基于IGBT的固態(tài)脈沖調制器設計與實(shí)現

以氫閘流管ZQM1-350/14型為例，其參數為14000V/350A，陶瓷外殼，需要12.6V/6A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(xiàn)充電，氫閘流管接通時(shí)，仿真線(xiàn)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(yáng)極、陰極、柵極(控制柵，有的還具有預點(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，放電擴展到陽(yáng)柵間隙導致陽(yáng)柵間隙擊穿導通，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)火穩定等特 點(diǎn)，廣泛應用于國防、醫療、高能激光、科學(xué)研究等領(lǐng)域或場(chǎng)合。

氫閘流管作為開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)的接通是由控制柵極上施加正觸發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現的。如果閘流管陽(yáng)極具有足夠高的正向電壓，柵極一旦被觸發(fā)，陽(yáng)極-陰極之間將迅速導 通，柵極就失去了對放電的控制作用。只有陽(yáng)極電壓降得很低，不足以維持放電電流時(shí)，閘流管才會(huì )截止。閘流管在放電結束后，要經(jīng)過(guò)一段消電離時(shí)間，柵極才能恢復原來(lái)的控制功能。因此，閘流管脈沖調制器形成的脈沖波形頂部抖動(dòng)、后沿拖長(cháng)。

況且真空管調制器由于電子管的外圍電路有偏壓、簾柵、 陽(yáng)極等電源，這些電源是不可缺少且體積龐大的高壓電源。調制器導通時(shí)的管壓降較大，調制器效率較低。電子管極間電容的存在很難實(shí)現窄脈沖調制。另外由于電 子管在真空度變差情況下可能會(huì )出現打火等現象，嚴重影響雷達發(fā)射機的可靠性。電子管陰極的壽命較短，也制約著(zhù)電子管在調制器中的使用。

全固態(tài)調制器與電子管調制器相比具有效率高、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(cháng)、維修費用低等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究固態(tài)調制器是一個(gè)極為重要的發(fā)展方向。3.2 固態(tài)脈沖調制器

固態(tài)脈沖調制器就是以固態(tài)開(kāi)關(guān)管IGBT替代電真空管的調制器。IGBT模塊采用10只IGBT串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò )使用，單片機驅動(dòng)模塊利用單片機形成統一的觸發(fā)脈沖，經(jīng)驅動(dòng)模塊M57962L同步觸發(fā)IGBT網(wǎng)絡(luò )。其結構如圖3所示。

Tch等于調制器脈沖重復周期T0兩倍，即調制器的脈沖重復頻率是固定的。因此為了適應雷達工作于多種重復頻率的要求，可在充電電路中串入一只二極管，稱(chēng)為充電二極管或保持二極管。這時(shí)只要充電電路的Tch值小于最小的脈沖重復周期就行了。

VD2和R1稱(chēng)為過(guò)電壓保護電路，它的作用是防止仿真線(xiàn)上出現過(guò)高的電壓而損壞功率管。當仿真線(xiàn)向接近短路的負載放電時(shí)，其上的電壓會(huì )變成負極性，由于 功率管不能反向導電，這個(gè)負極性的電壓不會(huì )消失，在下一個(gè)脈沖重復周期充電時(shí)，這個(gè)電壓與電源電壓的極性一致，所以仿真線(xiàn)將會(huì )充電到一個(gè)較高的電壓值。如 果這時(shí)負載打火并未消失，那么這一過(guò)程將會(huì )繼續下去。在理論上可以證明，仿真線(xiàn)上的電壓將會(huì )達到電源電壓的6倍之多。當電路中接入VD2和R1之后，只要 仿真線(xiàn)上出現負極性電壓，就可以通過(guò)VD2放掉，從而防止了仿真線(xiàn)上過(guò)電壓的產(chǎn)生。

R2C2稱(chēng)為反肩峰電路。當仿真線(xiàn)向不匹配的負載放電會(huì )在脈沖的前沿引起顯著(zhù)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(shí)間常數與脈沖前沿時(shí)間大致相當來(lái)確定。

功率開(kāi)關(guān)管IGBT采用高速型MG400Q1US41，其參數為1 200V/400A，其參數如圖4所示。工程中采用十管串聯(lián)的方法以適應高電壓的要求。驅動(dòng)模塊采用M57962L，其參數為1200V/400A。

十管串聯(lián)需要保證串聯(lián)的10個(gè)管子同時(shí)導通、同時(shí)截止，否則先導通或者后截止的管子就因為要承受高電壓而擊穿，進(jìn)一步擊穿所有的管子，而形成調制器故 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(shí)觸發(fā)驅動(dòng)模塊。因為驅動(dòng)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(shí)觸發(fā)驅 動(dòng)模塊。10個(gè)驅動(dòng)模塊被同時(shí)觸發(fā)，因其延遲的一致性，會(huì )使單片機的觸發(fā)脈沖同時(shí)加到10個(gè)IGBT的柵極。根據調制器的要求，由單片機