全固態調制器的保護技術

王登峰，田　為，謝　英

(南京電子技術研究所,　南京 210039)

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全固態調制器的保護技術

王登峰，田為，謝英

(南京電子技術研究所,南京 210039)

摘要：全固態剛管調制器現階段已廣泛應用于大功率發射機、加速器等眾多領域中。針對固態調制器使用過程中出現的問題，分析了其故障原因，重點介紹了為保護固態開關和調制器采用的開關管均壓、驅動信號保護、高壓打火保護電路、開關管狀態在線監測等關鍵技術和措施，給出了典型的應用電路，并對應用前景進行了展望。

關鍵詞：固態調制器；均壓電路；驅動信號保護；在線監測

0引言

隨著大功率半導體開關器件的發展，特別是近年來相關的固態開關器件串并聯技術的發展，全固態調制器發展迅猛，技術越來越成熟。采用全固態半導體開關組成的全固態調制器，具有體積小、質量輕、可靠性高、壽命長等優點[1]，現階段已廣泛應用于大功率真空管發射機、加速器、高功率微波武器等領域中，明顯改善了雷達、智能武器和電子對抗系統等眾多軍用電子裝備的性能指標和可靠性。

全固態調制器的作用是為真空管等負載提供高壓脈沖，其工作電壓高、電流大，干擾強，且單個固態開關的耐過壓和過流能力有限。因此，設計時需要采取措施對調制器開關管進行保護。通過對全固態調制器近幾年的使用情況進行分析和總結，全固態調制器常出的故障類型主要有以下四種：開關管過壓損壞、驅動信號異常導致調制器損壞、負載打火導致開關管過壓過流損壞、開關管冗余量不足引發的損壞。本文針對全固態調制器使用過程中出現的問題，分析了故障原因，重點介紹了為保護固態開關和調制器采用的一些關鍵技術和措施，并給出了典型的電路圖。

1開關管的均壓

無論是應用于雷達領域或加速器，調制器的固態開關工作電壓多在20 kV以上，目前還沒有可直接用作該類開關的大功率固態器件，調制開關普遍采用多組絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)串并聯的方案。該方案成功的關鍵是必須保證在所有工作條件下，加在所有串聯開關管兩端的電壓能均衡分配，且都在允許的安全工作電壓范圍之內[2]。這就要求必須嚴格保證串聯各組件驅動信號的一致性，否則會引起串聯管工作電壓不均衡，最慢導通和最先關斷的開關管將承受全部電壓而被擊穿，而實際上所有串聯開關管驅動信號嚴格一致是很難實現的，所以必須要采取有效的保護措施。

首先，在選擇開關管的個數時，一定要有充分的余量，以UF≤0.5UFmax為佳(UF為每個開關管上實際承受的工作電壓，UFmax為開關管使用手冊上給出的最大額定電壓)。其次，必須采用合適的均壓電路進行直流和瞬態均壓。直流均壓指的是在開關管未導通情況下起均壓作用，一般采用直接在串聯開關管兩端并接電阻的辦法。圖1中的R2就是直流均壓電阻，選取時考慮合適的功耗即可，一般為幾百kW左右。瞬態均壓的作用是限制最后導通和最先關斷的開關管兩端的電壓上升率，保證開關管工作在安全工作電壓范圍之內[3]。常用的方法有兩種：一種是RCD電路，其電路圖如圖1所示。

圖1　RCD動態均壓電路

該電路通過電容C1緩沖開關管上的電壓，電阻R1用來限制電容的放電電流，保證串聯各組件在開通前或關斷后,其兩端的電壓在其雪崩電壓以下。電容量的大小與電流和驅動信號的延遲有關系，具體計算可參照下式

(1)

式中：I為脈沖電流；Δton為驅動信號最大相差時間；ΔU為開關管的安全工作電壓。這種均壓方式可靠性好，但電阻上損耗較大，高重頻使用時損耗較大。

另一種方式為穩壓管VS均壓方式。通過在開關管的B、C端串接穩壓管，當某組開關管由于延遲晚開通時，開關管將承受較高電壓，當電壓升到一定電壓時，穩壓管擊穿，強制開關管開通，從而保證了開關管工作在安全范圍之內。其電路圖見圖2。

