全固態(tài)調(diào)制器的保護(hù)技術(shù)

王登峰，田　為，謝　英

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

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全固態(tài)調(diào)制器的保護(hù)技術(shù)

王登峰，田為，謝英

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

摘要：全固態(tài)剛管調(diào)制器現(xiàn)階段已廣泛應(yīng)用于大功率發(fā)射機(jī)、加速器等眾多領(lǐng)域中。針對固態(tài)調(diào)制器使用過程中出現(xiàn)的問題，分析了其故障原因，重點(diǎn)介紹了為保護(hù)固態(tài)開關(guān)和調(diào)制器采用的開關(guān)管均壓、驅(qū)動信號保護(hù)、高壓打火保護(hù)電路、開關(guān)管狀態(tài)在線監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)和措施，給出了典型的應(yīng)用電路，并對應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：固態(tài)調(diào)制器；均壓電路；驅(qū)動信號保護(hù)；在線監(jiān)測

0引言

隨著大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的發(fā)展，特別是近年來相關(guān)的固態(tài)開關(guān)器件串并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，全固態(tài)調(diào)制器發(fā)展迅猛，技術(shù)越來越成熟。采用全固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)組成的全固態(tài)調(diào)制器，具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[1]，現(xiàn)階段已廣泛應(yīng)用于大功率真空管發(fā)射機(jī)、加速器、高功率微波武器等領(lǐng)域中，明顯改善了雷達(dá)、智能武器和電子對抗系統(tǒng)等眾多軍用電子裝備的性能指標(biāo)和可靠性。

全固態(tài)調(diào)制器的作用是為真空管等負(fù)載提供高壓脈沖，其工作電壓高、電流大，干擾強(qiáng)，且單個(gè)固態(tài)開關(guān)的耐過壓和過流能力有限。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要采取措施對調(diào)制器開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。通過對全固態(tài)調(diào)制器近幾年的使用情況進(jìn)行分析和總結(jié)，全固態(tài)調(diào)制器常出的故障類型主要有以下四種：開關(guān)管過壓損壞、驅(qū)動信號異常導(dǎo)致調(diào)制器損壞、負(fù)載打火導(dǎo)致開關(guān)管過壓過流損壞、開關(guān)管冗余量不足引發(fā)的損壞。本文針對全固態(tài)調(diào)制器使用過程中出現(xiàn)的問題，分析了故障原因，重點(diǎn)介紹了為保護(hù)固態(tài)開關(guān)和調(diào)制器采用的一些關(guān)鍵技術(shù)和措施，并給出了典型的電路圖。

1開關(guān)管的均壓

無論是應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域或加速器，調(diào)制器的固態(tài)開關(guān)工作電壓多在20 kV以上，目前還沒有可直接用作該類開關(guān)的大功率固態(tài)器件，調(diào)制開關(guān)普遍采用多組絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)串并聯(lián)的方案。該方案成功的關(guān)鍵是必須保證在所有工作條件下，加在所有串聯(lián)開關(guān)管兩端的電壓能均衡分配，且都在允許的安全工作電壓范圍之內(nèi)[2]。這就要求必須嚴(yán)格保證串聯(lián)各組件驅(qū)動信號的一致性，否則會引起串聯(lián)管工作電壓不均衡，最慢導(dǎo)通和最先關(guān)斷的開關(guān)管將承受全部電壓而被擊穿，而實(shí)際上所有串聯(lián)開關(guān)管驅(qū)動信號嚴(yán)格一致是很難實(shí)現(xiàn)的，所以必須要采取有效的保護(hù)措施。

首先，在選擇開關(guān)管的個(gè)數(shù)時(shí)，一定要有充分的余量，以UF≤0.5UFmax為佳(UF為每個(gè)開關(guān)管上實(shí)際承受的工作電壓，UFmax為開關(guān)管使用手冊上給出的最大額定電壓)。其次，必須采用合適的均壓電路進(jìn)行直流和瞬態(tài)均壓。直流均壓指的是在開關(guān)管未導(dǎo)通情況下起均壓作用，一般采用直接在串聯(lián)開關(guān)管兩端并接電阻的辦法。圖1中的R2就是直流均壓電阻，選取時(shí)考慮合適的功耗即可，一般為幾百kW左右。瞬態(tài)均壓的作用是限制最后導(dǎo)通和最先關(guān)斷的開關(guān)管兩端的電壓上升率，保證開關(guān)管工作在安全工作電壓范圍之內(nèi)[3]。常用的方法有兩種：一種是RCD電路，其電路圖如圖1所示。

圖1　RCD動態(tài)均壓電路

該電路通過電容C1緩沖開關(guān)管上的電壓，電阻R1用來限制電容的放電電流，保證串聯(lián)各組件在開通前或關(guān)斷后,其兩端的電壓在其雪崩電壓以下。電容量的大小與電流和驅(qū)動信號的延遲有關(guān)系，具體計(jì)算可參照下式

