基于IGBT的固态脉冲调制器设计与实现

或分压栅等）组成，将所有电极用绝缘外壳密封，利用低压氢气（氘气）作为工作及灭弧绝缘介质，是离子开关管中的一个分支，将触发脉冲（正极性）加到栅极，使阴-栅间隙产生辉光放电，放电扩展到阳栅间隙导致阳栅间隙击穿导通，使外电路通过阳极-栅极-阴极放电，而输出脉冲电流，是具有正启动特性的脉冲电真空器件，具有工作电压高，脉冲电流大，触发电压低，脉冲宽度窄，电流上升快，点火稳定等特点，广泛应用于国防、医疗、高能激光、科学研究等领域或场合。

　　氢闸流管作为开关时，开关的接通是由控制栅极上施加正触发脉冲来实现的。如果闸流管阳极具有足够高的正向电压，栅极一旦被触发，阳极-阴极之间将迅速导通，栅极就失去了对放电的控制作用。只有阳极电压降得很低，不足以维持放电电流时，闸流管才会截止。闸流管在放电结束后，要经过一段消电离时间，栅极才能恢复原来的控制功能。因此，闸流管脉冲调制器形成的脉冲波形顶部抖动、后沿拖长。

　　况且真空管调制器由于电子管的外围电路有偏压、帘栅、阳极等电源，这些电源是不可缺少且体积庞大的高压电源。调制器导通时的管压降较大，调制器效率较低。电子管极间电容的存在很难实现窄脉冲调制。另外由于电子管在真空度变差情况下可能会出现打火等现象，严重影响雷达发射机的可靠性。电子管阴极的寿命较短，也制约着电子管在调制器中的使用。

　　全固态调制器与电子管调制器相比具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、维修费用低等优点。因此，研究固态调制器是一个极为重要的发展方向。

　　3．2 固态脉冲调制器

　　固态脉冲调制器就是以固态开关管IGBT替代电真空管的调制器。IGBT模块采用10只IGBT串联成网络使用，单片机驱动模块利用单片机形成统一的触发脉冲，经驱动模块M57962L同步触发IGBT网络。其结构如图3所示。

　　该调制器采用充电电感，属于直流谐振充电，其自然谐振周期为：

　　其中：C0是仿真线的静电容

　　Tch等于调制器脉冲重复周期T0两倍，即调制器的脉冲重复频率是固定的。因此为了适应雷达工作于多种重复频率的要求，可在充电电路中串入一只二极管，称为充电二极管或保持二极管。这时只要充电电路的Tch值小于最小的脉冲重复周期就行了。

　　VD2和R1称为过电压保护电路，它的作用是防止仿真线上出现过高的电压而损坏功率管。当仿真线向接近短路的负载放电时，其上的电压会变成负极性，由于功率管不能反向导电，这个负极性的电压不会消失，在下一个脉冲重复周期充电时，这个电压与电源电压的极性一致，所以仿真线将会充电到一个较高的电压值。如果这时负载打火并未消失，那么这一过程将会继续下去。在理论上可以证明，仿真线上的电压将会达到电源电压的6倍之多。当电路中接入VD2和R1之后，只要仿真线上出现负极性电压，就可以通过VD2放掉，从而防止了仿真线上过电压的产生。

　　R2C2称为反肩峰电路。当仿真线向不匹配的负载放电会在脉冲的前沿引起显著的肩峰。R2C2电路就是为了减小这种肩峰的，其电阻通常选择和负载阻抗相等，而电容的大小可按电路时间常数与脉冲前沿时间大致相当来确定。

　　功率开关管IGBT采用高速型MG400Q1US41，其参数为1 200V／400A，其参数如图4所示。工程中采用十管串联的方法以适应高电压的要求。驱动模块采用M57962L，其参数为1 200 V／400 A。

　　十管串联需要保证串联的10个管子同时导通、同时截止，否则先导通或者后截止的管子就因为要承受高电压而击穿，进一步击穿所有的管子，而形成调制器故障，造成不必要的损失。解决的办法是用单片机产生一路触发脉冲，同时触发驱动模块。因为驱动模块具有较高的输入阻抗，因此单片机的输出电流足够同时触发驱动模块。10个驱动模块被同时触发，因其延迟的一致性，会使单片机的触发脉冲同时加到10个IGBT的栅极。

　　根据调制器的要求，由单片机输出一定重复频率的触发脉冲经接口保护电路转换后驱动IGBT的栅极。IGBT在栅极有驱动时接通，无驱动时关断，实现了可控的开关功能。IGBT的动态开关曲线如图5所示。

　　根据图4所示IGBT参数可知，在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2．4 Ω、TC=25℃、IC=400 A时，ton=0．25μs，toff=0．7μs。从图5的UCE-t曲线图看，IGBT的开关曲线比氢闸流管的开关曲线更好，更适合于作为脉冲调制器的开关管使用。

　　由于单片机的采用，就可以使调制器的保护采用软件保护，这在减少调制器的体积与重量方面可以做出重大贡献。

单个固态调制器的制造成本比氢闸流管调制器稍高，但是其使用寿命长，也就是说性价比高，况且在性能、构造、可维性及可靠性方面远远胜于氢