應用IGBT串聯的固態脈沖調制器分析

姬新陽，黃旭東

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 孟州 454750）

0 引 言

現代雷達對脈沖發射機的射頻性能提出了苛刻的要求，而調整射頻脈沖質量的關鍵在于脈沖調制器。以往脈沖調制器較多采用電真空管作為開關管，但其工作壽命短、重量體積大、工作電壓高以及在真空度變差情況下可能會出現打火等較多的缺陷令人不得不另辟途徑，半導體的發展為此奠定了基礎[1]。

近年來，隨著半導體器件的發展，尤其是近乎理想的剛性開關器件——絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）技術的逐步成熟，以及其應用技術的突破與發展，固態鋼管脈沖調制器技術得到了迅猛的發展，采用IGBT的固態鋼管脈沖調制器已經得到了廣泛應用。

1 脈沖調制器組成和分類

雷達發射機廣泛采用脈沖調制方式，包括常規的簡單矩形脈沖列調制到比較復雜的編碼脈沖或脈沖串調制[2]。

1.1 組 成

脈沖調制器本質上是一個功率轉換器，其任務是為射頻放大管提供性能合乎要求的視頻調制脈沖。它把初級電源送來的交流功率率先轉換成有合適電壓的直流功率，然后再通過脈沖產生系統形成和控制負載上所要求的調制脈沖[3]。它由電源部分、能量儲存部分、脈沖形成部分3部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 脈沖調制器的結構

（1）儲能元件。它在脈沖間歇期間把電源供給的能量儲存起來，而在脈沖持續期間把儲能（或其一部分）提供給射頻負載。采用儲能元件的好處是能給負載提供高峰值功率，但不要求電源系統有高的峰值功率。儲能元件可以是電容或電感，主要由電容做成，也可用等效于電容的脈沖形成網絡PFN（也稱仿真線或人工線）做成。

（2）調制開關。用來形成和控制視頻脈沖，起直流功率與視頻脈沖功率的轉換作用，故也稱能量轉換開關。可以采用真空管、氫閘流管、晶閘管或可抗飽和電抗器做的磁開關等。在國外也有應用新型的電子轟擊半導體開關（EBS）、可關斷晶閘管、MOSFET和IGBT模塊、磁聚束管、波束開關管、MOSFET和IGBT串、并聯的高壓開關組件（HVSM）等。

（3）高壓電源。把初級電源（例如市電）變換成符合要求的直流高壓電源。直流電源包括低壓電源和高壓電源兩種，低壓電源供給調制脈沖預處理電路使用，高壓電源供給調制脈沖形成電路使用。

（4）射頻發生器。射頻發生器就是射頻放大管，通常有微波三極管、微波四級管、線性注微波管（O型管）[4]及正交場微波管（M型管）等。

（5）限流元件。其作用主要有3個：1）構成儲能元件的充電通路；2）防止調制開關導通時電源被短路；3）減小脈沖后沿。它常有電阻、電感或二者串聯組成。

1.2 脈沖調制器的分類和特點

脈沖調制器主要用于以脈沖方式工作的雷達發射機或電子加速器的微波源上[5]，主要有軟性開關調制器、剛性開關調制器和柵極調制器3種類型。

軟性開關調制器主要采用人工線形成脈沖寬度，應用在脈沖寬度變化不多、對波形要求不太嚴格的發射機中。

剛性開關調制器又稱剛管調制器，剛管調制器的關斷只受激勵控制，因此發射機脈寬可瞬時變化。另外剛管調制器還有脈沖頂部平坦和脈沖前后沿好等優點。當雷達有多種發射脈沖寬度時，發射機的調制器只能采用剛性開關調制器。

柵極調制器具有輸出波形好、功率小、電壓較低、波形變化靈活等特點。

2 某固態剛性調制器

圖2是某固態剛性調制器的原理框圖，它的功能是通過開關模塊的導通和截止，把調制器電源提供的直流電壓變成脈沖高壓，為單注速調管提供所需的工作電壓。它主要由調制開關模塊及其驅動電路、儲能電容、限流電阻器、高壓脈沖變壓器等組成。該調制器由8路（圖中僅畫出一路）完全相同的調制單元并聯組成，每路輸出一定的功率，通過脈沖變壓器初級8個相同的繞組并聯進行功率合成，輸出速調管所需的直流脈沖功率，從而降低了單路調制器的負荷，提高了調制器的可靠性。

該脈沖調制器的工作原理如下：雷達系統同步器送過來同步脈沖經脈沖同步器處理和放大后，輸出8路幅度一致，脈沖寬度和延時時間可單獨調整的同步脈沖信號，通過IGBT模塊驅動電路進行功率放大后，驅動8路調制單元中的IGBT模塊同時導通，導通管壓降幾乎為零（大約3V），所以脈沖變壓器初級繞組與IGBT模塊相連的一端電位降到零電位，這樣調制器電源、限流電阻、IGBT模塊構成回路，調制器電源將加到脈沖變壓器初級的兩端，脈沖變壓器初級產生脈沖電壓。在同步脈沖信號過去以后，IGBT模塊同時全部關斷，調制器電源電壓全部加在IGBT模塊的兩端，電路中的電流為零，脈沖變壓器初級電壓為零。

