中心議題：
- 脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)
- 開關(guān)器件的比較
- 固態(tài)調(diào)制器硬件組成
- 固態(tài)調(diào)制器仿真過程及結(jié)構(gòu)
在雷達發(fā)射機脈沖調(diào)制器中，廣泛采用的是電真空管作為開關(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、造價高、使用壽命短等缺點，尤其是其不適用于大功率、高重復(fù)頻率等工作場合的缺陷，使其已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代雷達的復(fù)雜信號處理的需求。
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，新型功率開關(guān)器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)迅速占領(lǐng)了市場，滿足了人們把大功率、超高頻率開關(guān)元件實現(xiàn)固態(tài)化的期望，有著完全取代電真空管的趨勢。這也為在雷達發(fā)射機脈沖調(diào)制器中采用IGBT作為開關(guān)管以替代電真空管奠定了理論和實踐基礎(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、能量儲存部分、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。
能量儲存部分的作用是為了降低對于電源部分的高峰值功率要求。因為脈沖調(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，可以采用儲能元件在脈沖間歇期間把電源送來的能量儲存起來，等到脈沖期間再把儲存的能量放出，交給射頻發(fā)生器。常用的儲能元件有電容器和人工線(或稱仿真線)。
脈沖形成部分是利用一個開關(guān)，控制儲能元件對負載(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足要求的視頻脈沖。常用的開關(guān)元件有真空三、四極管、氫閘流管、半導(dǎo)體開關(guān)元件(可控硅元件)和具有非線性電感的磁開關(guān)等。
真空管的通斷可由柵極電壓控制，通斷利索，這種開關(guān)稱為剛性開關(guān)，對應(yīng)的調(diào)制器稱為剛性調(diào)制器。氫閘流管、半導(dǎo)體開關(guān)元件和具有非線性電感的磁開關(guān)則只能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷，這種開關(guān)元件稱為軟性開關(guān)，對應(yīng)的調(diào)制器稱為軟性調(diào)制器。
2 開關(guān)器件的比較
對傳統(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)制開關(guān)的剛性調(diào)制器適應(yīng)能力強，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)和成本為代價的。為彌補自身不足以適應(yīng)各種工作需要，剛性調(diào)制器又分為多種類型，但都避免不了其功率小、效率低的缺陷。
以氫閘流管為開關(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、后沿拖長；2)對負載阻抗的適應(yīng)性差；3)對波形的適應(yīng)性也差。
可見軟性調(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
開關(guān)元件的固態(tài)化是發(fā)展的大趨勢，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)型場效應(yīng)管JFET、MOSFET、SCR。工藝上利用MOS工藝進行大面積功率集成，單元胞的體積越來越小，單元胞的數(shù)量越來越多。IGBT經(jīng)過20年的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟，功能越來越強大。從原來的平面柵型到溝槽型，又發(fā)展到非穿通型，直至現(xiàn)在的電場截至型．達到了6 000 V／600 A，通態(tài)壓降1．3 V，開關(guān)頻率達到納秒級。
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關(guān)器件。其主要優(yōu)點表現(xiàn)在開關(guān)頻率高、承載功率大、通態(tài)壓降低、du／dt和di／dt耐量高、動態(tài)性能高、反向恢復(fù)快等，這些性能特點使其特別適應(yīng)于在高頻、大功率電路中出任開關(guān)器件的重任。
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3 固態(tài)調(diào)制器硬件組成
對分別以氫閘流管和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，高壓電源經(jīng)充電電感和變壓器的原邊給仿真線充電，氫閘流管接通時，仿真線經(jīng)氫閘流管對變壓器原邊放電，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。
充氫閘流管是由陽極、陰極、柵極(控制柵，有的還具有預(yù)點火柵或分壓柵等)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)，是離子開關(guān)管中的一個分支，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，放電擴展到陽柵間隙導(dǎo)致陽柵間隙擊穿導(dǎo)通，使外電路通過陽極-柵極-陰極放電，而輸出脈沖電流，是具有正啟動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，點火穩(wěn)定等特點，廣泛應(yīng)用于國防、醫(yī)療、高能激光、科學(xué)研究等領(lǐng)域或場合。
