MOSFET技術在海航脈沖發生器中的應用

沈永東　胥飛　張元熙

摘 要：針對傳統氫閘流管老式脈沖發生器體積大、精度低、效率低、故障率高等缺點，設計了一種以MOSFET為主開關的海航脈沖發生器。從海航脈沖發生器的主電路設計、控制中心、MOSFET驅動電路設計、關鍵技術等方面進行了研究。結果表明，該脈沖發生器體積較小，可靠性、精度較高。

關鍵詞：脈沖發生器；MOSFET；驅動電路；控制中心

中圖分類號：TN787 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.012

海航雷達在漁業生產、國際貿易、海洋搜救方面都起著至關重要的作用，而脈沖發生器是海航雷達的重要組成部分。脈沖發生器的主要作用是設計最優的信號形式（波形設計），以提供電壓、功率、脈沖寬度和脈沖波形等都符合要求的射頻脈沖，并且使輸出信號具有大的時頻寬乘積，從而不易被干擾、覆蓋，具有更高的分辨率，更易識別目標。脈沖發生器主要由控制開關、儲能元件、隔離元件和旁通元件等部分組成，其負載為微波源（磁控管）。脈沖發生器的工作原理如圖 1所示。

目前，國內外的海航脈沖發生器仍舊以氫閘流管為主開關，以控制脈沖的發射和關閉。該類產品的特點是體積大、故障率高、輸出波形差、精度低、效率低。鑒于此，本文設計了一種以MOSFET為主開關的海航脈沖發生器。

1 主電路設計

首先確定脈沖發生器主電路的拓撲結構。針對傳統氫閘流管不能自關斷的特點，本文采用MOSFET剛性開關管作為脈沖發生器的主開關。與另外一種剛性開關管IGBT相比，MOSFET剛性開關管更適合作為海航脈沖發生器的主開關，因為MOSFET開關速度更快，可獲得更好的輸出波形。

本文采用多個MOSFET串并聯作為主開關。經過合理推導，多個MOSFET串并聯作為控制開關的拓撲結構如圖2所示。這種拓撲結構打破了以往高壓電源的濾波電容向儲能電容補充能量的常規結構，而將儲能電容和高壓濾波電容合二為一，成為脈沖電容。高壓電源直接向儲能電容充電，以串并聯形式組合的調制開關串接在儲能電容與負載之間，柵極驅動和控制電路在觸發電路的激勵下，控制所有的開關（MOSFET），以預置的脈沖寬度和重復頻率同時導通和關斷，從而在負載上得到已設定脈沖寬度和重復頻率的調制脈沖。

2 控制中心

采用FPGA作為脈沖控制發生芯片，經過研究，完成了發射機中脈沖發生器的設計。圖3所示為脈沖調制器的電路簡圖，其中，電容濾波電路、電壓轉換電路和FPGA 產生脈沖信號電路均被略去。在脈沖發生電路中，由 FPGA 產生的脈沖信號較弱，無法驅動功率開關管，因此需通過驅動芯片來轉換電平，驅動功率開關管。脈沖發生器中的功率開關管是發射機正常工作的關鍵器件。僅用一路開關管，會存在極大的風險，而用多路參數相同、作用也完全相同的開關管，可降低發射機故障的概率。

采用 FPGA 產生脈沖信號，可保證脈沖信號輸出特性近似相同。功率開關管的選擇主要考慮其耐壓值和脈沖信號的轉換能力。直流高壓 High Voltage 由直流電壓模塊將 24 V 的電壓轉換為 400 V 的直流高壓。發射機為采用變壓器耦合和有源開關陰極脈沖調制方式的磁控管發射機，因此，直流高壓通過脈沖變壓器的初級繞組加載在功率開關管上。當脈沖調制信號到來，開關管導通，直流高壓經脈沖變壓器耦合到次級負載，形成射頻波形。

3 MOSFET驅動電路設計

MOSFET主電路能否安全、穩定的運行取決于多方面的因素，其中，驅動電路的設計是否合理，將直接決定MOSFET主電路能否可靠工作。MOSFET的開關特性和安全工作區會隨柵極驅動電路的變化而變化，MOSFET的損壞往往是因驅動電路設計得不合理導致。

