基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測方法

謝 英

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

調(diào)制器是高功率發(fā)射機(jī)的重要組成部分，它直接關(guān)系發(fā)射機(jī)的性能，一個設(shè)計合理的調(diào)制器可提高發(fā)射機(jī)乃至雷達(dá)整機(jī)的可靠性。傳統(tǒng)的大功率調(diào)制器一般采用真空電子管作為脈沖開關(guān)，這類器件存在驅(qū)動和保護(hù)電路復(fù)雜、損耗大、壽命短等缺點(diǎn)，直接影響調(diào)制器的效率和可靠性。隨著半導(dǎo)體器件尤其是絕緣柵雙極性晶體管等大功率固態(tài)器件的出現(xiàn)及日趨成熟，固態(tài)剛管調(diào)制器得到迅速發(fā)展。采用大功率IGBT管作為開關(guān)器件，運(yùn)用更合理的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］，特別是近年來快速發(fā)展的相關(guān)固態(tài)開關(guān)器件串并聯(lián)技術(shù)，IGBT管等固態(tài)開關(guān)器件也朝著更高耐壓、更大容量、模塊化發(fā)展，使得采用多個全固態(tài)開關(guān)管串并聯(lián)研制大功率全固態(tài)剛管調(diào)制器成為可能。全固態(tài)脈沖調(diào)制器越來越多地應(yīng)用在雷達(dá)、高能和高功率設(shè)備中，固態(tài)剛管調(diào)制器必將成為未來大功率脈沖調(diào)制器的研制方向。調(diào)制器的基本單元由直流電源、儲能電容、固態(tài)開關(guān)等組成，固態(tài)調(diào)制器開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在均壓、組件供電、脈沖同步、自檢與保護(hù)這四個方面。由于IGBT管具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電壓低和質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，正越來越廣泛地被用作固態(tài)開關(guān)。IGBT管是固態(tài)調(diào)制器的核心器件，但是，在調(diào)制器工作過程中，IGBT管會因?yàn)閯討B(tài)靜態(tài)均壓、均流、缺電、過流、過壓、驅(qū)動信號異常和負(fù)載打火等原因?qū)е聯(lián)p壞，所以設(shè)計完善、可靠的IGBT管檢測和保護(hù)電路是固態(tài)調(diào)制器設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。本文在傳統(tǒng)在線調(diào)制組件檢測方法基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出了基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測方法，并對這兩種方法進(jìn)行了分析比較，闡述了新方法的設(shè)計思想、工作原理，給出了實(shí)現(xiàn)方案、檢測方法原理框圖及工程應(yīng)用。

1 大功率固態(tài)調(diào)制器

1.1 主流全固態(tài)剛管調(diào)制器簡介

無論是在高功率脈沖或雷達(dá)領(lǐng)域，用作脈沖調(diào)制器開關(guān)的固態(tài)開關(guān)都需要在幾十千伏，甚至幾百千伏的高壓下工作［2］。目前還沒有可直接用作該類開關(guān)的大功率固態(tài)器件，一般依據(jù)耐壓、電流、驅(qū)動和響應(yīng)速度等條件，選擇合適的固態(tài)器件，但無論是選用IGBT管或是MOSFET管等，都需要采用大量的功率管通過串并聯(lián)組合應(yīng)用形式組成滿足總電壓和電流要求的開關(guān)組件。

全固態(tài)剛管調(diào)制器有多種體制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一種都有各自的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)［3］，采用IGBT管等固態(tài)器件進(jìn)行串并聯(lián)組合應(yīng)用的組合形式主要有兩種:(1)加法器式全固態(tài)剛管調(diào)制器。這種結(jié)構(gòu)形式的調(diào)制器輸出脈沖由脈沖變壓器耦合和疊加，采用變壓器升壓，初級通過的電流很大，需采用高壓大電流的模塊作為開關(guān)，開關(guān)元件損壞的風(fēng)險比較高。(2)采用IGBT管串并聯(lián)的直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器。該形式調(diào)制器由于電壓較高，串聯(lián)的開關(guān)管較多，其關(guān)鍵技術(shù)為開關(guān)管的驅(qū)動及負(fù)載短路快速保護(hù)，必須保證驅(qū)動信號的一致性，否則最慢導(dǎo)通的管子將承受全部電壓而被擊穿。

1.2 固態(tài)調(diào)制器開關(guān)組件的檢測和保護(hù)技術(shù)