氫閘流管作為開關(guān)時，開關(guān)的接通是由控制柵極上施加正觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)的。如果閘流管陽極具有足夠高的正向電壓，柵極一旦被觸發(fā)，陽極-陰極之間將迅速導(dǎo)通，柵極就失去了對放電的控制作用。只有陽極電壓降得很低，不足以維持放電電流時，閘流管才會截止。閘流管在放電結(jié)束后，要經(jīng)過一段消電離時間，柵極才能恢復(fù)原來的控制功能。因此，閘流管脈沖調(diào)制器形成的脈沖波形頂部抖動、后沿拖長。
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出現(xiàn)打火等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響雷達發(fā)射機的可靠性。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、維修費用低等優(yōu)點。因此，研究固態(tài)調(diào)制器是一個極為重要的發(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，單片機驅(qū)動模塊利用單片機形成統(tǒng)一的觸發(fā)脈沖，經(jīng)驅(qū)動模塊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，稱為充電二極管或保持二極管。這時只要充電電路的Tch值小于最小的脈沖重復(fù)周期就行了。
VD2和R1稱為過電壓保護電路，它的作用是防止仿真線上出現(xiàn)過高的電壓而損壞功率管。當(dāng)仿真線向接近短路的負載放電時，其上的電壓會變成負極性，由于功率管不能反向?qū)щ姡@個負極性的電壓不會消失，在下一個脈沖重復(fù)周期充電時，這個電壓與電源電壓的極性一致，所以仿真線將會充電到一個較高的電壓值。如果這時負載打火并未消失，那么這一過程將會繼續(xù)下去。在理論上可以證明，仿真線上的電壓將會達到電源電壓的6倍之多。當(dāng)電路中接入VD2和R1之后，只要仿真線上出現(xiàn)負極性電壓，就可以通過VD2放掉，從而防止了仿真線上過電壓的產(chǎn)生。
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R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)仿真線向不匹配的負載放電會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載阻抗相等，而電容的大小可按電路時間常數(shù)與脈沖前沿時間大致相當(dāng)來確定。
功率開關(guān)管IGBT采用高速型MG400Q1US41，其參數(shù)為1 200V／400A，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)動模塊采用M57962L，其參數(shù)為1 200 V／400 A。
十管串聯(lián)需要保證串聯(lián)的10個管子同時導(dǎo)通、同時截止，否則先導(dǎo)通或者后截止的管子就因為要承受高電壓而擊穿，進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產(chǎn)生一路觸發(fā)脈沖，同時觸發(fā)驅(qū)動模塊。因為驅(qū)動模塊具有較高的輸入阻抗，因此單片機的輸出電流足夠同時觸發(fā)驅(qū)動模塊。10個驅(qū)動模塊被同時觸發(fā)，因其延遲的一致性，會使單片機的觸發(fā)脈沖同時加到10個IGBT的柵極。
根據(jù)調(diào)制器的要求，由單片機輸出一定重復(fù)頻率的觸發(fā)脈沖經(jīng)接口保護電路轉(zhuǎn)換后驅(qū)動IGBT的柵極。IGBT在柵極有驅(qū)動時接通，無驅(qū)動時關(guān)斷，實現(xiàn)了可控的開關(guān)功能。IGBT的動態(tài)開關(guān)曲線如圖5所示。
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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，ton=0．25μs，toff=0．7μs。從圖5的UCE-t曲線圖看，IGBT的開關(guān)曲線比氫閘流管的開關(guān)曲線更好，更適合于作為脈沖調(diào)制器的開關(guān)管使用。
由于單片機的采用，就可以使調(diào)制器的保護采用軟件保護，這在減少調(diào)制器的體積與重量方面可以做出重大貢獻。
單個固態(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，也就是說性價比高，況且在性能、構(gòu)造、可維性及可靠性方面遠遠勝于氫閘流管調(diào)制器。
4 仿真過程及結(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，當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時，即IGBT網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通時，仿真線迅速放電，放電速率為5 000 V／6μs(即從滿電壓5 000 V至放電完成時間約為6μs)，并且無反沖。當(dāng)觸發(fā)脈沖過去時，即IGBT網(wǎng)絡(luò)斷開時，仿真線迅速充電，放電速率為5 000 V／3μs(即從充電開始至滿電壓5 000 V的時間約為3μs)，并且無反沖。
由此可見，由IGBT網(wǎng)絡(luò)替代的脈沖開關(guān)，完全能滿足脈沖調(diào)制器的要求，其指標(biāo)遠遠超過了氫閘流管脈沖調(diào)制器。
5 結(jié)論
器件固態(tài)化是系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，固態(tài)脈沖調(diào)制器正是在這一趨勢的啟發(fā)下提出來的。所設(shè)計的固態(tài)脈沖調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、性價比高的特點，可以快速、方便地對現(xiàn)有雷達的脈沖調(diào)制器進行改裝。改裝成本低、周期短，具有很高的實用價值。
