基于IGBT的固態(tài)脈沖調制器設計與實(shí)現

在雷達發(fā)射機脈沖調制器中，廣泛采用的是電真空管作為開(kāi)關(guān)管。這種結構的脈沖調制器具有配套技術(shù)復雜、造價(jià)高、使用壽命短等缺點(diǎn)，尤其是其不適用于大功率、高重復頻率等工作場(chǎng)合的缺陷，使其已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足現代雷達的復雜信號處理的需求。

隨著(zhù)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)現固態(tài)化的期望，有著(zhù)完全取代電真空管的趨勢。這也為在雷達發(fā)射機脈沖調制器中采用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。

1 脈沖調制器的結構

根據脈沖調制器的任務(wù)，它基本由下列3部分組成：電源部分、能量?jì)Υ娌糠?、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?jì)Υ娌糠值淖饔檬菫榱私档蛯τ陔娫床糠值母叻逯倒β室?。因為脈沖調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(cháng)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(lái)的能量?jì)Υ嫫饋?lái)，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(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(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)，對應的調制器稱(chēng)為剛性調制器。氫閘流管、半導體開(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)，對應的調制器稱(chēng)為軟性調制器。2 開(kāi)關(guān)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(jìn)行比較。

2.1 傳統電真空管器件

以真空三、四極管為調制開(kāi)關(guān)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(jià)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(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(dòng)、后沿拖長(cháng);2)對負載阻抗的適應性差;3)對波形的適應性也差。

可見(jiàn)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(kāi)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(lǐng)域。上世紀九十年代才現身市 場(chǎng)的絕緣柵雙極晶體管IGBT已成為現代電力電子器件發(fā)展的領(lǐng)頭軍，型號齊全，已經(jīng)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(chǎng)效應管 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，直至現在的電場(chǎng)截至型.達到了6 000 V/600 A，通態(tài)壓降1.3 V，開(kāi)關(guān)頻率達到納秒級。

IGBT在大量產(chǎn)品中的良好表現，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、反向恢復快等，這些性能特點(diǎn)使其特別適應于在高頻、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(jìn)行比較。