圖2 某型雷達調制器組成原理框圖

3 IGBT使用中需要注意的地方

3.1 IGBT的選取

IGBT工作電壓和電流由速調管和脈沖變壓器變比決定，由于IGBT關斷時T1漏感產生的反電勢與高壓電源電壓相加后共同作用在IGBT管上，同時還應考慮速調管G1打火時電流增加引起的T1漏感產生的反電勢增大，一般高壓電源工作電壓應小于IGBT管極限電壓的2/3或1/2[6]。IGBT可耐較大的過電流，可重復通過兩倍的極限電流，可單次通過10倍的極限電流。因此在保護電路可靠的情況下，IGBT的工作電流應小于極限電流。此調制器選用的IGBT型號為FZ800R33KF2C，IGBT極限電壓3 300 V，極限電流800A，經計算，脈沖變壓器初級脈沖電壓為3.48kV，初級脈沖電流為143.75A（單路），使用單個IGBT管體壓降達不到要求，因此采用3個IGBT模塊串聯的方式，電壓和電流都有比較充足的冗余量，具有較高的可靠性。

3.2 采用合適的均壓電路

當IGBT模塊串聯使用時，必須采用均壓措施，防止多個IGBT之間承受電壓不均衡導致其中一個IGBT過壓損壞，均壓電路包括直流（靜態）均壓和瞬態（動態）均壓。采取的靜態均壓方法是在開關組中每個IGBT旁并聯靜態均壓電阻[7]，該調制器均壓電路如圖3所示，圖中R2為直流均壓電阻，即IGBT關斷以后的均壓元件，R2的取值應使其流過的直流電流大于開關管的漏電流，以保證均壓的效果，又要保證其不超過電路設計時所允許的泄放電流值。壓敏電阻R1起瞬態均壓作用，主要在串聯鏈導通的前沿階段和阻斷的后沿過程中起到均壓作用，對脈沖的尖峰起鉗位作用，保護IGBT免受脈沖尖峰過壓損壞。

圖3 均壓電路

3.3 IGBT的保護

IGBT損壞的原因主要有3種形式：集電極和發射極過壓后引起IGBT擊穿；柵極過壓損壞；過熱損壞。針對這3種形式的損壞必須對IGBT設置保護電路：

（1）IGBT集電極和發射機過壓損壞，主要由于負載短路后，引起變壓器初級電流過大，變壓器漏感產生的反電勢過大。保護方式主要采取阻尼電路，鉗位電路和吸收網絡。除上述電路外還可采用大功率的壓敏電阻等方法，壓敏電阻可吸收ns級的電壓尖峰。

此調制器中采用15個電阻并聯作為限流電阻，并在均壓電路中設計壓敏電阻吸收脈沖尖峰，能有效避免由于速調管出現直流打火或脈沖變壓器出現高壓打火時引起的IGBT損壞。

（2）過熱保護可在IGBT的散熱器上安裝溫度繼電器。

（3）IGBT雖可承受較大的過電流，但必須設置過流保護，因較大的電流會引起變壓器漏感的反電勢增大，引起IGBT過壓擊穿。當流過IGBT的電流超過IGBT極限電流的兩倍時，必須切斷同步脈沖，否則會因過流后發熱而損壞。此調制器設計了過流保護板，對IGBT電流進行實時監測，防止IGBT過流損壞。

4 結束語

文中介紹的采用IGBT串聯的固態剛性調制器，結構簡單，工作穩定，具有一定的代表性。雷達發射機調制器的固態化、小型化、高可靠性和高效率是其不斷追求的目標，同時也是今后一個時期的發展趨勢。IGBT作為一種性能優異的固態開關管，對促進雷達發射機技術的進步有一定意義。

[1]陳新明，胡中兵，胡英.IGBT在雷達發射機中的應用[J].雷達與對抗，2009（1）：54-58.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002：43-44.

[3]魏智.發射機高壓脈沖調制器的設計與實踐[M].北京：電子工業出版社，2009：7-8.

[4]蔡金燕，楊長全.微波器件與電路[M].石家莊：兵器工業出版社，2003：223-224.

[5]鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發射機技術[M].北京：電子工業出版社，2006：133-134.

[6]孫榮棣，戴廣明.IGBT在雷達發射機調制器中的應用[J].現代雷達，2002（4）：66-69.

[7]任德龍.IGBT串聯技術在雷達脈沖調制器中的應用[J].電氣開關，2007（6）：46-49.