基于開關管阻抗特性的調制組件檢測方法

謝 英

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

調制器是高功率發射機的重要組成部分，它直接關系發射機的性能，一個設計合理的調制器可提高發射機乃至雷達整機的可靠性。傳統的大功率調制器一般采用真空電子管作為脈沖開關，這類器件存在驅動和保護電路復雜、損耗大、壽命短等缺點，直接影響調制器的效率和可靠性。隨著半導體器件尤其是絕緣柵雙極性晶體管等大功率固態器件的出現及日趨成熟，固態剛管調制器得到迅速發展。采用大功率IGBT管作為開關器件，運用更合理的電路拓撲結構［1］，特別是近年來快速發展的相關固態開關器件串并聯技術，IGBT管等固態開關器件也朝著更高耐壓、更大容量、模塊化發展，使得采用多個全固態開關管串并聯研制大功率全固態剛管調制器成為可能。全固態脈沖調制器越來越多地應用在雷達、高能和高功率設備中，固態剛管調制器必將成為未來大功率脈沖調制器的研制方向。調制器的基本單元由直流電源、儲能電容、固態開關等組成，固態調制器開關的關鍵技術主要體現在均壓、組件供電、脈沖同步、自檢與保護這四個方面。由于IGBT管具有開關速度快、導通電壓低和質量可靠等優點，正越來越廣泛地被用作固態開關。IGBT管是固態調制器的核心器件，但是，在調制器工作過程中，IGBT管會因為動態靜態均壓、均流、缺電、過流、過壓、驅動信號異常和負載打火等原因導致損壞，所以設計完善、可靠的IGBT管檢測和保護電路是固態調制器設計的一個重要環節。本文在傳統在線調制組件檢測方法基礎上，創新性提出了基于開關管阻抗特性的調制組件檢測方法，并對這兩種方法進行了分析比較，闡述了新方法的設計思想、工作原理，給出了實現方案、檢測方法原理框圖及工程應用。

1 大功率固態調制器

1.1 主流全固態剛管調制器簡介

無論是在高功率脈沖或雷達領域，用作脈沖調制器開關的固態開關都需要在幾十千伏，甚至幾百千伏的高壓下工作［2］。目前還沒有可直接用作該類開關的大功率固態器件，一般依據耐壓、電流、驅動和響應速度等條件，選擇合適的固態器件，但無論是選用IGBT管或是MOSFET管等，都需要采用大量的功率管通過串并聯組合應用形式組成滿足總電壓和電流要求的開關組件。

全固態剛管調制器有多種體制和拓撲結構，每一種都有各自的特點和關鍵技術［3］，采用IGBT管等固態器件進行串并聯組合應用的組合形式主要有兩種:(1)加法器式全固態剛管調制器。這種結構形式的調制器輸出脈沖由脈沖變壓器耦合和疊加，采用變壓器升壓，初級通過的電流很大，需采用高壓大電流的模塊作為開關，開關元件損壞的風險比較高。(2)采用IGBT管串并聯的直接耦合型全固態剛管調制器。該形式調制器由于電壓較高，串聯的開關管較多，其關鍵技術為開關管的驅動及負載短路快速保護，必須保證驅動信號的一致性，否則最慢導通的管子將承受全部電壓而被擊穿。

1.2 固態調制器開關組件的檢測和保護技術

由于調制器是發射管脈沖工作的主要通路，所以解決固態開關組件的自檢和故障定位問題，顯得尤為重要，否則工程應用就不可能實現。作為調制器負載的微波真空器件，不可避免地會發生短路打火現象，在經過多次打火后，會有個別IGBT管損壞。調制器一般采用冗余設計的方法，需要設計在線檢測電路，檢測開關管的正常與損壞情況，用來判定調制器是否還能正常工作，這樣才能真正實現冗余設計，保證設備有足夠的平均故障間隔時間。常用的檢測方法是在線檢測開關管兩端的電壓來判斷它是否損壞，通過光耦隔離后，驅動光纖指示［4］。這種方法，開關管工作時浮在高電位上，故相關檢測電路的供電需要隔離，電路復雜，且容易受干擾;同時，大量開關管并聯式連接，只能檢測是否有開關管損壞，并不能精確檢測出損壞的數量;另外，因光耦導通特性容易出現故障誤報，導致誤判。圖1是傳統在線式調制組件檢測方法原理框圖。