Power MOSFET驅動電路的設計要求主要有：①驅動電路能夠提供足夠的驅動功率。②在開通時，以低電阻對柵極電容充電；在關斷時，為柵極電荷提供低電阻放電回路，以加快功率MOSFET的開關速度。 ③為了使功率MOSFET可靠觸發導通，觸發脈沖電壓應高于管子的開啟電壓。

當PWM驅動芯片的驅動電流不足以驅動一個大功率的MOSFET或多個MOSFET并聯時，最簡單的方法是加圖騰柱驅動。本文將一個“N”型的MOSFET和一個“P”型的MOSFET串聯作為圖騰柱驅動電路。此電路既可以非?？焖俚貙P斷，又可以瞬時提供足夠的負載驅動力。

4 關鍵技術

4.1 MOSFET串聯均壓

應用MOSFET串聯均壓技術時，需注意以下三點：①盡量選用型號、特性一致的MOSFET，并且MOSFET吸收電路、驅動電路的結構和參數也應保持一致；②系統設計要科學、合理，以避免電路分布參數不合理帶來的影響；③設計合理、有效的動態和靜態均壓電路，以確保串聯MOSFET 開關的動態和靜態電壓均衡。

4.2 MOSFET并聯均流

應用MOSFET并聯均流技術時，需注意以下幾點：①選擇器件時，盡量選擇均流參數一致的器件；②電路布局盡量對稱，柵極驅動輸入阻抗必須匹配，所有引線盡量短而粗；③源極電感應盡量一致，這樣可使電流上升、下降速度一致；④加強各并聯器件之間的熱耦合，將并聯MOSFET放置在同一塊散熱裝置上；⑤在柵極上串聯磁珠或小電阻，在漏極與柵極之間接入數百微法的電容，以抑制寄生振蕩。

5 實驗與分析

根據上述原理，制作、調試了該電路。基于 MOSFET 技術的脈沖發生器的實驗結果如下：0.075 μs（窄脈沖）射頻輸出波形的技術指標為上升沿8 ns，下降沿60 ns，脈沖寬度為0.100 μs，如圖4（a）所示；0.25 μs （中脈沖）輸出波形的技術指標為上升沿8 ns，下降沿70 ns，脈沖寬度為0.317 μs，如圖4（b）所示；0.75 μs（長脈沖）輸出波形的技術指標為上升沿8 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.816 μs， 如圖4（c）所示；1.2 μs（超長脈沖）輸出波形的技術指標為上升沿8 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為1.26 μs，如圖4（d）所示。

將所得實驗數據與國內外研究機構的相關數據進行了比較，現對比較結果作如下介紹。

西安科技大學碩士研究生袁銀奇在碩士論文《船用導航雷達發射機的研究》中，將 MOSFET 應用到脈沖發生器中，該脈沖發生器獲得了較好的波形參數，其窄脈沖的射頻輸出波形的技術指標為上升沿20 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.18 μs；中脈沖的射頻輸出波形的技術指標為上升沿20 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.46 μs；長脈沖的射頻輸出波形的技術指標為上升沿20 ns，下降沿100 ns，脈沖寬度為1.28 μs。

國際上海航脈沖發生器的領導者為日本古野，其相關海航脈沖發生器幾乎屬于市場壟斷性產品，同樣也是采用了剛性開關管脈沖發生器。同類型先進產品古野 25 kW/S1 脈沖發生器的射頻輸出波形數據為：0.12 μs（窄脈沖）的射頻輸出波形的技術指標為上升沿20 ns，下降沿80 ns，脈沖寬度為0.18 μs；0.4 μs（中脈沖）的射頻輸出波形的技術指標為上升沿20 ns，下降沿80 ns ，脈沖寬度為0.50 μs；1.2 μs（長脈沖）的射頻輸出波形的技術指標為上升沿 20 ns，下降沿160 ns，脈沖寬度為1.32 μs。

當前，無論是國內，還是國外的脈沖發生器，體積都比較大，笨重的外形和復雜的結構必然導致元器件成本上升、可靠性和效率降低、后期維護不便。

6 結束語

本文設計了一種以MOSFET為主開關的海航脈沖發生器。該類產品可靠性高、體積小、效率高、技術參數突出，可廣泛替代原有的以氫閘流管為主開關的海航脈沖發生器，在未來的海用導航、內河導航中的應用更為廣泛。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