一種全固態(tài)高壓脈沖調制開關的設計與實現

摘 要：針對某雷達線性脈沖調制器電路故障率高的問題，通過計算和測量電路主要參數，分析實際電路特性，總結了影響線性脈沖調制器電路穩(wěn)定性的主要因素。在此基礎上，提出了一種基于固態(tài)開關管為主要器件的調制器電路，給出了電路器件的選配標準和計算方法，并設計了具體電路，為有效提高線性脈沖調制器電路平均無故障時間提供了具備可行性的方案。

關鍵詞：脈沖調制器；電路特性；電路穩(wěn)定性；固態(tài)開關管；平均無故障時間

中圖分類號：TN78；TN761 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0005-06

Design and Implementation of an All Solid-state High Voltage Pulse Modulation Switch

SONG Lintao， LU Yulong， LIANG Yiwen， ZHU Liang

（No.63889 Unit of PLA， Jiaozuo 454750， China）

Abstract： In response to the problem of high failure rate in the linear pulse modulator circuit of a certain radar， the main parameter of the circuit are calculated and measured， and the actual circuit characteristics are analyzed. The main factors affecting the circuit stability of the linear pulse modulator are summarized. On this basis， a modulator circuit based on solid-state switching tubes as the main device is proposed. It provides the selection standards and calculation methods of circuit components， and designs specific circuits， this provides a feasible scheme to effectively improve the mean time to failure of linear pulse modulation circuits.

Keywords： pulse modulator; circuit characteristics; circuit stability; solid-state switching tube; mean time between failures

0 引 言

雷達調制器是一個大功率的電子開關，主要用于以脈沖方式工作的雷達發(fā)射機。某雷達中，采用線型脈沖調制器電路控制磁控管振蕩器工作。在兩年時間內，該線型脈沖調制器電路出現過4次故障，其中3次是由氫閘流管引起的。經綜合分析，造成氫閘流管故障率高的主要因素有：電路匹配不佳引起的失配振蕩、工作參數接近氫閘流管參數極限、氫閘流管質量問題等[1]。基于此，本文對線型脈沖調制器電路進行系統分析，提出一種改進方法，并設計具體電路。

1 線型脈沖調制器電路分析

某雷達線型脈沖調制器電路主要由高壓電源、充電電路（一般包括充電電感、充電隔離元件）、脈沖形成Ev97u76BRzoCNa92kNPP/g==網絡（Pulse Forming Network， PFN）、放電開關（氫閘流管）、輔助保護電路（反峰電路、阻尼電路）以及負載組成，電路簡化框圖如圖1所示。

圖1中VT1為氫閘流管，即放電開關；D1為PFN；L、VD1組成充電電路；VD2和R1組成反峰電路，主要作用是對放電過程中PFN上的反峰電壓放電，起到保護氫閘流管的作用；C1和R2、R3組成阻尼電路，起阻抗匹配及消除寄生振蕩的作用；脈沖變壓器T3用來傳輸脈沖功率和阻抗變換。

圖1 某雷達線型脈沖調制器簡化框圖

高壓電源通過L、VD1和T3的初級線圈給D1充電至大約兩倍的電源電壓，當觸發(fā)脈沖送來時，VT1導通，D1上約兩倍的電源電壓通過VT1對脈沖變壓器T3放電，由于VT1的內阻很小，D1的能量全部傳給脈沖變壓器T3并在次級輸出高功率的脈沖電壓。

由于氫閘流管是軟關斷式開關，其主要特性是觸發(fā)脈沖只起激勵閘流管導通的作用，當放電電流小于氫閘流管的維持電流時，其逐步呈現阻斷狀態(tài)，該電路要求PFN阻抗與負載阻抗良好匹配，允許失配程度一般不超過10% [2]。

2 電路主要參數計算及調制脈沖測試

2.1 脈沖變壓器輸出的脈沖功率

雷達發(fā)射機的效率為發(fā)射機輸出的高頻功率與供電的輸入功率之比。脈沖雷達的發(fā)射機效率一般較低，其輸出功率與交流供電端的功率比在10%以下，與高壓側的功率比通常在15%～25%之間[3]。

