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(或稱仿真線)。
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)稱為剛性開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱為剛性調(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)元件稱為軟性開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制器稱為軟性調(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充電，氫閘流管接通時(shí)，仿真線經(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。