圖2　VS均壓電路

穩壓管選用時其擊穿電壓一般比開關管最高額定電壓低20%。該方式的好處是電路簡單且不產生額外的損耗，可以高重頻使用，使用時也可在開關管兩端并接一個幾百pF的電容。在實際使用中，在開關管兩端還可以并接瞬態電壓抑制器，進行鉗壓和保護。

2驅動信號的保護

全固態調制器開關組件受驅動信號控制通斷，信號質量的好壞直接決定了調制器的可靠性。系統送來的定時信號出現故障或受到強干擾時，可能會輸出不確定的脈沖信號，例如可能會輸出寬度很窄或很寬的信號，這會損壞調制器。變壓器耦合驅動方式由于電路簡單、信號一致性好，是固態調制器常用的驅動方式。變壓器的伏秒特性，決定了驅動信號寬度不能太窄也不能太寬。脈沖太窄時驅動信號幅度不足，太寬時變壓器會飽和，致使串聯的開關組件導通不正常，非常容易擊穿損壞。工程化應用的固態調制器中大部分損壞均由驅動信號故障引起的。圖3是定時信號異常時的開關管驅動波形。

圖3　開關管異常驅動波形

針對這一問題，一是要加強抗干擾措施，小信號電路做到良好接地、物理屏蔽、強弱電信號隔離；二是需要采用定時信號保護電路。定時信號的保護電路應包括寬窄脈沖保護和過工作比保護。可以通過可擦除可編程邏輯器件,也可以采用數字電路來實現。圖4是定時信號保護電路原理框圖。

圖4　定時信號保護電路框圖

保護電路首先對系統送來的調制定時脈沖進行過窄脈沖檢測判斷，定時脈沖與定時信號前沿產生的窄脈沖定寬電路進行加法操作，將驅動信號最窄寬度進行限定。得到的新脈沖再進行過寬脈沖檢測判斷，與定時信號前沿產生的寬脈沖定寬電路進行乘法操作，對驅動信號最寬寬度進行限定。兩次限寬后得到的定時信號再與參考電平進行過工作比比較判斷，若超限則關斷驅動脈沖，送出故障。該定時脈沖保護電路能有效地避免定時信號異常引起的開關管損壞。經實驗驗證，該保護電路設計安全可靠。

3高壓打火保護電路

調制器實際應用中負載多為高壓電真空器件，普遍存在打火問題，如果打火時不能快速保護，將可能會損壞調制器和負載[4]。

打火對調制器的影響主要有兩點：

(1)打火瞬間脈沖電流會迅速上升，一旦超過開關管的最大脈沖承受電流，會使開關管過流損壞，必須采取措施限制電流的上升率和灌入負載的能量[5]。首先，要采取措施限制打火時的最高脈沖峰值電流，通常是在高壓回路串接大功率電阻來限流，電阻選取時要根據使用場合綜合考慮功耗和體積，并根據這一最高脈沖峰值電流來確定開關管并聯的數量，保證其工作在最大允許電流范圍內。常用的IGBT管為正溫度系數特性的器件，適合并聯使用，可以自動均流。其次，必須要設計保護電路在打火時快速關斷驅動脈沖。打火過流保護電路框圖見圖5。在高壓回路直流端和脈沖端各串入一只電流互感器，用于檢測脈沖電流，得到的取樣信號與設定的電流門限比較，一旦超限，立即封鎖驅動脈沖的信號，并報出故障。

圖5　過流保護電路框圖

保護電路的關鍵是速度和可靠性。要盡量減少回路的延時，從負載打火到調制器關斷的時間要嚴格控制在2 μs以內，從而能有效限制電流上升率和灌入負載的能量。另外，為保證打火電路始終處于可靠狀態，設計了保護通道自檢電路。每次系統第一次低壓加電時由控制電路產生一路超過保護門限值的自檢電流，通過電流互感器取樣后觸發保護電路并送出故障，控保電路檢測到故障后，自動復位并允許后續加高壓操作。該自檢電路能有效地保證保護通道的可靠性。

(2)由于打火時電流很大，負載的分布電感會在調制器關斷后產生一個很高的反向電壓作用于調制器開關上，使得開關管過壓損壞。因此，需要在調制器兩端并接電壓鉗位電路，用來限制這個反向電壓。鉗壓電路主要由瞬態電壓抑制器和壓敏電阻組成。圖6為采用球隙模擬負載打火的電壓和電流波形。由圖中可看出，在負載短路的情況下，調制器在2 μs內快速關斷，有效地保護調制器和負載。