(1)

式中：I為脈沖電流；Δton為驅(qū)動信號最大相差時(shí)間；ΔU為開關(guān)管的安全工作電壓。這種均壓方式可靠性好，但電阻上損耗較大，高重頻使用時(shí)損耗較大。

另一種方式為穩(wěn)壓管VS均壓方式。通過在開關(guān)管的B、C端串接穩(wěn)壓管，當(dāng)某組開關(guān)管由于延遲晚開通時(shí)，開關(guān)管將承受較高電壓，當(dāng)電壓升到一定電壓時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，強(qiáng)制開關(guān)管開通，從而保證了開關(guān)管工作在安全范圍之內(nèi)。其電路圖見圖2。

圖2　VS均壓電路

穩(wěn)壓管選用時(shí)其擊穿電壓一般比開關(guān)管最高額定電壓低20%。該方式的好處是電路簡單且不產(chǎn)生額外的損耗，可以高重頻使用，使用時(shí)也可在開關(guān)管兩端并接一個(gè)幾百pF的電容。在實(shí)際使用中，在開關(guān)管兩端還可以并接瞬態(tài)電壓抑制器，進(jìn)行鉗壓和保護(hù)。

2驅(qū)動信號的保護(hù)

全固態(tài)調(diào)制器開關(guān)組件受驅(qū)動信號控制通斷，信號質(zhì)量的好壞直接決定了調(diào)制器的可靠性。系統(tǒng)送來的定時(shí)信號出現(xiàn)故障或受到強(qiáng)干擾時(shí)，可能會輸出不確定的脈沖信號，例如可能會輸出寬度很窄或很寬的信號，這會損壞調(diào)制器。變壓器耦合驅(qū)動方式由于電路簡單、信號一致性好，是固態(tài)調(diào)制器常用的驅(qū)動方式。變壓器的伏秒特性，決定了驅(qū)動信號寬度不能太窄也不能太寬。脈沖太窄時(shí)驅(qū)動信號幅度不足，太寬時(shí)變壓器會飽和，致使串聯(lián)的開關(guān)組件導(dǎo)通不正常，非常容易擊穿損壞。工程化應(yīng)用的固態(tài)調(diào)制器中大部分損壞均由驅(qū)動信號故障引起的。圖3是定時(shí)信號異常時(shí)的開關(guān)管驅(qū)動波形。

圖3　開關(guān)管異常驅(qū)動波形

針對這一問題，一是要加強(qiáng)抗干擾措施，小信號電路做到良好接地、物理屏蔽、強(qiáng)弱電信號隔離；二是需要采用定時(shí)信號保護(hù)電路。定時(shí)信號的保護(hù)電路應(yīng)包括寬窄脈沖保護(hù)和過工作比保護(hù)?？梢酝ㄟ^可擦除可編程邏輯器件,也可以采用數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)。圖4是定時(shí)信號保護(hù)電路原理框圖。

圖4　定時(shí)信號保護(hù)電路框圖

保護(hù)電路首先對系統(tǒng)送來的調(diào)制定時(shí)脈沖進(jìn)行過窄脈沖檢測判斷，定時(shí)脈沖與定時(shí)信號前沿產(chǎn)生的窄脈沖定寬電路進(jìn)行加法操作，將驅(qū)動信號最窄寬度進(jìn)行限定。得到的新脈沖再進(jìn)行過寬脈沖檢測判斷，與定時(shí)信號前沿產(chǎn)生的寬脈沖定寬電路進(jìn)行乘法操作，對驅(qū)動信號最寬寬度進(jìn)行限定。兩次限寬后得到的定時(shí)信號再與參考電平進(jìn)行過工作比比較判斷，若超限則關(guān)斷驅(qū)動脈沖，送出故障。該定時(shí)脈沖保護(hù)電路能有效地避免定時(shí)信號異常引起的開關(guān)管損壞。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該保護(hù)電路設(shè)計(jì)安全可靠。

3高壓打火保護(hù)電路

調(diào)制器實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載多為高壓電真空器件，普遍存在打火問題，如果打火時(shí)不能快速保護(hù)，將可能會損壞調(diào)制器和負(fù)載[4]。

