基于IGBT的固態(tài)脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì)

摘要：基于課題建設(shè)的需要，需對(duì)某型雷達(dá)脈沖調(diào)制器進(jìn)行固態(tài)化改造，為達(dá)到經(jīng)濟(jì)省時(shí)的目的，采用了設(shè)計(jì)與仿真的方法。應(yīng)用新型功率開(kāi)關(guān)器件IGBT替代電真空器件，設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制的固態(tài)脈沖調(diào)制器?？朔死走_(dá)脈沖調(diào)制器中廣泛采用的電真空器件的局限性。Simulink仿真結(jié)果表明，調(diào)制波形及功率完全滿(mǎn)足雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。得出了所設(shè)計(jì)的固態(tài)調(diào)制器可以工程化的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：氫閘流管；IGBT；固態(tài)脈沖調(diào)制器；Simulink

    在雷達(dá)發(fā)射機(jī)脈沖調(diào)制器中，廣泛采用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)復(fù)雜、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(mǎn)足現(xiàn)代雷達(dá)的復(fù)雜信號(hào)處理的需求。
    隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，新型功率開(kāi)關(guān)器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，滿(mǎn)足了人們把大功率、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)發(fā)射機(jī)脈沖調(diào)制器中采用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)
    根據(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，低壓電源供給調(diào)制脈沖預(yù)處理電路使用，高壓電源供給調(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。因?yàn)槊}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，可以采用儲(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(xiàn)(或稱(chēng)仿真線(xiàn))。
    脈沖形成部分是利用一個(gè)開(kāi)關(guān)，控制儲(chǔ)能元件對(duì)負(fù)載(射頻發(fā)生器)放電，以提供電壓、功率、脈沖寬度及脈沖波形等都滿(mǎn)足要求的視頻脈沖。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(xiàn)性電感的磁開(kāi)關(guān)等。
    真空管的通斷可由柵極電壓控制，通斷利索，這種開(kāi)關(guān)稱(chēng)為剛性開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱(chēng)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(xiàn)性電感的磁開(kāi)關(guān)則只能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷，這種開(kāi)關(guān)元件稱(chēng)為軟性開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱(chēng)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)能力強(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(lèi)型，但都避免不了其功率小、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)的復(fù)雜都使其可靠性降低，并且維修難度大。
2．2 現(xiàn)代電力電子器件
    開(kāi)關(guān)元件的固態(tài)化是發(fā)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，許多新興的器件迅速應(yīng)用于這種電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。上世紀(jì)九十年代才現(xiàn)身市場(chǎng)的絕緣柵雙極晶體管IGBT已成為現(xiàn)代電力電子器件發(fā)展的領(lǐng)頭軍，型號(hào)齊全，已經(jīng)出現(xiàn)了由IGBT組成的功能完善的智能化功率模塊IPM。
    IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管是一種工作原理復(fù)雜的集成半導(dǎo)體器件。在結(jié)構(gòu)上，集成了所有半導(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年的發(fā)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，又發(fā)展到非穿通型，直至現(xiàn)在的電場(chǎng)截至型．達(dá)到了6 000 V／600 A，通態(tài)壓降1．3 V，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)使其特別適應(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、可維性及可靠性進(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14 000 V／350 A，陶瓷外殼，需要12．6 V／6 A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(xiàn)充電，氫閘流管接通時(shí)，仿真線(xiàn)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(控制柵，有的還具有預(yù)點(diǎn)火柵或分壓柵等)組成，將所有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)研究等領(lǐng)域或場(chǎng)合。[!--empirenews.page--]
    氫閘流管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)的接通是由控制柵極上施加正觸發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果閘流管陽(yáng)極具有足夠高的正向電壓，柵極一旦被觸發(fā)，陽(yáng)極-陰極之間將迅速導(dǎo)通，柵極就失去了對(duì)放電的控制作用。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)的控制功能。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，這些電源是不可缺少且體積龐大的高壓電源。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情況下可能會(huì)出現(xiàn)打火等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響雷達(dá)發(fā)射機(jī)的可靠性。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、可靠性高、壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究固態(tài)調(diào)制器是一個(gè)極為重要的發(fā)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模塊采用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)制器采用充電電感，屬于直流諧振充電，其自然諧振周期為：
   
