基于開(kāi)關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測(cè)方法

謝 英

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

調(diào)制器是高功率發(fā)射機(jī)的重要組成部分，它直接關(guān)系發(fā)射機(jī)的性能，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的調(diào)制器可提高發(fā)射機(jī)乃至雷達(dá)整機(jī)的可靠性。傳統(tǒng)的大功率調(diào)制器一般采用真空電子管作為脈沖開(kāi)關(guān)，這類(lèi)器件存在驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路復(fù)雜、損耗大、壽命短等缺點(diǎn)，直接影響調(diào)制器的效率和可靠性。隨著半導(dǎo)體器件尤其是絕緣柵雙極性晶體管等大功率固態(tài)器件的出現(xiàn)及日趨成熟，固態(tài)剛管調(diào)制器得到迅速發(fā)展。采用大功率IGBT管作為開(kāi)關(guān)器件，運(yùn)用更合理的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］，特別是近年來(lái)快速發(fā)展的相關(guān)固態(tài)開(kāi)關(guān)器件串并聯(lián)技術(shù)，IGBT管等固態(tài)開(kāi)關(guān)器件也朝著更高耐壓、更大容量、模塊化發(fā)展，使得采用多個(gè)全固態(tài)開(kāi)關(guān)管串并聯(lián)研制大功率全固態(tài)剛管調(diào)制器成為可能。全固態(tài)脈沖調(diào)制器越來(lái)越多地應(yīng)用在雷達(dá)、高能和高功率設(shè)備中，固態(tài)剛管調(diào)制器必將成為未來(lái)大功率脈沖調(diào)制器的研制方向。調(diào)制器的基本單元由直流電源、儲(chǔ)能電容、固態(tài)開(kāi)關(guān)等組成，固態(tài)調(diào)制器開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在均壓、組件供電、脈沖同步、自檢與保護(hù)這四個(gè)方面。由于IGBT管具有開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電壓低和質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越廣泛地被用作固態(tài)開(kāi)關(guān)。IGBT管是固態(tài)調(diào)制器的核心器件，但是，在調(diào)制器工作過(guò)程中，IGBT管會(huì)因?yàn)閯?dòng)態(tài)靜態(tài)均壓、均流、缺電、過(guò)流、過(guò)壓、驅(qū)動(dòng)信號(hào)異常和負(fù)載打火等原因?qū)е聯(lián)p壞，所以設(shè)計(jì)完善、可靠的IGBT管檢測(cè)和保護(hù)電路是固態(tài)調(diào)制器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文在傳統(tǒng)在線(xiàn)調(diào)制組件檢測(cè)方法基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出了基于開(kāi)關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測(cè)方法，并對(duì)這兩種方法進(jìn)行了分析比較，闡述了新方法的設(shè)計(jì)思想、工作原理，給出了實(shí)現(xiàn)方案、檢測(cè)方法原理框圖及工程應(yīng)用。

1 大功率固態(tài)調(diào)制器

1.1 主流全固態(tài)剛管調(diào)制器簡(jiǎn)介

無(wú)論是在高功率脈沖或雷達(dá)領(lǐng)域，用作脈沖調(diào)制器開(kāi)關(guān)的固態(tài)開(kāi)關(guān)都需要在幾十千伏，甚至幾百千伏的高壓下工作［2］。目前還沒(méi)有可直接用作該類(lèi)開(kāi)關(guān)的大功率固態(tài)器件，一般依據(jù)耐壓、電流、驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)速度等條件，選擇合適的固態(tài)器件，但無(wú)論是選用IGBT管或是MOSFET管等，都需要采用大量的功率管通過(guò)串并聯(lián)組合應(yīng)用形式組成滿(mǎn)足總電壓和電流要求的開(kāi)關(guān)組件。

全固態(tài)剛管調(diào)制器有多種體制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一種都有各自的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)［3］，采用IGBT管等固態(tài)器件進(jìn)行串并聯(lián)組合應(yīng)用的組合形式主要有兩種:(1)加法器式全固態(tài)剛管調(diào)制器。這種結(jié)構(gòu)形式的調(diào)制器輸出脈沖由脈沖變壓器耦合和疊加，采用變壓器升壓，初級(jí)通過(guò)的電流很大，需采用高壓大電流的模塊作為開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)元件損壞的風(fēng)險(xiǎn)比較高。(2)采用IGBT管串并聯(lián)的直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器。該形式調(diào)制器由于電壓較高，串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管較多，其關(guān)鍵技術(shù)為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)及負(fù)載短路快速保護(hù)，必須保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性，否則最慢導(dǎo)通的管子將承受全部電壓而被擊穿。

1.2 固態(tài)調(diào)制器開(kāi)關(guān)組件的檢測(cè)和保護(hù)技術(shù)

