基于IGBT的固态脉冲调制器设计与实现

　　在雷达发射机脉冲调制器中，广泛采用的是电真空管作为开关管。这种结构的脉冲调制器具有配套技术复杂、造价高、使用寿命短等缺点，尤其是其不适用于大功率、高重复频率等工作场合的缺陷，使其已经远远不能满足现代雷达的复杂信号处理的需求。

　　随着电力电子技术的快速发展，新型功率开关器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）迅速占领了市场，满足了人们把大功率、超高频率开关元件实现固态化的期望，有着完全取代电真空管的趋势。这也为在雷达发射机脉冲调制器中采用IGBT作为开关管以替代电真空管奠定了理论和实践基础。

　　1 脉冲调制器的结构

　　根据脉冲调制器的任务，它基本由下列3部分组成：电源部分、能量储存部分、脉冲形成部分。其结构如图1所示。

　　电源部分的作用是把初级电源（例如市电）变换成符合要求的直流电源。直流电源包括低压电源和高压电源两种，低压电源供给调制脉冲预处理电路使用，高压电源供给调制脉冲形成电路使用。

　　能量储存部分的作用是为了降低对于电源部分的高峰值功率要求。因为脉冲调制器是在短促的脉冲期间给射频发生器提能量的，而在较长的脉冲间歇期间停止工作，因此为了有效地利用电源功率，可以采用储能元件在脉冲间歇期间把电源送来的能量储存起来，等到脉冲期间再把储存的能量放出，交给射频发生器。常用的储能元件有电容器和人工线（或称仿真线）。

　　脉冲形成部分是利用一个开关，控制储能元件对负载（射频发生器）放电，以提供电压、功率、脉冲宽度及脉冲波形等都满足要求的视频脉冲。常用的开关元件有真空三、四极管、氢闸流管、半导体开关元件（可控硅元件）和具有非线性电感的磁开关等。

　　真空管的通断可由栅极电压控制，通断利索，这种开关称为刚性开关，对应的调制器称为刚性调制器。氢闸流管、半导体开关元件和具有非线性电感的磁开关则只能控制其导通，而不能控制其关断，这种开关元件称为软性开关，对应的调制器称为软性调制器。

　　2 开关器件的比较

　　对传统的电真空器件（氢闸流管）和现代电力电子器件IGBT的电气性能进行比较。

　　2．1 传统电真空管器件

　　以真空三、四极管为调制开关的刚性调制器适应能力强，能适应各种波形、重复频率的要求，但这也是以体积、重量、结构和成本为代价的。为弥补自身不足以适应各种工作需要，刚性调制器又分为多种类型，但都避免不了其功率小、效率低的缺陷。

　　以氢闸流管为开关元件的软性调制器虽能克服刚性调制器的不足，但自身的缺陷也很突出，主要表现为：1）脉冲波形顶部抖动、后沿拖长；2）对负载阻抗的适应性差；3）对波形的适应性也差。

　　可见软性调制器只能适应于精度要求不高、波形要求不严格的大功率雷达中。并且不管是刚性还是软性调制器，其结构的复杂都使其可靠性降低，并且维修难度大。

　　2．2 现代电力电子器件

　　开关元件的固态化是发展的大趋势，尤其是电力电子器件在由传统型向现代型转变以后，许多新兴的器件迅速应用于这种电力转换领域。上世纪九十年代才现身市场的绝缘栅双极晶体管IGBT已成为现代电力电子器件发展的领头军，型号齐全，已经出现了由IGBT组成的功能完善的智能化功率模块IPM。

　　IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极晶体管是一种工作原理复杂的集成半导体器件。在结构上，集成了所有半导体器件的基本结构。如二极管、BJT、结型场效应管JFET、MOSFET、SCR。工艺上利用MOS工艺进行大面积功率集成，单元胞的体积越来越小，单元胞的数量越来越多。IGBT经过20年的发展，技术越来越成熟，功能越来越强大。从原来的平面栅型到沟槽型，又发展到非穿通型，直至现在的电场截至型．达到了6 000 V／600 A，通态压降1．3 V，开关频率达到纳秒级。

　　IGBT在大量产品中的良好表现，证明其是一种良好的功率开关器件。其主要优点表现在开关频率高、承载功率大、通态压降低、du／dt和di／dt耐量高、动态性能高、反向恢复快等，这些性能特点使其特别适应于在高频、大功率电路中出任开关器件的重任。

　3 固态调制器硬件组成

　　对分别以氢闸流管和IGBT为中心所构成的两种脉冲调制器的性能、构造、成本、可维性及可靠性进行比较。

　　3．1 真空管脉冲调制器

　　以氢闸流管ZQM1-350／14型为例，其参数为14 000 V／350 A，陶瓷外壳，需要12．6 V／6 A的灯丝电源。其关断时，高压电源经充电电感和变压器的原边给仿真线充电，氢闸流管接通时，仿真线经氢闸流管对变压器原边放电，在变压器的副边产生高压脉冲去调制磁控管。氢闸流调制器的结构如图2所示。

充氢闸流管是由阳极、阴极、栅极（控制栅，有的还具有预点火栅