基于IGBT的固態(tài)脈沖調制器設計與實現(xiàn)：
在雷達發(fā)射機脈沖調制器中，廣泛采用的是電真空管作為開關管。這種結構的脈沖調制器具有配套技術復雜、造價高、使用壽命短等缺點，尤其是其不適用于大功率、高重復頻率等工作場合的缺陷，使其已經遠遠不能滿足現(xiàn)代雷達的復雜信號處理的需求。
隨著電力電子技術的快速發(fā)展，新型功率開關器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管）迅速占領了市場，滿足了人們把大功率、超高頻率開關元件實現(xiàn)固態(tài)化的期望，有著完全取代電真空管的趨勢。這也為在雷達發(fā)射機脈沖調制器中采用IGBT作為開關管以替代電真空管奠定了理論和實踐基礎。
1 脈沖調制器的結構
根據(jù)脈沖調制器的任務，它基本由下列3部分組成：電源部分、能量儲存部分、脈沖形成部分。其結構如圖1所示。
電源部分的作用是把初級電源（例如市電）變換成符合要求的直流電源。直流電源包括低壓電源和高壓電源兩種，低壓電源供給調制脈沖預處理電路使用，高壓電源供給調制脈沖形成電路使用。
能量儲存部分的作用是為了降低對于電源部分的高峰值功率要求。因為脈沖調制器是在短促的脈沖期間給射頻發(fā)生器提能量的，而在較長的脈沖間歇期間停止工作，因此為了有效地利用電源功率，可以采用儲能元件在脈沖間歇期間把電源送來的能量儲存起來，等到脈沖期間再把儲存的能量放出，交給射頻發(fā)生器。常用的儲能元件有電容器和人工線（或稱仿真線）。
脈沖形成部分是利用一個開關，控制儲能元件對負載（射頻發(fā)生器）放電，以提供電壓、功率、脈沖寬度及脈沖波形等都滿足要求的視頻脈沖。常用的開關元件有真空三、四極管、氫閘流管、半導體開關元件（可控硅元件）和具有非線性電感的磁開關等。
真空管的通斷可由柵極電壓控制，通斷利索，這種開關稱為剛性開關，對應的調制器稱為剛性調制器。氫閘流管、半導體開關元件和具有非線性電感的磁開關則只能控制其導通，而不能控制其關斷，這種開關元件稱為軟性開關，對應的調制器稱為軟性調制器。
2 開關器件的比較
對傳統(tǒng)的電真空器件（氫閘流管）和現(xiàn)代電力電子器件IGBT的電氣性能進行比較。
2.1 傳統(tǒng)電真空管器件
以真空三、四極管為調制開關的剛性調制器適應能力強，能適應各種波形、重復頻率的要求，但這也是以體積、重量、結構和成本為代價的。為彌補自身不足以適應各種工作需要，剛性調制器又分為多種類型，但都避免不了其功率小、效率低的缺陷。
以氫閘流管為開關元件的軟性調制器雖能克服剛性調制器的不足，但自身的缺陷也很突出，主要表現(xiàn)為：1）脈沖波形頂部抖動、后沿拖長；2）對負載阻抗的適應性差；3）對波形的適應性也差。
可見軟性調制器只能適應于精度要求不高、波形要求不嚴格的大功率雷達中。并且不管是剛性還是軟性調制器，其結構的復雜都使其可靠性降低，并且維修難度大。
2.2 現(xiàn)代電力電子器件
開關元件的固態(tài)化是發(fā)展的大趨勢，尤其是電力電子器件在由傳統(tǒng)型向現(xiàn)代型轉變以后，許多新興的器件迅速應用于這種電力轉換領域。上世紀九十年代才現(xiàn)身市 場的絕緣柵雙極晶體管IGBT已成為現(xiàn)代電力電子器件發(fā)展的領頭軍，型號齊全，已經出現(xiàn)了由IGBT組成的功能完善的智能化功率模塊IPM。
IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管是一種工作原理復雜的集成半導體器件。在結構上，集成了所有半導體器件的基本結構。如二極管、BJT、結型場效應管 JFET、MOSFET、SCR。工藝上利用MOS工藝進行大面積功率集成，單元胞的體積越來越小，單元胞的數(shù)量越來越多。IGBT經過20年的發(fā)展，技 術越來越成熟，功能越來越強大。從原來的平面柵型到溝槽型，又發(fā)展到非穿通型，直至現(xiàn)在的電場截至型。達到了6 000 V／600 A，通態(tài)壓降1.3 V，開關頻率達到納秒級。
IGBT在大量產品中的良好表現(xiàn)，證明其是一種良好的功率開關器件。其主要優(yōu)點表現(xiàn)在開關頻率高、承載功率大、通態(tài)壓降低、du／dt和di／dt耐量高、動態(tài)性能高、反向恢復快等，這些性能特點使其特別適應于在高頻、大功率電路中出任開關器件的重任。