打火對調(diào)制器的影響主要有兩點(diǎn)：

(1)打火瞬間脈沖電流會迅速上升，一旦超過開關(guān)管的最大脈沖承受電流，會使開關(guān)管過流損壞，必須采取措施限制電流的上升率和灌入負(fù)載的能量[5]。首先，要采取措施限制打火時(shí)的最高脈沖峰值電流，通常是在高壓回路串接大功率電阻來限流，電阻選取時(shí)要根據(jù)使用場合綜合考慮功耗和體積，并根據(jù)這一最高脈沖峰值電流來確定開關(guān)管并聯(lián)的數(shù)量，保證其工作在最大允許電流范圍內(nèi)。常用的IGBT管為正溫度系數(shù)特性的器件，適合并聯(lián)使用，可以自動均流。其次，必須要設(shè)計(jì)保護(hù)電路在打火時(shí)快速關(guān)斷驅(qū)動脈沖。打火過流保護(hù)電路框圖見圖5。在高壓回路直流端和脈沖端各串入一只電流互感器，用于檢測脈沖電流，得到的取樣信號與設(shè)定的電流門限比較，一旦超限，立即封鎖驅(qū)動脈沖的信號，并報(bào)出故障。

圖5　過流保護(hù)電路框圖

保護(hù)電路的關(guān)鍵是速度和可靠性。要盡量減少回路的延時(shí)，從負(fù)載打火到調(diào)制器關(guān)斷的時(shí)間要嚴(yán)格控制在2 μs以內(nèi)，從而能有效限制電流上升率和灌入負(fù)載的能量。另外，為保證打火電路始終處于可靠狀態(tài)，設(shè)計(jì)了保護(hù)通道自檢電路。每次系統(tǒng)第一次低壓加電時(shí)由控制電路產(chǎn)生一路超過保護(hù)門限值的自檢電流，通過電流互感器取樣后觸發(fā)保護(hù)電路并送出故障，控保電路檢測到故障后，自動復(fù)位并允許后續(xù)加高壓操作。該自檢電路能有效地保證保護(hù)通道的可靠性。

(2)由于打火時(shí)電流很大，負(fù)載的分布電感會在調(diào)制器關(guān)斷后產(chǎn)生一個(gè)很高的反向電壓作用于調(diào)制器開關(guān)上，使得開關(guān)管過壓損壞。因此，需要在調(diào)制器兩端并接電壓鉗位電路，用來限制這個(gè)反向電壓。鉗壓電路主要由瞬態(tài)電壓抑制器和壓敏電阻組成。圖6為采用球隙模擬負(fù)載打火的電壓和電流波形。由圖中可看出，在負(fù)載短路的情況下，調(diào)制器在2 μs內(nèi)快速關(guān)斷，有效地保護(hù)調(diào)制器和負(fù)載。

圖6　負(fù)載打火時(shí)調(diào)制器電壓電流波形

4開關(guān)管狀態(tài)監(jiān)測電路

高壓大功率調(diào)制器IGBT管或MOSFET管串并聯(lián)的組數(shù)較多，且單個(gè)固態(tài)開關(guān)的耐過壓和過流能力有限。即使采用了以上多項(xiàng)保護(hù)措施，在長期使用過程中，尤其是頻繁打火后，仍會有部分開關(guān)管損壞。要使開關(guān)管組件的工作電壓始終處于安全電壓范圍內(nèi)，必需要有足夠的冗余。一旦余量不足可能會引起調(diào)制器開關(guān)管雪崩式全部擊穿，影響任務(wù)的執(zhí)行。因此，有必要設(shè)計(jì)一種開關(guān)管狀態(tài)在線監(jiān)測電路，了解調(diào)制器開關(guān)管的損壞情況，來保證設(shè)備有足夠的平均故障間隔時(shí)間。

調(diào)制器開關(guān)管在靜態(tài)高壓狀態(tài)下，即無觸發(fā)脈沖時(shí)，具有兩大特性：一是串聯(lián)的各開關(guān)管均分高壓，每個(gè)開關(guān)管兩端的電壓在幾百伏左右；二是開關(guān)管為高阻抗，而損壞的開關(guān)管則相當(dāng)于短路。利用這些特點(diǎn)可以很容易地判斷出開關(guān)管的損壞狀況。

開關(guān)管電壓在線檢測方法是在高電位上通過開關(guān)管兩端靜態(tài)電壓來打通光耦，再驅(qū)動光纖送至低電位指示。這種方法，可以很準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)，但由于光纖浮在高電位上工作，需要隔離供電，且開關(guān)管數(shù)量較多，線路復(fù)雜。該方法適合開關(guān)管串聯(lián)組數(shù)不多的調(diào)制器使用?；陂_關(guān)管阻抗特性的在線檢測方法是利用調(diào)制組件開關(guān)管靜態(tài)阻抗特性計(jì)算回路取樣電阻的電壓降，與監(jiān)控系統(tǒng)采樣電路進(jìn)行匹配計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)精確檢測[6]。其原理框圖見圖7。

