基于調(diào)制器IGBT的高壓大脈沖技術(shù)

袁昊

摘 要本文介紹了一種高壓、大脈沖全固態(tài)剛性調(diào)制器的方案和原理。采用N個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）串聯(lián)作為開(kāi)關(guān)管，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)任意脈寬的調(diào)制器輸出，對(duì)調(diào)制器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵難點(diǎn)和解決方法進(jìn)行了討論。考慮到調(diào)制器輸出脈寬的任意性，電路方案采用推挽式高頻振蕩工作方式，避免了變壓器設(shè)計(jì)上的不便，并對(duì)高壓隔離、驅(qū)動(dòng)高壓選取、驅(qū)動(dòng)波形一致性等問(wèn)題進(jìn)行了分析，通過(guò)分析和充分論證，肯定了該類型調(diào)制器方案設(shè)計(jì)的可行性和工程上的使用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】調(diào)制器 開(kāi)關(guān)管 IGBT 脈寬 推挽

1 引言

現(xiàn)在的雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中還廣泛應(yīng)用電子管作為微波放大管，微波放大管工作時(shí)通常需要十幾千伏到幾十千伏的電壓。在某些使用行波管或速調(diào)管作為微波放大管的發(fā)射機(jī)中，往往需要陰極脈沖電壓的脈沖寬度從幾十微秒到幾秒、幾十秒的超大脈寬電壓。這種陰極高壓調(diào)制器運(yùn)用以往的脈沖變壓器升壓，由于微波管陰極電壓的脈寬跨度比較大，脈沖變壓器的設(shè)計(jì)比較困難，不具有工程使用的價(jià)值。本文論述了一種新穎的超高壓、大脈寬固態(tài)剛性調(diào)制器的設(shè)計(jì)，可以完全滿足上述微波管的波形要求，同時(shí)這種調(diào)制器設(shè)計(jì)可以完全適應(yīng)無(wú)限脈寬的陰極高壓，具有體積小，成本低、調(diào)試方便，便于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，具有很寬廣的使用空間。

2 全固態(tài)剛性陰極調(diào)制器的功能說(shuō)明

全固態(tài)剛性陰極調(diào)制器在發(fā)射機(jī)中的功能位置如圖1所示。

全固態(tài)剛性陰極調(diào)制器受外同步信號(hào)控制，把高壓電源的直流高壓斬波成微波管所需的調(diào)制高壓，加到微波管上面，微波管輸出系統(tǒng)所需的微波功率。限流電阻主要作用是保護(hù)調(diào)制器的開(kāi)關(guān)管IGBT，確保IGBT不會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而造成損壞。這種調(diào)制器特點(diǎn)如圖所示：懸浮在高電位上，需要解決耐壓?jiǎn)栴}；電路簡(jiǎn)圖已經(jīng)說(shuō)明這種固態(tài)調(diào)制器會(huì)做的體積小巧，利于工程應(yīng)用。重點(diǎn)問(wèn)題是解決調(diào)制開(kāi)關(guān)管IGBT的串聯(lián)、散熱及均壓等一系列問(wèn)題。

3 全固態(tài)剛性陰極調(diào)制器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

3.1 調(diào)制器技術(shù)指標(biāo)及原理框圖

通常在微波管選型及發(fā)射機(jī)總體方案中，需要確定調(diào)制器的參數(shù)。本文所論述的方案中調(diào)制器采用剛管調(diào)制器，可以支持雷達(dá)多種發(fā)射脈沖寬度，剛管調(diào)制器的關(guān)斷只受外部同步信號(hào)控制。此種新型發(fā)射機(jī)調(diào)制器的技術(shù)指標(biāo)說(shuō)明如下：

（1）耐壓大于40KV；

（2）脈沖電流20A；

（3）調(diào)制脈寬10μs至無(wú)限；

此類調(diào)制器原理框圖，見(jiàn)圖2所示。

這是一種全新的陰極調(diào)制器，和以往的調(diào)制器相比，在一些特定應(yīng)用場(chǎng)合具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。以上只是調(diào)制器的一個(gè)大致原理簡(jiǎn)圖，在確定調(diào)制器的具體參數(shù)后，參考以往調(diào)制器的設(shè)計(jì)和平時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，可以進(jìn)行此類新型調(diào)制器的設(shè)計(jì)工作。典型人工線調(diào)制器已經(jīng)根本無(wú)法滿足要求，首先排除。采用剛性調(diào)制器加脈沖變壓器升壓的方式，可以降低調(diào)制開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)難度，但是輸出波形受制于脈沖變壓器的設(shè)計(jì)，只能應(yīng)用于波形變化范圍不大的場(chǎng)合（一般幾百微妙），對(duì)于調(diào)制脈寬跨度如此大（秒級(jí)）的調(diào)制器，脈沖變壓器根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)不具備工程使用價(jià)值。

采用調(diào)制開(kāi)關(guān)管IGBT串聯(lián)工作的全固態(tài)陰極調(diào)制器方案，具有很大的挑戰(zhàn)性。這種方案可以完全滿足調(diào)制器的指標(biāo)需求，它的最大優(yōu)勢(shì)就是調(diào)制器采用脈沖疊加的方式，可以完全滿足10μs以上的任意脈寬，只要子脈沖的脈寬足夠窄，重復(fù)頻率足夠高就可以了。這種思路最大的優(yōu)點(diǎn)就是把需要用脈沖變壓器的地方變?yōu)橥仆旃ぷ?，解決鐵芯飽和問(wèn)題。