圖6　負載打火時調制器電壓電流波形

4開關管狀態監測電路

高壓大功率調制器IGBT管或MOSFET管串并聯的組數較多，且單個固態開關的耐過壓和過流能力有限。即使采用了以上多項保護措施，在長期使用過程中，尤其是頻繁打火后，仍會有部分開關管損壞。要使開關管組件的工作電壓始終處于安全電壓范圍內，必需要有足夠的冗余。一旦余量不足可能會引起調制器開關管雪崩式全部擊穿，影響任務的執行。因此，有必要設計一種開關管狀態在線監測電路，了解調制器開關管的損壞情況，來保證設備有足夠的平均故障間隔時間。

調制器開關管在靜態高壓狀態下，即無觸發脈沖時，具有兩大特性：一是串聯的各開關管均分高壓，每個開關管兩端的電壓在幾百伏左右；二是開關管為高阻抗，而損壞的開關管則相當于短路。利用這些特點可以很容易地判斷出開關管的損壞狀況。

開關管電壓在線檢測方法是在高電位上通過開關管兩端靜態電壓來打通光耦，再驅動光纖送至低電位指示。這種方法，可以很準確地定位故障點，但由于光纖浮在高電位上工作，需要隔離供電，且開關管數量較多，線路復雜。該方法適合開關管串聯組數不多的調制器使用。基于開關管阻抗特性的在線檢測方法是利用調制組件開關管靜態阻抗特性計算回路取樣電阻的電壓降，與監控系統采樣電路進行匹配計算，從而實現精確檢測[6]。其原理框圖見圖7。

圖7　開關管在線檢測方法原理框圖

在高壓主回路的低電位端串接一個取樣電阻Rs，電阻器阻值由高壓電源的電壓和所有開關管總靜態阻抗決定。檢測時，高壓電壓(由于檢測時是直流電壓，為確保負載安全，直流高壓一般取幾kV)經過限流電阻、調制組件(每一組開關兩端都并聯有400 kΩ電阻)、負載、取樣電阻形成回路，其中限流電阻、負載的阻值固定且遠小于開關管組件的靜態阻抗。把正常時取樣電阻兩端的電壓值送到監控采樣電路并做為基準，若調制器某些開關管有損壞，與之并聯電阻被短路，回路電流增大，取樣電阻兩端的電壓值升高，監控軟件根據升高的電壓值可以準確

計算出開關管的損壞數目。調制器正常工作時需要將取樣電阻用短路開關K1短路。基于開關管阻抗特性的在線檢測方法具有簡單可靠、安全性高、抗干擾性強等優勢，應用更為廣泛。

根據冗余量，一般當調制器開關管損壞10%～20%，報維修；當損壞超過20%，則需報故障，禁止加高壓。

5結束語

隨著固態開關器件及小功率開關串并聯技術的發展，全固態調制器正逐漸成為大功率脈沖調制器的主流[7]。本文介紹的這些全固態調制器采用的保護技術、電路和方法已在實際產品應用中得到有效驗證，大大提高了調制器的可靠性。隨著器件制造水平的提高和固態調制器更廣泛的應用，保護技術也將得到同步提高，不斷提高固態調制器和系統的性能與可靠性。

參 考 文 獻

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王登峰男，1978年生，高級工程師。研究方向為雷達發射技術。

田為男，1968年生，高級工程師。研究方向為雷達發射技術。

謝英女，1964年生，高級工程師。研究方向為雷達發射技術。

The Protection Technology of All-solid-state Modulator

WANG Dengfeng，TIAN Wei，XIE Ying

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The all-solid-state hard tube modulator is widely used in the electro-vacuum transmitter and accelerator etc. In this paper, the troubles of the modulator using process are discussed. The fault causes are analyzed. The emphasis is placed on key technologies and measures, like switch tube voltage balance circuit, the protection of driving circuit, the protection on klystron arcing and the online detection methods of the switch tube. The typical circuit diagram is given. The prospects of the application are forecasted.

Key words：solid-state modulator; voltage balance circuit; the protection of driving circuit; online detection

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.016

通信作者：王登峰Email：nox3092003@163.com

收稿日期：2016-01-22

修訂日期：2016-03-25

中圖分類號：TN76

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0069-03