圖7　開關(guān)管在線檢測方法原理框圖

在高壓主回路的低電位端串接一個(gè)取樣電阻Rs，電阻器阻值由高壓電源的電壓和所有開關(guān)管總靜態(tài)阻抗決定。檢測時(shí)，高壓電壓(由于檢測時(shí)是直流電壓，為確保負(fù)載安全，直流高壓一般取幾kV)經(jīng)過限流電阻、調(diào)制組件(每一組開關(guān)兩端都并聯(lián)有400 kΩ電阻)、負(fù)載、取樣電阻形成回路，其中限流電阻、負(fù)載的阻值固定且遠(yuǎn)小于開關(guān)管組件的靜態(tài)阻抗。把正常時(shí)取樣電阻兩端的電壓值送到監(jiān)控采樣電路并做為基準(zhǔn)，若調(diào)制器某些開關(guān)管有損壞，與之并聯(lián)電阻被短路，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)升高的電壓值可以準(zhǔn)確

計(jì)算出開關(guān)管的損壞數(shù)目。調(diào)制器正常工作時(shí)需要將取樣電阻用短路開關(guān)K1短路。基于開關(guān)管阻抗特性的在線檢測方法具有簡單可靠、安全性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢，應(yīng)用更為廣泛。

根據(jù)冗余量，一般當(dāng)調(diào)制器開關(guān)管損壞10%～20%，報(bào)維修；當(dāng)損壞超過20%，則需報(bào)故障，禁止加高壓。

5結(jié)束語

隨著固態(tài)開關(guān)器件及小功率開關(guān)串并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，全固態(tài)調(diào)制器正逐漸成為大功率脈沖調(diào)制器的主流[7]。本文介紹的這些全固態(tài)調(diào)制器采用的保護(hù)技術(shù)、電路和方法已在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中得到有效驗(yàn)證，大大提高了調(diào)制器的可靠性。隨著器件制造水平的提高和固態(tài)調(diào)制器更廣泛的應(yīng)用，保護(hù)技術(shù)也將得到同步提高，不斷提高固態(tài)調(diào)制器和系統(tǒng)的性能與可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉永寧, 鄭新. 毫米波50 W連續(xù)波固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 微波學(xué)報(bào)，2014, 30(2): 10-14.

LIU Yongning, ZHENG Xin. Design and experimental research of a millimeter wave 50 W CW solid-state transmitter[J]. Journal of Microwaves, 2014, 30(2): 10-14.

[2]黃軍, 戴廣明, 田為. 20 kV/30 A 40 kHz全固態(tài)剛管調(diào)制器[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 44(3): 74-76.HUANG Jun, DAI Guangming, TIAN Wei. 20 kV/30 A 40 kHz all-solid-state hard tube modulator[J]. Power Electronics, 2010, 44 (3): 74-76.

[3]GAUDREAU M, CASET J, BROWN P, et al. High performance, solid-state high voltage radar modulators[C]// 2005 IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, CA: IEEE Press, 2005: 839-842.

[4]戴廣明, 田為, 鈕惠平. 多注速調(diào)管的調(diào)制方式[J]. 電子工程師, 2004, 30(1)：27-29.

DAI Guangming, TIAN Wei, NIU Huiping. The modulator of multibeam klystron transmitter[J]. Electronic Engineer, 2004, 30(1): 27-29.

[5]戴廣明, 田為, 黃軍. 新型大功率全固態(tài)調(diào)制器[J]. 電力電子技術(shù), 2004, 38(5): 63-65.

DAI Guangming, TIAN Wei, Huang Jun. New kind of high power all-solid-state modulator[J]. Power Electronics, 2004, 38(5): 63-65.

[6]謝英. 基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測方法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2015, 37(6): 65-67.

XIE Ying. Modulation modules detection method based on characteristic impedance of switch tube[J]. Modern Radar, 2015, 37(6): 65-67.

[7]黃軍, 戴廣明, 田為. 幾種全固態(tài)剛管調(diào)制器的對比[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2010, 32(3): 80-83.

HUANG Jun, DAI Guangming, TIAN Wei. Comparison of several all-solid-state hard tube modulators[J]. Modern Radar, 2010, 32(3): 80-83.

王登峰男，1978年生，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射技術(shù)。

田為男，1968年生，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射技術(shù)。

謝英女，1964年生，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射技術(shù)。

The Protection Technology of All-solid-state Modulator

WANG Dengfeng，TIAN Wei，XIE Ying

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The all-solid-state hard tube modulator is widely used in the electro-vacuum transmitter and accelerator etc. In this paper, the troubles of the modulator using process are discussed. The fault causes are analyzed. The emphasis is placed on key technologies and measures, like switch tube voltage balance circuit, the protection of driving circuit, the protection on klystron arcing and the online detection methods of the switch tube. The typical circuit diagram is given. The prospects of the application are forecasted.

Key words：solid-state modulator; voltage balance circuit; the protection of driving circuit; online detection

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.016

通信作者：王登峰Email：nox3092003@163.com

收稿日期：2016-01-22

修訂日期：2016-03-25

中圖分類號：TN76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0069-03