在這個(gè)陰極調(diào)制器方案的設(shè)計(jì)中，課題組先后攻關(guān)解決高壓隔離問(wèn)題、耐壓?jiǎn)栴}，驅(qū)動(dòng)脈沖一致性保證問(wèn)題，合成脈沖前后沿抖動(dòng)問(wèn)題、均壓?jiǎn)栴}等一系列問(wèn)題，最終完整地論述了一款低成本、高可靠性、體積小巧，完全滿足指標(biāo)要求的全固態(tài)剛性調(diào)制器。

3.2 技術(shù)設(shè)計(jì)說(shuō)明

此調(diào)制波形被進(jìn)行功率放大，通過(guò)N個(gè)相同的互感器進(jìn)行電壓分配，每個(gè)互感器對(duì)應(yīng)一路IGBT驅(qū)動(dòng)電路，形成標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電壓，隨后驅(qū)動(dòng)高電壓的絕緣柵雙極型晶體管，考慮到冗余量需求，開(kāi)關(guān)管IGBT在設(shè)計(jì)上采用N路串聯(lián)的方式，解決耐壓?jiǎn)栴}。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)任意脈寬的調(diào)制器輸出。

3.3 設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的討論

3.3.1 高頻振蕩電路的選取

當(dāng)所需的陰極高壓波形脈寬大于100μs時(shí)，可以采用傳統(tǒng)的自振蕩電路，形成頻率在100KHz至500KHz的高頻方波，高頻脈沖寬度在1-2μs之間。這種振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)電路中變壓器設(shè)計(jì)的離散性，在調(diào)試過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整振蕩頻率，直至調(diào)到符合滿足要求的頻率。

3.3.2 高壓隔離討論

本文論述的新型調(diào)制器電路的高壓隔離是通過(guò)串聯(lián)在高壓驅(qū)動(dòng)電路中的高壓線和推挽變壓器實(shí)現(xiàn)的。這種電路方便安全，電路干擾小，成本低。如果采用光纖傳輸方式，需要光收發(fā)組件及其所需要的高壓隔離電源等。電路復(fù)雜，成本驟增。采用高壓線進(jìn)行隔離的方式，也帶有探索性質(zhì)。試驗(yàn)驗(yàn)證這種方式的高壓隔離是行之有效的而且經(jīng)濟(jì)劃算。

3.3.3 驅(qū)動(dòng)電壓選取討論

調(diào)制器在合適的驅(qū)動(dòng)電壓和負(fù)壓下正常工作，一般IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓為±20V，考慮到本次設(shè)計(jì)的調(diào)制器脈沖高壓一般都在-20KV以上，隨著高壓的升高，高壓脈沖的干擾問(wèn)題也會(huì)突出，因此要有足夠的負(fù)壓增強(qiáng)抗干擾能力，同時(shí)負(fù)壓還嚴(yán)重影響高壓驅(qū)動(dòng)脈沖的后沿，因此負(fù)壓的選取十分重要。通過(guò)大量試驗(yàn)，我們最后采用的驅(qū)動(dòng)電壓為±15V，完全可以滿足輸出高壓波形的后沿要求，同時(shí)在考機(jī)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

3.3.4 驅(qū)動(dòng)波形一致性討論

由于高壓端的開(kāi)關(guān)管IGBT串聯(lián)工作，因此各路驅(qū)動(dòng)波形的一致性至關(guān)重要，除了對(duì)元器件進(jìn)行篩選，還要在電路設(shè)計(jì)上面進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。選擇合適的低壓端工作電壓和高壓端互感器的變比，進(jìn)行匹配工作。

3.3.5 均壓?jiǎn)栴}

開(kāi)關(guān)管IGBT的均壓?jiǎn)栴}十分重要，它是保護(hù)開(kāi)關(guān)管的一道重要屏障，在設(shè)計(jì)電路中既要考慮靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}又要考慮動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，保證在開(kāi)關(guān)管工作時(shí)電壓尖峰要在允許的范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)管在工作間歇的電壓分配均勻，這樣才能很好的保護(hù)開(kāi)關(guān)管。

3.3.6 散熱問(wèn)題

調(diào)制器的散熱主要是考慮開(kāi)關(guān)管IGBT的散熱。開(kāi)關(guān)管的熱耗包含兩部分：開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗。開(kāi)關(guān)損耗主要是開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。通態(tài)損耗主要是由開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降和通過(guò)開(kāi)關(guān)管的平均電流決定的。發(fā)熱量不大時(shí)可以通過(guò)散熱片和風(fēng)機(jī)風(fēng)冷解決，散熱量大時(shí)要通過(guò)油冷解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)工作在高壓、大脈沖寬度調(diào)制脈沖電壓下的調(diào)制器方案進(jìn)行論述，并對(duì)設(shè)計(jì)中的高壓隔離、驅(qū)動(dòng)高壓選取、驅(qū)動(dòng)波形一致性等問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究。最終成功地設(shè)計(jì)出脈寬6秒鐘，脈沖電流10A，占空比大于30%，高壓耐壓輸出40KV的全固態(tài)剛性陰極調(diào)制器，同時(shí)做到體積小巧，成本低廉，可靠性高。隨著器件制造工藝的不斷提升，以及調(diào)制器技術(shù)的不斷發(fā)展，固態(tài)剛性調(diào)制器在高功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)領(lǐng)域?qū)?huì)有更為廣闊的應(yīng)用。

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作者單位

63811部隊(duì) 海南省文昌市 571300endprint