由于調(diào)制器是發(fā)射管脈沖工作的主要通路，所以解決固態(tài)開(kāi)關(guān)組件的自檢和故障定位問(wèn)題，顯得尤為重要，否則工程應(yīng)用就不可能實(shí)現(xiàn)。作為調(diào)制器負(fù)載的微波真空器件，不可避免地會(huì)發(fā)生短路打火現(xiàn)象，在經(jīng)過(guò)多次打火后，會(huì)有個(gè)別IGBT管損壞。調(diào)制器一般采用冗余設(shè)計(jì)的方法，需要設(shè)計(jì)在線(xiàn)檢測(cè)電路，檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的正常與損壞情況，用來(lái)判定調(diào)制器是否還能正常工作，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，保證設(shè)備有足夠的平均故障間隔時(shí)間。常用的檢測(cè)方法是在線(xiàn)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管兩端的電壓來(lái)判斷它是否損壞，通過(guò)光耦隔離后，驅(qū)動(dòng)光纖指示［4］。這種方法，開(kāi)關(guān)管工作時(shí)浮在高電位上，故相關(guān)檢測(cè)電路的供電需要隔離，電路復(fù)雜，且容易受干擾;同時(shí)，大量開(kāi)關(guān)管并聯(lián)式連接，只能檢測(cè)是否有開(kāi)關(guān)管損壞，并不能精確檢測(cè)出損壞的數(shù)量;另外，因光耦導(dǎo)通特性容易出現(xiàn)故障誤報(bào)，導(dǎo)致誤判。圖1是傳統(tǒng)在線(xiàn)式調(diào)制組件檢測(cè)方法原理框圖。

圖1 傳統(tǒng)在線(xiàn)式調(diào)制組件檢測(cè)方法原理框圖

2 基于開(kāi)關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測(cè)方法

2.1 設(shè)計(jì)思想

基于開(kāi)關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測(cè)為大功率固態(tài)調(diào)制組件的開(kāi)關(guān)管損壞提供了一種新穎的檢測(cè)方法。它利用調(diào)制組件開(kāi)關(guān)管靜態(tài)阻抗特性和高速采樣進(jìn)行匹配計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、安全的開(kāi)關(guān)管損壞檢測(cè)。離線(xiàn)式檢測(cè)，避免了高電位供電和干擾，此外，運(yùn)用監(jiān)控系統(tǒng)采樣電路，該方法可以精確地計(jì)算出開(kāi)關(guān)管損壞的數(shù)量，為故障的指示和報(bào)警提供準(zhǔn)確參考。這種簡(jiǎn)單、安全、精確的調(diào)制組件開(kāi)關(guān)管損壞的檢測(cè)方法，較傳統(tǒng)的在線(xiàn)檢測(cè)方法具有簡(jiǎn)單可靠、安全性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì);同時(shí)，高速采樣電路的運(yùn)用，使調(diào)制組件擁有更精確的檢測(cè)能力和更方便靈活的檢測(cè)方式。

2.2 工作原理

該方案利用調(diào)制組件開(kāi)關(guān)管靜態(tài)阻抗特性計(jì)算回路取樣電阻的電壓降，從而實(shí)現(xiàn)快速、安全的開(kāi)關(guān)管損壞檢測(cè)，與監(jiān)控系統(tǒng)采樣電路進(jìn)行匹配計(jì)算，實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)、顯示控制和故障指示報(bào)警等。

在發(fā)射機(jī)主回路的低壓端串接一個(gè)取樣電阻(如圖2所示，電阻Rs)，電阻器阻值由高壓電源的電壓和所有調(diào)制組件的開(kāi)關(guān)管靜態(tài)阻抗決定。檢測(cè)時(shí)，高壓電源的電壓經(jīng)過(guò)限流電阻、調(diào)制器、速調(diào)管負(fù)載、取樣電阻形成回路，其中，速調(diào)管負(fù)載靜態(tài)阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于(相差3～4數(shù)量級(jí))調(diào)制組件的靜態(tài)阻抗?；芈冯娏髁鹘?jīng)取樣電阻，把電阻器兩端的電壓值送到監(jiān)控采樣電路。若調(diào)制器開(kāi)關(guān)管有損壞，開(kāi)關(guān)管的阻抗變小，回路電流增大，取樣電阻兩端的電壓值升高，監(jiān)控軟件根據(jù)升高的電壓值準(zhǔn)確計(jì)算出開(kāi)關(guān)管的損壞數(shù)目。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，監(jiān)控軟件設(shè)定相應(yīng)的門(mén)限，可進(jìn)行相應(yīng)的故障報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)，其原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2 基于開(kāi)關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測(cè)方法原理框圖