由于調(diào)制器是發(fā)射管脈沖工作的主要通路，所以解決固態(tài)開關(guān)組件的自檢和故障定位問題，顯得尤為重要，否則工程應(yīng)用就不可能實(shí)現(xiàn)。作為調(diào)制器負(fù)載的微波真空器件，不可避免地會發(fā)生短路打火現(xiàn)象，在經(jīng)過多次打火后，會有個別IGBT管損壞。調(diào)制器一般采用冗余設(shè)計的方法，需要設(shè)計在線檢測電路，檢測開關(guān)管的正常與損壞情況，用來判定調(diào)制器是否還能正常工作，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計，保證設(shè)備有足夠的平均故障間隔時間。常用的檢測方法是在線檢測開關(guān)管兩端的電壓來判斷它是否損壞，通過光耦隔離后，驅(qū)動光纖指示［4］。這種方法，開關(guān)管工作時浮在高電位上，故相關(guān)檢測電路的供電需要隔離，電路復(fù)雜，且容易受干擾;同時，大量開關(guān)管并聯(lián)式連接，只能檢測是否有開關(guān)管損壞，并不能精確檢測出損壞的數(shù)量;另外，因光耦導(dǎo)通特性容易出現(xiàn)故障誤報，導(dǎo)致誤判。圖1是傳統(tǒng)在線式調(diào)制組件檢測方法原理框圖。

圖1 傳統(tǒng)在線式調(diào)制組件檢測方法原理框圖

2 基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測方法

2.1 設(shè)計思想

基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測為大功率固態(tài)調(diào)制組件的開關(guān)管損壞提供了一種新穎的檢測方法。它利用調(diào)制組件開關(guān)管靜態(tài)阻抗特性和高速采樣進(jìn)行匹配計算，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、安全的開關(guān)管損壞檢測。離線式檢測，避免了高電位供電和干擾，此外，運(yùn)用監(jiān)控系統(tǒng)采樣電路，該方法可以精確地計算出開關(guān)管損壞的數(shù)量，為故障的指示和報警提供準(zhǔn)確參考。這種簡單、安全、精確的調(diào)制組件開關(guān)管損壞的檢測方法，較傳統(tǒng)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;同時，高速采樣電路的運(yùn)用，使調(diào)制組件擁有更精確的檢測能力和更方便靈活的檢測方式。

2.2 工作原理

該方案利用調(diào)制組件開關(guān)管靜態(tài)阻抗特性計算回路取樣電阻的電壓降，從而實(shí)現(xiàn)快速、安全的開關(guān)管損壞檢測，與監(jiān)控系統(tǒng)采樣電路進(jìn)行匹配計算，實(shí)現(xiàn)精確檢測、顯示控制和故障指示報警等。

在發(fā)射機(jī)主回路的低壓端串接一個取樣電阻(如圖2所示，電阻Rs)，電阻器阻值由高壓電源的電壓和所有調(diào)制組件的開關(guān)管靜態(tài)阻抗決定。檢測時，高壓電源的電壓經(jīng)過限流電阻、調(diào)制器、速調(diào)管負(fù)載、取樣電阻形成回路，其中，速調(diào)管負(fù)載靜態(tài)阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于(相差3～4數(shù)量級)調(diào)制組件的靜態(tài)阻抗。回路電流流經(jīng)取樣電阻，把電阻器兩端的電壓值送到監(jiān)控采樣電路。若調(diào)制器開關(guān)管有損壞，開關(guān)管的阻抗變小，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)升高的電壓值準(zhǔn)確計算出開關(guān)管的損壞數(shù)目。根據(jù)檢測結(jié)果，監(jiān)控軟件設(shè)定相應(yīng)的門限，可進(jìn)行相應(yīng)的故障報警和聯(lián)鎖保護(hù)，其原理框圖見圖2。

圖2 基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測方法原理框圖

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)和檢測采樣原理

全固態(tài)調(diào)制器的監(jiān)控系統(tǒng)采用GE公司的可編程序邏輯控制器(PLC)為中央處理器，由于PLC抗干擾能力強(qiáng)，可以在復(fù)雜的電磁環(huán)境下可靠工作［5］。選用的IC693系列模塊具有存儲容量大、運(yùn)算速度快、程序開發(fā)方便等特性，能夠完成邏輯、定時、計數(shù)等控制要求，并可根據(jù)控制需求進(jìn)行多種靈活配置［6］。該監(jiān)控系統(tǒng)PLC模塊配置見圖3，由采樣電路獲取的電壓送入模擬量輸入模塊，其量程為0 V～10 V。在軟件的梯形圖中根據(jù)采樣電壓數(shù)值及其變化量進(jìn)行計算，從而判定IGBT管損壞的數(shù)量和計算百分比。若IGBT管有損壞，則靜態(tài)阻抗變小，回路電流增大，取樣電阻兩端電壓值變大，根據(jù)變化量的相對大小計算出精確的損壞數(shù)量，從而判定調(diào)制器是否能夠正常工作。通過采樣值還可計算損壞的百分比，當(dāng)損壞≤10%，報維修信號，當(dāng)損壞≥10%，報故障信號，關(guān)斷高壓，實(shí)現(xiàn)控制聯(lián)鎖，由于直接定位到每個組件，所以大大方便了檢測維護(hù)。