3 固態(tài)調制器硬件組成
對分別以氫閘流管和IGBT為中心所構成的兩種脈沖調制器的性能、構造、成本、可維性及可靠性進行比較。
3.1 真空管脈沖調制器
以氫閘流管ZQM1-350／14型為例，其參數(shù)為14 000 V／350 A，陶瓷外殼，需要12.6 V／6 A的燈絲電源。其關斷時，高壓電源經充電電感和變壓器的原邊給仿真線充電，氫閘流管接通時，仿真線經氫閘流管對變壓器原邊放電，在變壓器的副邊產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。
充氫閘流管是由陽極、陰極、柵極（控制柵，有的還具有預點火柵或分壓柵等）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，是離子開關管中的一個分支，將觸發(fā)脈沖（正極性）加到柵極，使陰-柵間隙產生輝光放電，放電擴展到陽柵間隙導致陽柵間隙擊穿導通，使外電路通過陽極- 柵極-陰極放電，而輸出脈沖電流，是具有正啟動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，點火穩(wěn)定等特 點，廣泛應用于國防、醫(yī)療、高能激光、科學研究等領域或場合。
氫閘流管作為開關時，開關的接通是由控制柵極上施加正觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)的。如果閘流管陽極具有足夠高的正向電壓，柵極一旦被觸發(fā)，陽極-陰極之間將迅速導 通，柵極就失去了對放電的控制作用。只有陽極電壓降得很低，不足以維持放電電流時，閘流管才會截止。閘流管在放電結束后，要經過一段消電離時間，柵極才能 恢復原來的控制功能。因此，閘流管脈沖調制器形成的脈沖波形頂部抖動、后沿拖長。
況且真空管調制器由于電子管的外圍電路有偏壓、簾柵、 陽極等電源，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現(xiàn)窄脈沖調制。另外由于電 子管在真空度變差情況下可能會出現(xiàn)打火等現(xiàn)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、維修費用低等優(yōu)點。因此，研究固態(tài)調制器是一個極為重要的發(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)開關管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)絡使用，單片機驅動模塊利用單片機形成統(tǒng)一的觸發(fā)脈沖，經驅動模塊M57962L同步觸發(fā)IGBT網(wǎng)絡。其結構如圖3所示。
該調制器采用充電電感，屬于直流諧振充電，其自然諧振周期為：
其中：C0是仿真線的靜電容
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，稱為充電二極管或保持二極管。這時只要充電電路的Tch值小于最小的脈沖重復周期就行了。
VD2和R1稱為過電壓保護電路，它的作用是防止仿真線上出現(xiàn)過高的電壓而損壞功率管。當仿真線向接近短路的負載放電時，其上的電壓會變成負極性，由于 功率管不能反向導電，這個負極性的電壓不會消失，在下一個脈沖重復周期充電時，這個電壓與電源電壓的極性一致，所以仿真線將會充電到一個較高的電壓值。如 果這時負載打火并未消失，那么這一過程將會繼續(xù)下去。在理論上可以證明，仿真線上的電壓將會達到電源電壓的6倍之多。當電路中接入VD2和R1之后，只要 仿真線上出現(xiàn)負極性電壓，就可以通過VD2放掉，從而防止了仿真線上過電壓的產生。
R2C2稱為反肩峰電路。當仿真線向不匹配的負載放電會在脈沖的前沿引起顯著的肩峰。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間常數(shù)與脈沖前沿時間大致相當來確定。
功率開關管IGBT采用高速型MG400Q1US41，其參數(shù)為1 200V／400A，其參數(shù)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。驅動模塊采用M57962L，其參數(shù)為1 200 V／400 A。
