【無(wú)線射頻電路】-基于IGBT的固態(tài)脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----基于IGBT的固態(tài)脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在雷達(dá)放射機(jī)脈沖調(diào)制器中，廣泛采納的是電真空管作為開(kāi)關(guān)管。這種結(jié)構(gòu)的脈沖調(diào)制器具有配套技術(shù)簡(jiǎn)單、造價(jià)高、使用壽命短等缺點(diǎn)，尤其是其不適用于大功率、高重復(fù)頻率等工作場(chǎng)合的缺陷，使其已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿意現(xiàn)代雷達(dá)的簡(jiǎn)單信號(hào)處理的需求。

隨著電力電子技術(shù)的快速進(jìn)展，新型功率開(kāi)關(guān)器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管）快速占據(jù)了市場(chǎng)，滿意了人們把大功率、超高頻率開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)固態(tài)化的期望，有著完全取代電真空管的趨勢(shì)。這也為在雷達(dá)放射機(jī)脈沖調(diào)制器中采納IGBT作為開(kāi)關(guān)管以替代電真空管奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)

依據(jù)脈沖調(diào)制器的任務(wù)，它基本由下列3部分組成：電源部分、能量?jī)?chǔ)存部分、脈沖形成部分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電源部分的作用是把初級(jí)電源（例如市電）變換成符合要求的直流電源。直流電源包括低壓電源和高壓電源兩種，低壓電源供應(yīng)調(diào)制脈沖預(yù)處理電路使用，高壓電源供應(yīng)調(diào)制脈沖形成電路使用。

能量?jī)?chǔ)存部分的作用是為了降低對(duì)于電源部分的高峰值功率要求。由于脈沖調(diào)制器是在短促的脈沖期間給射頻發(fā)生器提能量的，而在較長(zhǎng)的脈沖間歇期間停止工作，因此為了有效地利用電源功率，可以采納儲(chǔ)能元件在脈沖間歇期間把電源送來(lái)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，等到脈沖期間再把儲(chǔ)存的能量放出，交給射頻發(fā)生器。常用的儲(chǔ)能元件有電容器和人工線（或稱仿真線）。

脈沖形成部分是利用一個(gè)開(kāi)關(guān)，掌握儲(chǔ)能元件對(duì)負(fù)載（射頻發(fā)生器）放電，以供應(yīng)電壓、功率、脈沖寬度及脈沖波形等都滿意要求的視頻脈沖。常用的開(kāi)關(guān)元件有真空三、四極管、氫閘流管、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件（可控硅元件）和具有非線性電感的磁開(kāi)關(guān)等。

真空管的通斷可由柵極電壓掌握，通斷利索，這種開(kāi)關(guān)稱為剛性開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱為剛性調(diào)制器。氫閘流管、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件和具有非線性電感的磁開(kāi)關(guān)則只能掌握其導(dǎo)通，而不能掌握其關(guān)斷，這種開(kāi)關(guān)元件稱為軟性開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱為軟性調(diào)制器。

2開(kāi)關(guān)器件的比較

對(duì)傳統(tǒng)的電真空器件（氫閘流管）和現(xiàn)代電力電子器件IGBT的電氣性能進(jìn)行比較。

2．1傳統(tǒng)電真空管器件

以真空三、四極管為調(diào)制開(kāi)關(guān)的剛性調(diào)制器適應(yīng)力量強(qiáng)，能適應(yīng)各種波形、重復(fù)頻率的要求，但這也是以體積、重量、結(jié)構(gòu)和成本為代價(jià)的。為彌補(bǔ)自身不足以適應(yīng)各種工作需要，剛性調(diào)制器又分為多種類型，但都避開(kāi)不了其功率小、效率低的缺陷。

以氫閘流管為開(kāi)關(guān)元件的軟性調(diào)制器雖能克服剛性調(diào)制器的不足，但自身的缺陷也很突出，主要表現(xiàn)為：1）脈沖波形頂部抖動(dòng)、后沿拖長(zhǎng)；2）對(duì)負(fù)載阻抗的適應(yīng)性差；3）對(duì)波形的適應(yīng)性也差。

可見(jiàn)軟性調(diào)制器只能適應(yīng)于精度要求不高、波形要求不嚴(yán)格的大功率雷達(dá)中。并且不管是剛性還是軟性調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單都使其牢靠性降低，并且修理難度大。

2．2現(xiàn)代電力電子器件

開(kāi)關(guān)元件的固態(tài)化是進(jìn)展的大趨勢(shì)，尤其是電力電子器件在由傳統(tǒng)型向現(xiàn)代型轉(zhuǎn)變以后，很多新興的器件快速應(yīng)用于這種電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。上世紀(jì)九十年月才現(xiàn)身市場(chǎng)的絕緣柵雙極晶體管IGBT已成為現(xiàn)代電力電子器件進(jìn)展的領(lǐng)頭，型號(hào)齊全，已經(jīng)消失了由IGBT組成的功能完善的智能化功率模塊IPM。

IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor絕緣柵雙極晶體管是一種工作原理簡(jiǎn)單的集成半導(dǎo)體器件。在結(jié)構(gòu)上，集成了全部半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)。如二極管、BJT、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET、MOSFET、SCR。工藝上利用MOS工藝進(jìn)行大面積功率集成，單元胞的體積越來(lái)越小，單元胞的數(shù)量越來(lái)越多。IGBT經(jīng)過(guò)20年的進(jìn)展，技術(shù)越來(lái)越成熟，功能越來(lái)越強(qiáng)大。從原來(lái)的平面柵型到溝槽型，又進(jìn)展到非穿通型，直至現(xiàn)在的電場(chǎng)截至型．達(dá)到了6000V／600A，通態(tài)壓降1．3V，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到納秒級(jí)。

IGBT在大量產(chǎn)品中的良好表現(xiàn)，證明其是一種良好的功率開(kāi)關(guān)器件。其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)頻率高、承載功率大、通態(tài)壓降低、du／dt和di／dt耐量高、動(dòng)態(tài)性能高、反向恢復(fù)快等，這些性能特點(diǎn)使其特殊適應(yīng)于在高頻、大功率電路中出任開(kāi)關(guān)器件的重任。

3固態(tài)調(diào)制器硬件組成

對(duì)分別以氫閘流管和IGBT為中心所構(gòu)成的兩種脈沖調(diào)制器的性能、構(gòu)造、成本、可維性及牢靠性進(jìn)行比較。

3．1真空管脈沖調(diào)制器

以氫閘流管ZQM1-350／14型為例，其參數(shù)為14000V／350A，陶瓷外殼，需要12．6V／6A的燈絲電源。其關(guān)斷時(shí)，高壓電源經(jīng)充電電感和變壓器的原邊給仿真線充電，氫閘流管接通時(shí)，仿真線經(jīng)氫閘流管對(duì)變壓器原邊放電，在變壓器的副邊產(chǎn)生高壓脈沖去調(diào)制磁控管。氫閘流調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

充氫閘流管是由陽(yáng)極、陰極、柵極（掌握柵，有的還具有預(yù)點(diǎn)火柵或分壓柵等）組成，將全部電極用絕緣外殼密封，利用低壓氫氣（氘氣）作為工作及滅弧絕緣介質(zhì)，是離子開(kāi)關(guān)管中的一個(gè)分支，將觸發(fā)脈沖（正極性）加到柵極，使陰-柵間隙產(chǎn)生輝光放電，放電擴(kuò)展到陽(yáng)柵間隙導(dǎo)致陽(yáng)柵間隙擊穿導(dǎo)通，使外電路通過(guò)陽(yáng)極-柵極-陰極放電，而輸出脈沖電流，是具有正啟動(dòng)特性的脈沖電真空器件，具有工作電壓高，脈沖電流大，觸發(fā)電壓低，脈沖寬度窄，電流上升快，點(diǎn)火穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、醫(yī)療、高能激光、科學(xué)討論等領(lǐng)域或場(chǎng)合。

氫閘流管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)的接通是由掌握柵極上施加正觸發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。假如閘流管陽(yáng)極具有足夠高的正向電壓，柵極一旦被觸發(fā)，陽(yáng)極-陰極之間將快速導(dǎo)通，柵極就失去了對(duì)放電的掌握作用。只有陽(yáng)極電壓降得很低，不足以維持放電電流時(shí)，閘流管才會(huì)截止。閘流管在放電結(jié)束后，要經(jīng)過(guò)一段消電離時(shí)間，柵極才能恢復(fù)原來(lái)的掌握功能。因此，閘流管脈沖調(diào)制器形成的脈沖波形頂部抖動(dòng)、后沿拖長(zhǎng)。

況且真空管調(diào)制器由于電子管的外圍電路有偏壓、簾柵、陽(yáng)極等電源，這些電源是不行缺少且體積浩大的高壓電源。調(diào)制器導(dǎo)通時(shí)的管壓降較大，調(diào)制器效率較低。電子管極間電容的存在很難實(shí)現(xiàn)窄脈沖調(diào)制。另外由于電子管在真空度變差狀況下可能會(huì)消失打火等現(xiàn)象，嚴(yán)峻影響雷達(dá)放射機(jī)的牢靠性。電子管陰極的壽命較短，也制約著電子管在調(diào)制器中的使用。

全固態(tài)調(diào)制器與電子管調(diào)制器相比具有效率高、體積小、重量輕、牢靠性高、壽命長(zhǎng)、修理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。因此，討論固態(tài)調(diào)制器是一個(gè)極為重要的進(jìn)展方向。

3．2固態(tài)脈沖調(diào)制器

固態(tài)脈沖調(diào)制器就是以固態(tài)開(kāi)關(guān)管IGBT替代電真空管的調(diào)制器。IGBT模塊采納10只IGBT串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)使用，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊利用單片機(jī)形成統(tǒng)一的觸發(fā)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊M57962L同步觸發(fā)IGBT網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該調(diào)制器采納充電電感，屬于直流諧振充電，其自然諧振周期為：