圖3 監(jiān)控電路PLC模塊配置

2.4 基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測方法的工程應(yīng)用

該檢測方法已應(yīng)用到某產(chǎn)品的全固態(tài)大功率調(diào)制器中，調(diào)制器采用的是1 200 V/75 A小型高速IGBT多管串并聯(lián)方案。因功率量級大，采用多組IGBT串聯(lián)，以滿足電壓、電流等級的需要。調(diào)制器采用冗余設(shè)計思想，具有模塊化設(shè)計和易維修性等優(yōu)點(diǎn)，如果因打火過流等引起部分IGBT管損壞，并不影響調(diào)制器正常使用。只要監(jiān)控系統(tǒng)檢測IGBT管正常與損壞的數(shù)量，就能判定調(diào)制器是否還能正常工作，真正實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計和可靠性保障。

應(yīng)用的調(diào)制器檢測電路如圖2所示。高壓電源U通過限流電阻Rd直接向儲能電容C充電，以串聯(lián)形式組合的調(diào)制開關(guān)S1，S2，…，S8串接在儲能電容C和速調(diào)管負(fù)載Rk之間，在觸發(fā)電路激勵下，控制所有8組開關(guān)同時導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在速調(diào)管負(fù)載上得到調(diào)制脈沖。

若串聯(lián)的IGBT開關(guān)管都正常，靜態(tài)阻抗約為40 MΩ，根據(jù)高壓電源的等級，選取取樣電阻為2 kΩ。檢測時，調(diào)制器不加觸發(fā)脈沖，離線工作，加靜態(tài)高壓40 kV，根據(jù)回路電流Is計算出取樣電阻上的電壓Us=2 kΩ×Is，把取樣電壓值Us送給采樣電路，由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采樣的數(shù)值及其變化量實(shí)現(xiàn)IGBT管損壞數(shù)量的計算。

該檢測方法利用原有電路的供電方式，檢測電路簡單，避免了通常在線檢測的高電位供電和隔離問題，解決了在線檢測時易受干擾的誤報問題，工作穩(wěn)定可靠，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，監(jiān)控界面見圖4。

圖4 全固態(tài)調(diào)制器監(jiān)控界面

3 結(jié)束語

相對于傳統(tǒng)的在線檢測方法，基于開關(guān)管阻抗特性的調(diào)制組件檢測方法電路大大簡化。由于檢測電路低電位供電，并且避免了過多的信號線傳輸，安全可靠，解決了傳統(tǒng)在線檢測方法中由于光耦導(dǎo)通特性引起的故障誤報情況，可以準(zhǔn)確檢測出開關(guān)管的導(dǎo)通性能的變化。因?yàn)榭删_計算出IGBT管損壞的數(shù)量和百分比，定位精度更高，為故障指示和報警提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。另外，可利用現(xiàn)有調(diào)制器回路，所有調(diào)制組件可以共用一個檢測電路。新檢測方法可以工程化應(yīng)用和適應(yīng)不同的全固態(tài)調(diào)制器控制保護(hù)，隨著器件制造水平的提高和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，固態(tài)調(diào)制器的性能和可靠性也將得到同步提高，從而提高發(fā)射機(jī)整機(jī)可靠性。

［1］ 錢 錳，楊景紅，劉 超.超大電流全固態(tài)調(diào)制器組件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(10):91-94.Qian Meng，Yang Jinghong，Liu Chao.Design and implementation of high all-solid state modulator modules［J］.Modern Radar，2009，31(10):91-94.

［2］ 鄭 新，李文輝，潘厚忠.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［3］ 楊景紅，鄭 新，錢 錳，等.160 mW大功率固態(tài)調(diào)制器的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33(9):72-75，80.Yang Jinghong，Zheng Xin，Qian Meng，et al.Design and testing of a 160 mW high-power solid-state modulator［J］.Modern Radar，2011，33(9):72-75，80.

［4］ 黃 軍，謝 英，王登峰.100 kV/10 mW全固態(tài)剛管調(diào)制器驅(qū)動、保護(hù)和檢測電路設(shè)計［J］.電子工程師，2006，32(7):8-10.Huang Jun，Xie Ying，Wang Dengfeng.100 kV/10 mW allsolid-state hard tube modulator driver，its protection and test circuit design［J］.Electronic Engineer，2006，32(7):8-10.

［5］ 李建興.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.Li Jianxing.Application technology of PLC［M］.Beijing:China Machine Press，2004.

［6］ 謝 英.基于觸摸屏和PLC的發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)［J］.信息化研究，2009，35(11):9-12.Xie Ying.A control system of transmitter based on touch screen and PLC［J］.Informatization Research，2009，35(11):9-12.