    其中：C0是仿真線(xiàn)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(chēng)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(chēng)為過(guò)電壓保護(hù)電路，它的作用是防止仿真線(xiàn)上出現(xiàn)過(guò)高的電壓而損壞功率管。當(dāng)仿真線(xiàn)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)消失，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一致，所以仿真線(xiàn)將會(huì)充電到一個(gè)較高的電壓值。如果這時(shí)負(fù)載打火并未消失，那么這一過(guò)程將會(huì)繼續(xù)下去。在理論上可以證明，仿真線(xiàn)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(xiàn)上出現(xiàn)負(fù)極性電壓，就可以通過(guò)VD2放掉，從而防止了仿真線(xiàn)上過(guò)電壓的產(chǎn)生。
    R2C2稱(chēng)為反肩峰電路。當(dāng)仿真線(xiàn)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采用高速型MG400Q1US41，其參數(shù)為1 200V／400A，價(jià)格為1 080元，其參數(shù)如圖4所示。工程中采用十管串聯(lián)的方法以適應(yīng)高電壓的要求。驅(qū)動(dòng)模塊采用M57962L，其參數(shù)為1 200 V／400 A，價(jià)格為72元。

    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因?yàn)橐惺芨唠妷憾鴵舸?，進(jìn)一步擊穿所有的管子，而形成調(diào)制器故障，造成不必要的損失。解決的辦法是用單片機(jī)產(chǎn)生一路觸發(fā)脈沖，同時(shí)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊。因?yàn)轵?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)，因其延遲的一致性，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。[!--empirenews.page--]
    根據(jù)調(diào)制器的要求，由單片機(jī)輸出一定重復(fù)頻率的觸發(fā)脈沖經(jīng)接口保護(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(xiàn)如圖5所示。

    根據(jù)圖4所示IGBT參數(shù)可知，在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2．4 Ω、TC=25℃、IC=400 A時(shí)，ton=0．25μs，toff=0．7μs。從圖5的UCE-t曲線(xiàn)圖看，IGBT的開(kāi)關(guān)曲線(xiàn)比氫閘流管的開(kāi)關(guān)曲線(xiàn)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)的采用，就可以使調(diào)制器的保護(hù)采用軟件保護(hù)，這在減少調(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?xún)r(jià)比高，況且在性能、構(gòu)造、可維性及可靠性方面遠(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2 ms，脈沖寬度為2μs，如圖6中的第一示波器(圖的下部)，仿真線(xiàn)前端的波形如圖6中的第二示波器(圖的上部)。由第二示波器可見(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(xiàn)迅速放電，放電速率為5 000 V／6μs(即從滿(mǎn)電壓5 000 V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(xiàn)迅速充電，放電速率為5 000 V／3μs(即從充電開(kāi)始至滿(mǎn)電壓5 000 V的時(shí)間約為3μs)，并且無(wú)反沖。

    由此可見(jiàn)，由IGBT網(wǎng)絡(luò)替代的脈沖開(kāi)關(guān)，完全能滿(mǎn)足脈沖調(diào)制器的要求，其指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了氫閘流管脈沖調(diào)制器。

5 結(jié)論
    器件固態(tài)化是系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，固態(tài)脈沖調(diào)制器正是在這一趨勢(shì)的啟發(fā)下提出來(lái)的。所設(shè)計(jì)的固態(tài)脈沖調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，可以快速、方便地對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)的脈沖調(diào)制器進(jìn)行改裝。改裝成本低、周期短，具有很高的實(shí)用價(jià)值。