十管串聯(lián)需要保證串聯(lián)的10個管子同時導通、同時截止，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生一路觸發(fā)脈沖，同時觸發(fā)驅動模塊。因為驅動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觸發(fā)驅 動模塊。10個驅動模塊被同時觸發(fā)，因其延遲的一致性，會使單片機的觸發(fā)脈沖同時加到10個IGBT的柵極。
根據(jù)調制器的要求，由單片機輸出一定重復頻率的觸發(fā)脈沖經接口保護電路轉換后驅動IGBT的柵極。IGBT在柵極有驅動時接通，無驅動時關斷，實現(xiàn)了可控的開關功能。IGBT的動態(tài)開關曲線如圖5所示。
根據(jù)圖4所示IGBT參數(shù)可知，在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2.4 Ω、TC=25℃、IC=400 A時，ton=0.25μs，toff=0.7μs。從圖5的UCE-t曲線圖看，IGBT的開關曲線比氫閘流管的開關曲線更好，更適合于作為脈沖調制器的開關管使用。
由于單片機的采用，就可以使調制器的保護采用軟件保護，這在減少調制器的體積與重量方面可以做出重大貢獻。
單個固態(tài)調制器的制造成本比氫閘流管調制器稍高，但是其使用壽命長，也就是說性價比高，況且在性能、構造、可維性及可靠性方面遠遠勝于氫閘流管調制器。
4 仿真過程及結果
仿真軟件使用流行的SIMNLINK。
設觸發(fā)脈沖周期為2 ms，脈沖寬度為2μs，如圖6中的第一示波器（圖 的下部），仿真線前端的波形如圖6中的第二示波器（圖的上部）。由第二示波器可見，當觸發(fā)脈沖到來時，即IGBT網(wǎng)絡導通時，仿真線迅速放電，放電速率為 5 000 V／6μs（即從滿電壓5 000 V至放電完成時間約為6μs），并且無反沖。當觸發(fā)脈沖過去時，即IGBT網(wǎng)絡斷開時，仿真線迅速充電，放電速率為5 000 V／3μs（即從充電開始至滿電壓5 000 V的時間約為3μs），并且無反沖。
由此可見，由IGBT網(wǎng)絡替代的脈沖開關，完全能滿足脈沖調制器的要求，其指標遠遠超過了氫閘流管脈沖調制器。
5 結論
器件固態(tài)化是系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，固態(tài)脈沖調制器正是在這一趨勢的啟發(fā)下提出來的。所設計的固態(tài)脈沖調制器具有結構簡單、性價比高的特點，可以快速、方便地對現(xiàn)有雷達的脈沖調制器進行改裝。改裝成本低、周期短，具有很高的實用價值。
使用電阻控制IGBT開關的方法剖析：
1 前言
用于控制、調節(jié)和開關目的的功率半導體器件需要更高的電壓和更大的電流。功率半導體器件的開關動作受柵極電容的充放電控制。而柵極電容的充放電通常又受柵極電阻的控制。通過使用典型的+15V控制電壓（VG（on）），IGBT導通，負輸出電壓為-5V～-15V時，IGBT關斷。IGBT的動態(tài)性能可通過柵極電阻值來調節(jié)。柵極電阻影響IGBT的開關時間、開關損耗及各種其他參數(shù)，從電磁干擾EMI到電壓和電流的變化率。因此，柵極電阻必須根據(jù)具體應用的參數(shù)非常仔細地選擇和優(yōu)化。
2 柵極電阻RG對IGBT開關特性的影響
IGBT開關特性的設定可受外部電阻RG的影響。由于IGBT的輸入電容在開關期間是變化的，必須被充放電，柵極電阻通過限制導通和關斷期間柵極電流（IG）脈沖的幅值來決定充放電時間（見圖1）。由于柵極峰值電流的增加，導通和關斷的時間將會縮短且開關損耗也會減少。減小RG（on）和RG（off）的阻值會增大柵極峰值電流。當減小柵極電阻的阻值時，需要考慮的是當大電流被過快地切換時所產生的電流上升率di/dt。電路中存在雜散電感在IGBT上產生大的電壓尖峰，這一效果可在圖2所示的IGBT關斷時波形圖中觀察到。圖中的陰影部分顯示了關斷損耗的相對值。集電極-發(fā)射極電壓上的瞬間電壓尖峰可能會損壞IGBT，特別是在短路關斷操作的情況下，因為di/dt比較大。可通過增加柵極電阻的值來減小Vstray。因此，消除了由于過電壓而帶來的IGBT被損毀的風險?？焖俚膶ê完P斷會分別帶來較高的dv/dt和di/dt，因此會產生更多的電磁干擾（EMI），從而可能導致電路故障。表1顯示不同的柵極電阻值對di/dt的影響。
