基于IGBT的固態脈沖調制器設計與實現

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。