基于IGBT的固態脈沖調制器設計

摘要：基于課題建設的需要，需對某型雷達脈沖調制器進行固態化改造，為達到經濟省時的目的，采用了設計與仿真的方法。應用新型功率開關器件IGBT替代電真空器件，設計了單片機控制的固態脈沖調制器?？朔死走_脈沖調制器中廣泛采用的電真空器件的局限性。Simulink仿真結果表明，調制波形及功率完全滿足雷達的戰術技術指標。得出了所設計的固態調制器可以工程化的結論。
關鍵詞：氫閘流管；IGBT；固態脈沖調制器；Simulink

在雷達發射機脈沖調制器中，廣泛采用的是電真空管作為開關管。這種結構的脈沖調制器具有配套技術復雜、造價高、使用壽命短等缺點，尤其是其不適用于大功率、高重復頻率等工作場合的缺陷，使其已經遠遠不能滿足現代雷達的復雜信號處理的需求。
隨著電力電子技術的快速發展，新型功率開關器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)迅速占領了市場，滿足了人們把大功率、超高頻率開關元件實現固態化的期望，有著完全取代電真空管的趨勢。這也為在雷達發射機脈沖調制器中采用IGBT作為開關管以替代電真空管奠定了理論和實踐基礎。

1 脈沖調制器的結構
根據脈沖調制器的任務，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。其結構如圖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，低壓電源供給調制脈沖預處理電路使用，高壓電源供給調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。因為脈沖調制器是在短促的脈沖期間給射頻發生器提能量的，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，控制儲能元件對負載(射頻發生器)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。常用的開關元件有真空三、四極管、氫閘流管、半導體開關元件(可控硅元件)和具有非線性電感的磁開關等。
真空管的通斷可由柵極電壓控制，通斷利索，這種開關稱為剛性開關，對應的調制器稱為剛性調制器。氫閘流管、半導體開關元件和具有非線性電感的磁開關則只能控制其導通，而不能控制其關斷，這種開關元件稱為軟性開關，對應的調制器稱為軟性調制器。

2 開關器件的比較
對傳統的電真空器件(氫閘流管)和現代電力電子器件IGBT的電氣性能進行比較。
2．1 傳統電真空管器件
以真空三、四極管為調制開關的剛性調制器適應能力強，能適應各種波形、重復頻率的要求，但這也是以體積、重量、結構和成本為代價的。為彌補自身不足以適應各種工作需要，剛性調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。
以氫閘流管為開關元件的軟性調制器雖能克服剛性調制器的不足，但自身的缺陷也很突出，主要表現為：1)脈沖波形頂部抖動、后沿拖長；2)對負載阻抗的適應性差；3)對波形的適應性也差。
可見軟性調制器只能適應于精度要求不高、波形要求不嚴格的大功率雷達中。并且不管是剛性還是軟性調制器，其結構的復雜都使其可靠性降低，并且維修難度大。
2．2 現代電力電子器件
開關元件的固態化是發展的大趨勢，尤其是電力電子器件在由傳統型向現代型轉變以后，許多新興的器件迅速應用于這種電力轉換領域。上世紀九十年代才現身市場的絕緣柵雙極晶體管IGBT已成為現代電力電子器件發展的領頭軍，型號齊全，已經出現了由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雜的集成半導體器件。在結構上，集成了所有半導體器件的基本結構。如二極管、BJT、結型場效應管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，單元胞的數量越來越多。IGBT經過20年的發展，技術越來越成熟，功能越來越強大。從原來的平面柵型到溝槽型，又發展到非穿通型，直至現在的電場截至型．達到了6 000 V／600 A，通態壓降1．3 V，開關頻率達到納秒級。
IGBT在大量產品中的良好表現，證明其是一種良好的功率開關器件。其主要優點表現在開關頻率高、承載功率大、通態壓降低、du／dt和di／dt耐量高、動態性能高、反向恢復快等，這些性能特點使其特別適應于在高頻、大功率電路中出任開關器件的重任。

3 固態調制器硬件組成
對分別以氫閘流管和IGBT為中心所構成的兩種脈沖調制器的性能、構造、成本、可維性及可靠性進行比較。
3．1 真空管脈沖調制器
以氫閘流管ZQM1-350／14型為例，其參數為14 000 V／350 A，陶瓷外殼，需要12．6 V／6 A的燈絲電源。其關斷時，高壓電源經充電電感和變壓器的原邊給仿真線充電，氫閘流管接通時，仿真線經氫閘流管對變壓器原邊放電，在變壓器的副邊產生高壓脈沖去調制磁控管。氫閘流調制器的結構如圖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，是離子開關管中的一個分支，將觸發脈沖(正極性)加到柵極，使陰-柵間隙產生輝光放電，放電擴展到陽柵間隙導致陽柵間隙擊穿導通，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，觸發電壓低，脈沖寬度窄，電流上升快，點火穩定等特點，廣泛應用于國防、醫療、高能激光、科學研究等領域或場合。