3 對續(xù)流二極管開關特性的影響
續(xù)流二極管的開關特性也受柵極電阻的影響，并限制柵極阻抗的最小值。這意味著IGBT的導通開關速度只能提高到一個與所用續(xù)流二極管反向恢復特性相兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過電壓應力，而且由于IGBT模塊中diC/dt的增大，也增大了續(xù)流二極管的過壓極限。通過使用特殊設計和優(yōu)化的帶軟恢復功能的CAL（可控軸向壽命）二極管，使得反向峰值電流減小，從而使橋路中IGBT的導通電流減小。
4 驅動器輸出級的設計
柵極驅動電路的驅動器輸出級是一種典型的設計，采用了兩個按圖騰柱形式配置的MOSFET，如圖3所示。兩個MOSFET的柵極由相同的信號驅動。當信號為高電平時，N通道MOSFET導通，當信號為低電平時，P通道MOSFET導通，從而產生了兩個器件推挽輸出的配置。MOSFET的輸出級可有一路或兩路輸出。據(jù)此可實現(xiàn)具有一個或兩個柵極電阻（導通，關斷）的用于對稱或不對稱柵極控制的解決方案。
5 柵極電阻的計算
對于低開關損耗，無IGBT模塊振蕩，低二極管反向恢復峰值電流和最大dv/dt限制，柵極電阻必須體現(xiàn)出最佳的開關特性。通常在應用中，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅動；同樣的，額定電流小的IGBT模塊，將需要較大的柵極電阻。也就是說，IGBT數(shù)據(jù)手冊中所給的電阻值必須為每個設計而優(yōu)化。IGBT數(shù)據(jù)手冊指定了柵極電阻值。然而，最優(yōu)的柵極電阻值一般介于數(shù)據(jù)手冊所列值和其兩倍之間。IGBT數(shù)據(jù)手冊中所指定的值是最小值。在指定條件下，兩倍于額定電流可被安全地關斷。在實際中，由于測試電路和各個應用參數(shù)的差異，IGBT數(shù)據(jù)手冊中的柵極電阻值往往不一定是最佳值。上面提到的大概的電阻值（即兩倍的數(shù)據(jù)表值）可被作為優(yōu)化的起點，以相應地減少柵級電阻值。確定最優(yōu)值的唯一途徑是測試和衡量最終系統(tǒng)，使應用中的寄生電感最小很重要。這對于保持IGBT的關斷過電壓在數(shù)據(jù)手冊的指定范圍內是必要的，特別是在短路情況下。柵極電阻決定柵極峰值電流IGM。增大柵極峰值電流將減少導通和關斷時間，以及開關損耗。柵極峰值電流的最大值和柵極電阻的最小值分別由驅動器輸出級的性能決定。
6 設計、布局和疑難解答
為了能夠經受住應用中出現(xiàn)的大負載，柵極電阻必須滿足一定的性能要求并具有一定的特性。由于柵極電阻上的大負載，建議使用電阻并聯(lián)的形式。這將產生一個冗余，如果一個柵極電阻損壞，系統(tǒng)可臨時運行，但開關損耗較大。選擇錯誤的柵極電阻，可能會導致問題和不希望的結果。所選的柵極電阻值太大，將導致?lián)p耗過大，應減小柵極電阻值。過高的柵極電阻值可能會導致IGBT在開關期間長時間運行在線性模式下，最終導致柵極振蕩。然而，萬一電阻的功耗和峰值功率能力不夠，或者使用了非防浪涌電阻，都會導致柵極電阻過熱或燒毀。運行期間，柵極電阻不得不承受連續(xù)的脈沖電流，因此，柵極電阻必須具有一定的峰值功率能力。使用非常小的柵極電阻，會帶來更高的dv/dt 或di/dt，但也可能會導致EMI噪聲。
應用（直流環(huán)節(jié)）中的電感過大或者使用的柵極電阻小，將導致更大的di/dt，從而產生過大的IGBT電壓尖峰。因此，應盡量減小電感或者增大柵極電阻值。為減小短路時的電壓尖峰，可使用軟關斷電路，它可以更緩慢地關斷IGBT。柵極電阻和IGBT模塊之間的距離應盡可能短。如果柵極電阻和IGBT模塊之間的連線過長，將會在柵極-發(fā)射極的通道上產生較大的電感。結合IGBT的輸入電容，該線路電感將形成一個LC振蕩電路?？珊唵蔚赝ㄟ^縮短連線或者用比最小柵極電阻值RG（min）≥2√Lwire/Cies大的柵極電阻來衰減這種振蕩。