MOSFET技術(shù)在海航脈沖發(fā)生器中的應(yīng)用

沈永東　胥飛　張?jiān)?/p>

摘 要：針對傳統(tǒng)氫閘流管老式脈沖發(fā)生器體積大、精度低、效率低、故障率高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以MOSFET為主開關(guān)的海航脈沖發(fā)生器。從海航脈沖發(fā)生器的主電路設(shè)計(jì)、控制中心、MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該脈沖發(fā)生器體積較小，可靠性、精度較高。

關(guān)鍵詞：脈沖發(fā)生器；MOSFET；驅(qū)動電路；控制中心

中圖分類號：TN787 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.012

海航雷達(dá)在漁業(yè)生產(chǎn)、國際貿(mào)易、海洋搜救方面都起著至關(guān)重要的作用，而脈沖發(fā)生器是海航雷達(dá)的重要組成部分。脈沖發(fā)生器的主要作用是設(shè)計(jì)最優(yōu)的信號形式（波形設(shè)計(jì)），以提供電壓、功率、脈沖寬度和脈沖波形等都符合要求的射頻脈沖，并且使輸出信號具有大的時頻寬乘積，從而不易被干擾、覆蓋，具有更高的分辨率，更易識別目標(biāo)。脈沖發(fā)生器主要由控制開關(guān)、儲能元件、隔離元件和旁通元件等部分組成，其負(fù)載為微波源（磁控管）。脈沖發(fā)生器的工作原理如圖 1所示。

目前，國內(nèi)外的海航脈沖發(fā)生器仍舊以氫閘流管為主開關(guān)，以控制脈沖的發(fā)射和關(guān)閉。該類產(chǎn)品的特點(diǎn)是體積大、故障率高、輸出波形差、精度低、效率低。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種以MOSFET為主開關(guān)的海航脈沖發(fā)生器。

1 主電路設(shè)計(jì)

首先確定脈沖發(fā)生器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對傳統(tǒng)氫閘流管不能自關(guān)斷的特點(diǎn)，本文采用MOSFET剛性開關(guān)管作為脈沖發(fā)生器的主開關(guān)。與另外一種剛性開關(guān)管IGBT相比，MOSFET剛性開關(guān)管更適合作為海航脈沖發(fā)生器的主開關(guān)，因?yàn)镸OSFET開關(guān)速度更快，可獲得更好的輸出波形。

本文采用多個MOSFET串并聯(lián)作為主開關(guān)。經(jīng)過合理推導(dǎo)，多個MOSFET串并聯(lián)作為控制開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)打破了以往高壓電源的濾波電容向儲能電容補(bǔ)充能量的常規(guī)結(jié)構(gòu)，而將儲能電容和高壓濾波電容合二為一，成為脈沖電容。高壓電源直接向儲能電容充電，以串并聯(lián)形式組合的調(diào)制開關(guān)串接在儲能電容與負(fù)載之間，柵極驅(qū)動和控制電路在觸發(fā)電路的激勵下，控制所有的開關(guān)（MOSFET），以預(yù)置的脈沖寬度和重復(fù)頻率同時導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在負(fù)載上得到已設(shè)定脈沖寬度和重復(fù)頻率的調(diào)制脈沖。

2 控制中心

采用FPGA作為脈沖控制發(fā)生芯片，經(jīng)過研究，完成了發(fā)射機(jī)中脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)。圖3所示為脈沖調(diào)制器的電路簡圖，其中，電容濾波電路、電壓轉(zhuǎn)換電路和FPGA 產(chǎn)生脈沖信號電路均被略去。在脈沖發(fā)生電路中，由 FPGA 產(chǎn)生的脈沖信號較弱，無法驅(qū)動功率開關(guān)管，因此需通過驅(qū)動芯片來轉(zhuǎn)換電平，驅(qū)動功率開關(guān)管。脈沖發(fā)生器中的功率開關(guān)管是發(fā)射機(jī)正常工作的關(guān)鍵器件。僅用一路開關(guān)管，會存在極大的風(fēng)險，而用多路參數(shù)相同、作用也完全相同的開關(guān)管，可降低發(fā)射機(jī)故障的概率。

采用 FPGA 產(chǎn)生脈沖信號，可保證脈沖信號輸出特性近似相同。功率開關(guān)管的選擇主要考慮其耐壓值和脈沖信號的轉(zhuǎn)換能力。直流高壓 High Voltage 由直流電壓模塊將 24 V 的電壓轉(zhuǎn)換為 400 V 的直流高壓。發(fā)射機(jī)為采用變壓器耦合和有源開關(guān)陰極脈沖調(diào)制方式的磁控管發(fā)射機(jī)，因此，直流高壓通過脈沖變壓器的初級繞組加載在功率開關(guān)管上。當(dāng)脈沖調(diào)制信號到來，開關(guān)管導(dǎo)通，直流高壓經(jīng)脈沖變壓器耦合到次級負(fù)載，形成射頻波形。

3 MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

MOSFET主電路能否安全、穩(wěn)定的運(yùn)行取決于多方面的因素，其中，驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)是否合理，將直接決定MOSFET主電路能否可靠工作。MOSFET的開關(guān)特性和安全工作區(qū)會隨柵極驅(qū)動電路的變化而變化，MOSFET的損壞往往是因驅(qū)動電路設(shè)計(jì)得不合理導(dǎo)致。