圖1 傳統在線式調制組件檢測方法原理框圖

2 基于開關管阻抗特性的調制組件檢測方法

2.1 設計思想

基于開關管阻抗特性的調制組件檢測為大功率固態調制組件的開關管損壞提供了一種新穎的檢測方法。它利用調制組件開關管靜態阻抗特性和高速采樣進行匹配計算，從而實現快速、準確、安全的開關管損壞檢測。離線式檢測，避免了高電位供電和干擾，此外，運用監控系統采樣電路，該方法可以精確地計算出開關管損壞的數量，為故障的指示和報警提供準確參考。這種簡單、安全、精確的調制組件開關管損壞的檢測方法，較傳統的在線檢測方法具有簡單可靠、安全性高、抗干擾性強等優勢;同時，高速采樣電路的運用，使調制組件擁有更精確的檢測能力和更方便靈活的檢測方式。

2.2 工作原理

該方案利用調制組件開關管靜態阻抗特性計算回路取樣電阻的電壓降，從而實現快速、安全的開關管損壞檢測，與監控系統采樣電路進行匹配計算，實現精確檢測、顯示控制和故障指示報警等。

在發射機主回路的低壓端串接一個取樣電阻(如圖2所示，電阻Rs)，電阻器阻值由高壓電源的電壓和所有調制組件的開關管靜態阻抗決定。檢測時，高壓電源的電壓經過限流電阻、調制器、速調管負載、取樣電阻形成回路，其中，速調管負載靜態阻抗遠遠小于(相差3～4數量級)調制組件的靜態阻抗。回路電流流經取樣電阻，把電阻器兩端的電壓值送到監控采樣電路。若調制器開關管有損壞，開關管的阻抗變小，回路電流增大，取樣電阻兩端的電壓值升高，監控軟件根據升高的電壓值準確計算出開關管的損壞數目。根據檢測結果，監控軟件設定相應的門限，可進行相應的故障報警和聯鎖保護，其原理框圖見圖2。

圖2 基于開關管阻抗特性的調制組件檢測方法原理框圖

2.3 監控系統和檢測采樣原理

全固態調制器的監控系統采用GE公司的可編程序邏輯控制器(PLC)為中央處理器，由于PLC抗干擾能力強，可以在復雜的電磁環境下可靠工作［5］。選用的IC693系列模塊具有存儲容量大、運算速度快、程序開發方便等特性，能夠完成邏輯、定時、計數等控制要求，并可根據控制需求進行多種靈活配置［6］。該監控系統PLC模塊配置見圖3，由采樣電路獲取的電壓送入模擬量輸入模塊，其量程為0 V～10 V。在軟件的梯形圖中根據采樣電壓數值及其變化量進行計算，從而判定IGBT管損壞的數量和計算百分比。若IGBT管有損壞，則靜態阻抗變小，回路電流增大，取樣電阻兩端電壓值變大，根據變化量的相對大小計算出精確的損壞數量，從而判定調制器是否能夠正常工作。通過采樣值還可計算損壞的百分比，當損壞≤10%，報維修信號，當損壞≥10%，報故障信號，關斷高壓，實現控制聯鎖，由于直接定位到每個組件，所以大大方便了檢測維護。