某雷達的發(fā)射脈沖功率Pt為160 kW，其脈沖變壓器次級的脈沖功率P為：

式中η1為某雷達發(fā)射機輸出脈沖功率與脈沖變壓器次級的脈沖功率之比。令η1 = 20%，得出雷達發(fā)射時，脈沖變壓器次級承受的脈沖功率P約為：

2.2 PFN的等效阻抗

脈沖變壓器次級承受的脈沖功率P與PFN的工作電壓U、等效阻抗ρ和負載阻抗R的關系為：

式中，R為脈沖變壓器初級的等效阻抗；η為脈沖變壓器的效率，η的值通常在75%～85%之間[4]；U為PFN的最高工作電壓；ρ為PFN的等效特性阻抗。

在負載阻抗與PFN阻抗匹配時，有ρ = R，則式（3）可寫成：

PFN的等效特性阻抗ρ可由式（4）求出，即：

裝備技術說明書記載，高壓電源輸出為6 kV，而PFN上的充電電壓大約兩倍于高壓電源電壓，故PFN上的電壓U為12 kV。

令η = 80%，得出PFN的等效特性阻抗為：

2.3 放電回路的脈沖電流

根據歐姆定律，可計算放電回路的脈沖電流I為：

式中，U為PFN上的充電電壓，ρ為PFN的等效阻抗，R為負載阻抗。

2.4 調制脈沖測試

該雷達調制脈沖檢測口采用空間耦合方式，其作用是監(jiān)測發(fā)射機狀態(tài)，方便檢修調試，并不能反映真實波形數據。因此選用P6015A型脈沖探頭，在脈沖變壓器的次級端測量波形圖如圖2所示。由此得知調制脈沖前沿為270 ns，脈沖寬度為0.58 μs。

3 放電開關的選擇

可以作為線型調制器放電開關的器件主要有氫閘流管、氚閘流管、晶閘管（SCR）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）[5]。它們的主要特性如表1所示。

通過對比可知，電子管類型的放電開關，單管耐高壓能力強，但觸發(fā)信號電壓也隨之增大，并且都是壽命件；固態(tài)器件一般不考慮壽命問題，且觸發(fā)信號電壓較低，但它的單管耐壓高壓能力相對較弱，可以通過多管串聯提高耐壓值。

4 全固態(tài)高壓脈沖調制開關的設計

根據裝備指標需求，考慮有效工作空間，結合表1列舉的參數，選用IGBT管作為主要元件設計開關組件，替代氫閘流管工作，改進的線型脈沖調制器框圖如圖3所示。

圖中IGBT組件由多個IGBT管串聯組成。既具有耐電流能力強，可靠性高的優(yōu)點，又克服了單管耐高壓能力弱的缺點，其電路設計的難點主要有兩個方面：一是保證IGBT管的同時導通；二是IGBT管的均壓問題[6]。

4.1 固態(tài)開關組件的設計

根據2.2～2.4節(jié)的計算、測量可知，固態(tài)開關組件應承受的陽極高壓為12 kV，脈沖電流為167 A，脈沖前沿≤270 ns。為充分保證IGBT多級串聯工作的可靠性，應充分考慮余量，本設計采用16只IGBT管串聯，正常工作時單管耐壓750 V，為單管最大耐壓值的62.5%。

另外，由于該固態(tài)開關應用于實際裝備，因此結構上必須滿足裝備要求，即固態(tài)開關體積不得大于氫閘流管的有效空間位置，且應方便檢測和拆裝。為了有效利用空間，在電路制作時將16只IGBT管安裝在兩塊印制板上，即每塊印制板安裝8個串聯的IGBT管。圖4為8只IGBT串聯示意圖。

4.2 固態(tài)開關組件的保護

IGBT器件一般共有四種工作狀態(tài)，即阻斷狀態(tài)（穩(wěn)定斷態(tài)）、開通狀態(tài)、導通狀態(tài)（穩(wěn)定通態(tài)）、關斷瞬態(tài)[6]。