Power MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)要求主要有：①驅(qū)動電路能夠提供足夠的驅(qū)動功率。②在開通時，以低電阻對柵極電容充電；在關(guān)斷時，為柵極電荷提供低電阻放電回路，以加快功率MOSFET的開關(guān)速度。 ③為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓。

當(dāng)PWM驅(qū)動芯片的驅(qū)動電流不足以驅(qū)動一個大功率的MOSFET或多個MOSFET并聯(lián)時，最簡單的方法是加圖騰柱驅(qū)動。本文將一個“N”型的MOSFET和一個“P”型的MOSFET串聯(lián)作為圖騰柱驅(qū)動電路。此電路既可以非?？焖俚貙?dǎo)通關(guān)斷，又可以瞬時提供足夠的負(fù)載驅(qū)動力。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 MOSFET串聯(lián)均壓

應(yīng)用MOSFET串聯(lián)均壓技術(shù)時，需注意以下三點(diǎn)：①盡量選用型號、特性一致的MOSFET，并且MOSFET吸收電路、驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也應(yīng)保持一致；②系統(tǒng)設(shè)計(jì)要科學(xué)、合理，以避免電路分布參數(shù)不合理帶來的影響；③設(shè)計(jì)合理、有效的動態(tài)和靜態(tài)均壓電路，以確保串聯(lián)MOSFET 開關(guān)的動態(tài)和靜態(tài)電壓均衡。

4.2 MOSFET并聯(lián)均流

應(yīng)用MOSFET并聯(lián)均流技術(shù)時，需注意以下幾點(diǎn)：①選擇器件時，盡量選擇均流參數(shù)一致的器件；②電路布局盡量對稱，柵極驅(qū)動輸入阻抗必須匹配，所有引線盡量短而粗；③源極電感應(yīng)盡量一致，這樣可使電流上升、下降速度一致；④加強(qiáng)各并聯(lián)器件之間的熱耦合，將并聯(lián)MOSFET放置在同一塊散熱裝置上；⑤在柵極上串聯(lián)磁珠或小電阻，在漏極與柵極之間接入數(shù)百微法的電容，以抑制寄生振蕩。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)上述原理，制作、調(diào)試了該電路?；?MOSFET 技術(shù)的脈沖發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：0.075 μs（窄脈沖）射頻輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿8 ns，下降沿60 ns，脈沖寬度為0.100 μs，如圖4（a）所示；0.25 μs （中脈沖）輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿8 ns，下降沿70 ns，脈沖寬度為0.317 μs，如圖4（b）所示；0.75 μs（長脈沖）輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿8 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.816 μs， 如圖4（c）所示；1.2 μs（超長脈沖）輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿8 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為1.26 μs，如圖4（d）所示。

將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，現(xiàn)對比較結(jié)果作如下介紹。

西安科技大學(xué)碩士研究生袁銀奇在碩士論文《船用導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研究》中，將 MOSFET 應(yīng)用到脈沖發(fā)生器中，該脈沖發(fā)生器獲得了較好的波形參數(shù)，其窄脈沖的射頻輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿20 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.18 μs；中脈沖的射頻輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿20 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.46 μs；長脈沖的射頻輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿20 ns，下降沿100 ns，脈沖寬度為1.28 μs。

國際上海航脈沖發(fā)生器的領(lǐng)導(dǎo)者為日本古野，其相關(guān)海航脈沖發(fā)生器幾乎屬于市場壟斷性產(chǎn)品，同樣也是采用了剛性開關(guān)管脈沖發(fā)生器。同類型先進(jìn)產(chǎn)品古野 25 kW/S1 脈沖發(fā)生器的射頻輸出波形數(shù)據(jù)為：0.12 μs（窄脈沖）的射頻輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿20 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.18 μs；0.4 μs（中脈沖）的射頻輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿20 ns，下降沿80 ns ，脈沖寬度為0.50 μs；1.2 μs（長脈沖）的射頻輸出波形的技術(shù)指標(biāo)為上升沿 20 ns，下降沿160 ns，脈沖寬度為1.32 μs。

當(dāng)前，無論是國內(nèi)，還是國外的脈沖發(fā)生器，體積都比較大，笨重的外形和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致元器件成本上升、可靠性和效率降低、后期維護(hù)不便。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種以MOSFET為主開關(guān)的海航脈沖發(fā)生器。該類產(chǎn)品可靠性高、體積小、效率高、技術(shù)參數(shù)突出，可廣泛替代原有的以氫閘流管為主開關(guān)的海航脈沖發(fā)生器，在未來的海用導(dǎo)航、內(nèi)河導(dǎo)航中的應(yīng)用更為廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]袁銀奇.船用導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

[2]魏智.發(fā)射機(jī)高壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]任德龍.IGBT串聯(lián)型雷達(dá)脈沖調(diào)制器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]于仕財(cái)，馬強(qiáng)，李建華，等.基于IGBT的固態(tài)脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（09）.

[5]盧豫曾.功率MOSFET的應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，1995.

[6]張良.高重復(fù)頻率MOSFET脈沖調(diào)制技術(shù)研究[D].綿陽：中國工程物理研究院，2007.

[7]蘇娟.高頻功率MOSFET驅(qū)動電路及并聯(lián)特性研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2003.

〔編輯：劉曉芳〕