圖3 監控電路PLC模塊配置

2.4 基于開關管阻抗特性的調制組件檢測方法的工程應用

該檢測方法已應用到某產品的全固態大功率調制器中，調制器采用的是1 200 V/75 A小型高速IGBT多管串并聯方案。因功率量級大，采用多組IGBT串聯，以滿足電壓、電流等級的需要。調制器采用冗余設計思想，具有模塊化設計和易維修性等優點，如果因打火過流等引起部分IGBT管損壞，并不影響調制器正常使用。只要監控系統檢測IGBT管正常與損壞的數量，就能判定調制器是否還能正常工作，真正實現冗余設計和可靠性保障。

應用的調制器檢測電路如圖2所示。高壓電源U通過限流電阻Rd直接向儲能電容C充電，以串聯形式組合的調制開關S1，S2，…，S8串接在儲能電容C和速調管負載Rk之間，在觸發電路激勵下，控制所有8組開關同時導通和關斷，從而在速調管負載上得到調制脈沖。

若串聯的IGBT開關管都正常，靜態阻抗約為40 MΩ，根據高壓電源的等級，選取取樣電阻為2 kΩ。檢測時，調制器不加觸發脈沖，離線工作，加靜態高壓40 kV，根據回路電流Is計算出取樣電阻上的電壓Us=2 kΩ×Is，把取樣電壓值Us送給采樣電路，由監控系統根據采樣的數值及其變化量實現IGBT管損壞數量的計算。

該檢測方法利用原有電路的供電方式，檢測電路簡單，避免了通常在線檢測的高電位供電和隔離問題，解決了在線檢測時易受干擾的誤報問題，工作穩定可靠，檢測結果準確，監控界面見圖4。

圖4 全固態調制器監控界面

3 結束語

相對于傳統的在線檢測方法，基于開關管阻抗特性的調制組件檢測方法電路大大簡化。由于檢測電路低電位供電，并且避免了過多的信號線傳輸，安全可靠，解決了傳統在線檢測方法中由于光耦導通特性引起的故障誤報情況，可以準確檢測出開關管的導通性能的變化。因為可精確計算出IGBT管損壞的數量和百分比，定位精度更高，為故障指示和報警提供更加準確的依據。另外，可利用現有調制器回路，所有調制組件可以共用一個檢測電路。新檢測方法可以工程化應用和適應不同的全固態調制器控制保護，隨著器件制造水平的提高和應用技術的不斷發展，固態調制器的性能和可靠性也將得到同步提高，從而提高發射機整機可靠性。

［1］ 錢 錳，楊景紅，劉 超.超大電流全固態調制器組件的設計與實現［J］.現代雷達，2009，31(10):91-94.Qian Meng，Yang Jinghong，Liu Chao.Design and implementation of high all-solid state modulator modules［J］.Modern Radar，2009，31(10):91-94.

［2］ 鄭 新，李文輝，潘厚忠.雷達發射機技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［3］ 楊景紅，鄭 新，錢 錳，等.160 mW大功率固態調制器的設計與實驗［J］.現代雷達，2011，33(9):72-75，80.Yang Jinghong，Zheng Xin，Qian Meng，et al.Design and testing of a 160 mW high-power solid-state modulator［J］.Modern Radar，2011，33(9):72-75，80.

［4］ 黃 軍，謝 英，王登峰.100 kV/10 mW全固態剛管調制器驅動、保護和檢測電路設計［J］.電子工程師，2006，32(7):8-10.Huang Jun，Xie Ying，Wang Dengfeng.100 kV/10 mW allsolid-state hard tube modulator driver，its protection and test circuit design［J］.Electronic Engineer，2006，32(7):8-10.

［5］ 李建興.可編程序控制器應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2004.Li Jianxing.Application technology of PLC［M］.Beijing:China Machine Press，2004.

［6］ 謝 英.基于觸摸屏和PLC的發射機控制系統［J］.信息化研究，2009，35(11):9-12.Xie Ying.A control system of transmitter based on touch screen and PLC［J］.Informatization Research，2009，35(11):9-12.