由于元件伏安特性的差異，在串聯運行過程中會產生靜態(tài)電壓不均衡現象。不同元件的伏安特性差異較大，串聯使用時會使電壓分配不均衡。同時，半導體器件的伏安特性容易受溫度的影響，不同的結溫也會使均壓性能受到影響。

關斷電荷和開通時間的不同，則會造成串聯運行動態(tài)電壓不均衡。動態(tài)電壓不均衡是由柵極觸發(fā)脈沖的大小、輸出電容不同，導致元件的開通或關斷速度不同引起的。柵極電壓低、輸出電容小，則易關斷，關斷時間也短；反之亦然。若兩個元件串聯運行，柵極電壓的差異則會造成各串聯元件不能同時關斷的現象。先關斷的元件必然承受最高的動態(tài)電壓，這就引起動態(tài)電壓不均衡的問題。

另外，在高電壓電路中，由于電壓很高，各點存在分布電容，也可稱為寄生電容，它的存在也會造成動態(tài)電壓不均衡，進而影響固態(tài)開關組件的可靠性[7]。

為了保證IGBT管在串聯后能夠安全穩(wěn)定運行，需要解決電路的動態(tài)和靜態(tài)均壓、觸發(fā)一致性、開通關斷延遲等一系列問題。

4.2.1 靜態(tài)均壓措施

所謂靜態(tài)均壓就是指對關斷過程中各串聯元件之間電壓分配的均衡措施[5]，為了克服串聯運行中各元件靜態(tài)電壓不均衡的問題，需采用均壓電阻，即在串聯元件上并聯一定阻值的電阻R，如圖4中的R13～R18。若均壓電阻R遠小于串聯元件的漏電阻時，串聯元件上的電壓分配則主要取決于電阻R的數值，選取電阻值相同的R后，各元件間的電壓可達到均衡運行，即達到靜態(tài)均壓的目的。串聯元件漏電電流越大，其漏電阻越小。選取均壓電阻R的數值時應從漏電流最大的元件出發(fā)，使均壓電阻達到應選的最小值。

為了獲得良好的均壓效果，靜態(tài)均壓電阻應選得小一些，但太小又將會增大PFN在充電后的電荷泄漏，尤其是在變T（重復周期）工作的情況下，會增大輸出脈沖在脈間的抖動。對于固態(tài)開關管來說，靜態(tài)均壓電阻應滿足式（8）要求：

式中，UDRM為固態(tài)開關管的最高阻斷電壓，USM為串聯放電開關的最高阻斷電壓，ΔIIGBT1為固態(tài)開關管的最大漏電流IIGBT1max與最小漏電流IIGBT1min的差值。但是，電阻R過小，流過的電流較大，電阻上的功耗也會增大，從這點來看又希望電阻R不宜過小，正確的選擇應從電阻數值和功耗兩個方面同時考慮。通過計算并兼顧均壓和穩(wěn)定度等綜合因素，IGBT管的靜態(tài)均壓由6個220 kΩ的電阻串聯完成。

4.2.2 動態(tài)均壓措施

所謂動態(tài)均壓是指開通與關斷瞬態(tài)過程中各元件間電壓分配的均衡措施。動態(tài)均壓又分為關斷時的動態(tài)均壓和開通時的動態(tài)均壓兩種情況[8]。

本設計采用TVS均壓方式。TVS即瞬態(tài)電壓抑制器，如圖4所示，在開關管的集電極與發(fā)射極之間反接TVS，當某組開關管由于延遲晚開通時，開關管將承受較高電壓，當電壓升到一定值時，TVS管擊穿，給瞬時大電流提供一個低阻通路，從而保證了開關管工作在安全范圍內。在電壓恢復正常值之前被保護回路一直保持截止狀態(tài)。當瞬時脈沖結束以后，TVS自動恢復高阻抗狀態(tài)，整個回路進入正常狀態(tài)。TVS均壓方式電路結構較為簡單，常用于開關管啟動時間差在100 ns以下的電路[9]。在固態(tài)開關組件設計中，采用5只1.5KE180A型TVS串聯組成動態(tài)均壓電路，該電路的啟動時間為10 ns，電路啟動電壓為900 V。能夠滿足IGBT管動態(tài)均壓要求。