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)和檢測(cè)采樣原理

全固態(tài)調(diào)制器的監(jiān)控系統(tǒng)采用GE公司的可編程序邏輯控制器(PLC)為中央處理器，由于PLC抗干擾能力強(qiáng)，可以在復(fù)雜的電磁環(huán)境下可靠工作［5］。選用的IC693系列模塊具有存儲(chǔ)容量大、運(yùn)算速度快、程序開(kāi)發(fā)方便等特性，能夠完成邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)等控制要求，并可根據(jù)控制需求進(jìn)行多種靈活配置［6］。該監(jiān)控系統(tǒng)PLC模塊配置見(jiàn)圖3，由采樣電路獲取的電壓送入模擬量輸入模塊，其量程為0 V～10 V。在軟件的梯形圖中根據(jù)采樣電壓數(shù)值及其變化量進(jìn)行計(jì)算，從而判定IGBT管損壞的數(shù)量和計(jì)算百分比。若IGBT管有損壞，則靜態(tài)阻抗變小，回路電流增大，取樣電阻兩端電壓值變大，根據(jù)變化量的相對(duì)大小計(jì)算出精確的損壞數(shù)量，從而判定調(diào)制器是否能夠正常工作。通過(guò)采樣值還可計(jì)算損壞的百分比，當(dāng)損壞≤10%，報(bào)維修信號(hào)，當(dāng)損壞≥10%，報(bào)故障信號(hào)，關(guān)斷高壓，實(shí)現(xiàn)控制聯(lián)鎖，由于直接定位到每個(gè)組件，所以大大方便了檢測(cè)維護(hù)。

圖3 監(jiān)控電路PLC模塊配置

2.4 基于開(kāi)關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測(cè)方法的工程應(yīng)用

該檢測(cè)方法已應(yīng)用到某產(chǎn)品的全固態(tài)大功率調(diào)制器中，調(diào)制器采用的是1 200 V/75 A小型高速I(mǎi)GBT多管串并聯(lián)方案。因功率量級(jí)大，采用多組IGBT串聯(lián)，以滿(mǎn)足電壓、電流等級(jí)的需要。調(diào)制器采用冗余設(shè)計(jì)思想，具有模塊化設(shè)計(jì)和易維修性等優(yōu)點(diǎn)，如果因打火過(guò)流等引起部分IGBT管損壞，并不影響調(diào)制器正常使用。只要監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)IGBT管正常與損壞的數(shù)量，就能判定調(diào)制器是否還能正常工作，真正實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)和可靠性保障。

應(yīng)用的調(diào)制器檢測(cè)電路如圖2所示。高壓電源U通過(guò)限流電阻Rd直接向儲(chǔ)能電容C充電，以串聯(lián)形式組合的調(diào)制開(kāi)關(guān)S1，S2，…，S8串接在儲(chǔ)能電容C和速調(diào)管負(fù)載Rk之間，在觸發(fā)電路激勵(lì)下，控制所有8組開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在速調(diào)管負(fù)載上得到調(diào)制脈沖。

若串聯(lián)的IGBT開(kāi)關(guān)管都正常，靜態(tài)阻抗約為40 MΩ，根據(jù)高壓電源的等級(jí)，選取取樣電阻為2 kΩ。檢測(cè)時(shí)，調(diào)制器不加觸發(fā)脈沖，離線(xiàn)工作，加靜態(tài)高壓40 kV，根據(jù)回路電流Is計(jì)算出取樣電阻上的電壓Us=2 kΩ×Is，把取樣電壓值Us送給采樣電路，由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采樣的數(shù)值及其變化量實(shí)現(xiàn)IGBT管損壞數(shù)量的計(jì)算。

該檢測(cè)方法利用原有電路的供電方式，檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，避免了通常在線(xiàn)檢測(cè)的高電位供電和隔離問(wèn)題，解決了在線(xiàn)檢測(cè)時(shí)易受干擾的誤報(bào)問(wèn)題，工作穩(wěn)定可靠，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，監(jiān)控界面見(jiàn)圖4。

圖4 全固態(tài)調(diào)制器監(jiān)控界面

3 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)的在線(xiàn)檢測(cè)方法，基于開(kāi)關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測(cè)方法電路大大簡(jiǎn)化。由于檢測(cè)電路低電位供電，并且避免了過(guò)多的信號(hào)線(xiàn)傳輸，安全可靠，解決了傳統(tǒng)在線(xiàn)檢測(cè)方法中由于光耦導(dǎo)通特性引起的故障誤報(bào)情況，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通性能的變化。因?yàn)榭删_計(jì)算出IGBT管損壞的數(shù)量和百分比，定位精度更高，為故障指示和報(bào)警提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。另外，可利用現(xiàn)有調(diào)制器回路，所有調(diào)制組件可以共用一個(gè)檢測(cè)電路。新檢測(cè)方法可以工程化應(yīng)用和適應(yīng)不同的全固態(tài)調(diào)制器控制保護(hù)，隨著器件制造水平的提高和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，固態(tài)調(diào)制器的性能和可靠性也將得到同步提高，從而提高發(fā)射機(jī)整機(jī)可靠性。

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