反電勢過大。保護方式主要采取阻尼電路，鉗位電路和吸收網(wǎng)絡(luò)。除上述電路外還可采用大功率的壓敏電阻等方法，壓敏電阻可吸收ns級的電壓尖峰。

此調(diào)制器中采用15個電阻并聯(lián)作為限流電阻，并在均壓電路中設(shè)計壓敏電阻吸收脈沖尖峰，能有效避免由于速調(diào)管出現(xiàn)直流打火或脈沖變壓器出現(xiàn)高壓打火時引起的IGBT損壞。

（2）過熱保護可在IGBT的散熱器上安裝溫度繼電器。

（3）IGBT雖可承受較大的過電流，但必須設(shè)置過流保護，因較大的電流會引起變壓器漏感的反電勢增大，引起IGBT過壓擊穿。當(dāng)流過IGBT的電流超過IGBT極限電流的兩倍時，必須切斷同步脈沖，否則會因過流后發(fā)熱而損壞。此調(diào)制器設(shè)計了過流保護板，對IGBT電流進行實時監(jiān)測，防止IGBT過流損壞。

4 結(jié)束語

文中介紹的采用IGBT串聯(lián)的固態(tài)剛性調(diào)制器，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，具有一定的代表性。雷達發(fā)射機調(diào)制器的固態(tài)化、小型化、高可靠性和高效率是其不斷追求的目標，同時也是今后一個時期的發(fā)展趨勢。IGBT作為一種性能優(yōu)異的固態(tài)開關(guān)管，對促進雷達發(fā)射機技術(shù)的進步有一定意義。

[1]陳新明，胡中兵，胡英.IGBT在雷達發(fā)射機中的應(yīng)用[J].雷達與對抗，2009（1）：54-58.

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[3]魏智.發(fā)射機高壓脈沖調(diào)制器的設(shè)計與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：7-8.

[4]蔡金燕，楊長全.微波器件與電路[M].石家莊：兵器工業(yè)出版社，2003：223-224.

[5]鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發(fā)射機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：133-134.

[6]孫榮棣，戴廣明.IGBT在雷達發(fā)射機調(diào)制器中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達，2002（4）：66-69.

[7]任德龍.IGBT串聯(lián)技術(shù)在雷達脈沖調(diào)制器中的應(yīng)用[J].電氣開關(guān)，2007（6）：46-49.