4.2.3 觸發(fā)脈沖一致性

觸發(fā)一致性是通過采用多個相同次級繞組的脈沖變壓器[10]，將觸發(fā)脈沖分成16路輸出，這里采用4個相同的四次級脈沖變壓器。

為了使16路IGBT管同時可靠觸發(fā)，在保證觸發(fā)同步的基礎上，還要保證觸發(fā)信號有足夠的驅動功率。這里采用成熟的儲能式推挽拓撲結構[11]，實現功率放大要求。即推挽拓撲由Q41（Q42）和Q43（Q44）并聯組成，以獲得足夠的驅動電流，驅動電路所需輔助電源由D46、R40、DZ04、C43及C44構成，獲得22 V輔助電源。通過DZ4對驅動脈沖進行限幅處理，將其幅值限制在22 V。圖5為一路脈沖功率放大電路原理圖。由于固態(tài)開關組件共有16路IGBT組件串聯而成，因此脈沖功率放大電路也有16路。

5 安裝調試

5.1 固態(tài)開關組件的安裝

固態(tài)開關組件的尺寸為120 mm×120 mm×180 mm，安裝于閘流管的位置。對外電氣接口共4個，分別為6.3 V供電端口、觸發(fā)脈沖端口、陽極高壓端口、接地端口。其中6.3 V供電端口和觸發(fā)脈沖端口用SMA接口，陽極高壓和接地端用M5螺釘緊固。端口連接關系如表2所示。

5.2 固態(tài)開關組件的測試

檢查原機工作狀態(tài)并測試調制脈沖波形，磁控管高壓指示為6 kV，磁控管電流為13 mA，調制脈沖前沿為0.27 μs（脈沖前沿的85%），脈沖寬度為0.58 μs（脈沖前后沿的85%）。在定頻/捷變、等T/變T模式下工作正常，但轉換工作波段時易燒8 A高壓保險。

更換固態(tài)開關組件后，整機工作狀態(tài)正常，磁控管高壓指示為6 kV，磁控管電流為19 mA，測試調制脈沖波形，調制脈沖前沿為0.16 μs（脈沖前沿的85%），調制脈沖寬度為0.52 μs（脈沖前后沿的85%）。在定頻/捷變、等T/變T、轉換工作波段等模式下工作正常。技術指標對比如表3所示，改造后的調制脈沖波形如圖6所示。

6 結 論

本文計算了某雷達線型脈沖調制器電路的主要參數，分析了影響電路穩(wěn)定性的誘因，提出了一種基于IGBT管為主要器件的電路改進方法，并應用于實際裝備，通過驗證表明，該固態(tài)開關組件具有以下幾個優(yōu)點：

1）輸出調制脈沖波形的性能參數（脈沖前沿、脈沖后沿、脈沖平頂）品質高。

2）適用的頻率及脈沖寬度范圍廣，適應性好。

3）無須提前預熱，隨用隨開，大大縮短設備開機時間。

4）導通壓降低，熱損耗小。

5）使用壽命長。

綜上所述，全固態(tài)高壓脈沖調制開關可有效提高線型脈沖調制器的可靠性和技術指標，具備在同型裝備上的推廣使用價值。

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作者簡介：宋林濤（1982—），男，漢族，山東萊陽人，高級技師，本科，研究方向：雷達及雷達對抗；盧煜龍（1995—），男，漢族，山東濰坊人，技師，研究方向：雷達及雷達對抗；梁譯文（1996—），男，漢族，山西晉城人，技師，本科，研究方向：雷達及雷達對抗；祝梁（1997—），男，漢族，四川通江人，技師，研究方向：雷達及雷達對抗。