其中：C0是仿真線的靜電容

Tch等于調(diào)制器脈沖重復(fù)周期T0兩倍，即調(diào)制器的脈沖重復(fù)頻率是固定的。因此為了適應(yīng)雷達(dá)工作于多種重復(fù)頻率的要求，可在充電電路中串入一只二極管，稱為充電二極管或保持二極管。這時(shí)只要充電電路的Tch值小于最小的脈沖重復(fù)周期就行了。

VD2和R1稱為過(guò)電壓愛(ài)護(hù)電路，它的作用是防止仿真線上消失過(guò)高的電壓而損壞功率管。當(dāng)仿真線向接近短路的負(fù)載放電時(shí)，其上的電壓會(huì)變成負(fù)極性，由于功率管不能反向?qū)щ?，這個(gè)負(fù)極性的電壓不會(huì)消逝，在下一個(gè)脈沖重復(fù)周期充電時(shí)，這個(gè)電壓與電源電壓的極性全都，所以仿真線將會(huì)充電到一個(gè)較高的電壓值。假如這時(shí)負(fù)載打火并未消逝，那么這一過(guò)程將會(huì)連續(xù)下去。在理論上可以證明，仿真線上的電壓將會(huì)達(dá)到電源電壓的6倍之多。當(dāng)電路中接入VD2和R1之后，只要仿真線上消失負(fù)極性電壓，就可以通過(guò)VD2放掉，從而防止了仿真線上過(guò)電壓的產(chǎn)生。

R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負(fù)載放電會(huì)在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的，其電阻通常選擇和負(fù)載阻抗相等，而電容的大小可按電路時(shí)間常數(shù)與脈沖前沿時(shí)間大致相當(dāng)來(lái)確定。

功率開(kāi)關(guān)管IGBT采納高速型MG400Q1US41，其參數(shù)為1200V／400A，其參數(shù)如圖4所示。工程中采納十管串聯(lián)的方法以適應(yīng)高電壓的要求。驅(qū)動(dòng)模塊采納M57962L，其參數(shù)為1200V／400A。

十管串聯(lián)需要保證串聯(lián)的10個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)截止，否則先導(dǎo)通或者后截止的管子就由于要承受高電壓而擊穿，進(jìn)一步擊穿全部的管子，而形成調(diào)制器故障，造成不必要的損失。解決的方法是用單片機(jī)產(chǎn)生一路觸發(fā)脈沖，同時(shí)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊。由于驅(qū)動(dòng)模塊具有較高的輸入阻抗，因此單片機(jī)的輸出電流足夠同時(shí)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊。10個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊被同時(shí)觸發(fā)，因其延遲的全都性，會(huì)使單片機(jī)的觸發(fā)脈沖同時(shí)加到10個(gè)IGBT的柵極。

依據(jù)調(diào)制器的要求，由單片機(jī)輸出肯定重復(fù)頻率的觸發(fā)脈沖經(jīng)接口愛(ài)護(hù)電路轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極。IGBT在柵極有驅(qū)動(dòng)時(shí)接通，無(wú)驅(qū)動(dòng)時(shí)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了可控的開(kāi)關(guān)功能。IGBT的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)曲線如圖5所示。

依據(jù)圖4所示IGBT參數(shù)可知，在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2．4Ω、TC=25℃、IC=400A時(shí)，ton=0．25μs，toff=0．7μs。從圖5的UCE-t曲線圖看，IGBT的開(kāi)關(guān)曲線比氫閘流管的開(kāi)關(guān)曲線更好，更適合于作為脈沖調(diào)制器的開(kāi)關(guān)管使用。

由于單片機(jī)的采納，就可以使調(diào)制器的愛(ài)護(hù)采納軟件愛(ài)護(hù)，這在削減調(diào)制器的體積與重量方面可以做出重大貢獻(xiàn)。

單個(gè)固態(tài)調(diào)制器的制造成本比氫閘流管調(diào)制器稍高，但是其使用壽命長(zhǎng)，也就是說(shuō)性價(jià)比高，況且在性能、構(gòu)造、可維性及牢靠性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于氫閘流管調(diào)制器。

4仿真過(guò)程及結(jié)果

仿真軟件使用流行的SIMNLINK。

設(shè)觸發(fā)脈沖周期為2ms，脈沖寬度為2μs，如圖的第一示波器（圖的下部），仿真線前端的波形如圖的其次示波器（圖的上部）。由其次示波器可見(jiàn)，當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，即IGBT網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通時(shí)，仿真線快速放電，放電速率為5000V／6μs（即從滿電壓5000V至放電完成時(shí)間約為6μs），并且無(wú)反沖。當(dāng)觸發(fā)脈沖過(guò)去時(shí)，即IGBT網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)時(shí)，仿真線快速充電，放電速率為5000V／3