什么是IGBT固態(tài)脈沖，它的工作原理是什么？？
在雷達發(fā)射機脈沖調(diào)制器中，廣泛采用的是電真空管作為開關(guān)管。這種結(jié)構(gòu)的脈沖調(diào)制器具有配套技術(shù)復(fù)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(fù)頻率等工作場合的缺陷，使其已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代雷達的復(fù)雜信號處理的需求。
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，新型功率開關(guān)器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管）迅速占領(lǐng)了市場，滿足了人們把大功率、超高頻率開關(guān)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(diào)制器中采用IGBT作為開關(guān)管以替代電真空管奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。
1 脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)
根據(jù)脈沖調(diào)制器的任務(wù)，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(jié)構(gòu)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(diào)制脈沖預(yù)處理電路使用，高壓電源供給調(diào)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(diào)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(guān)，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(guān)元件有真空三、四極管、氫閘流管、半導(dǎo)體開關(guān)元件（可控硅元件）和具有非線性電感的磁開關(guān)等。
真空管的通斷可由柵極電壓控制，通斷利索，這種開關(guān)稱為剛性開關(guān)，對應(yīng)的調(diào)制器稱為剛性調(diào)制器。氫閘流管、半導(dǎo)體開關(guān)元件和具有非線性電感的磁開關(guān)則只能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷，這種開關(guān)元件稱為軟性開關(guān)，對應(yīng)的調(diào)制器稱為軟性調(diào)制器。
2 開關(guān)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(diào)制開關(guān)的剛性調(diào)制器適應(yīng)能力強，能適應(yīng)各種波形、重復(fù)頻率的要求，但這也是以體積、重量、結(jié)構(gòu)和成本為代價的。為彌補自身不足以適應(yīng)各種工作需要，剛性調(diào)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(guān)元件的軟性調(diào)制器雖能克服剛性調(diào)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(yīng)性差；3）對波形的適應(yīng)性也差。
可見軟性調(diào)制器只能適應(yīng)于精度要求不高、波形要求不嚴(yán)格的大功率雷達中。并且不管是剛性還是軟性調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)的復(fù)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(guān)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(zhuǎn)變以后，許多新興的器件迅速應(yīng)用于這種電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。上世紀(jì)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(lǐng)頭軍，型號齊全，已經(jīng)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(fù)雜的集成半導(dǎo)體器件。在結(jié)構(gòu)上，集成了所有半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)。如二極管、BJT、結(jié)型場效應(yīng)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(jīng)過20年的發(fā)展，技 術(shù)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(guān)頻率達到納秒級。
IGBT在大量產(chǎn)品中的良好表現(xiàn)，證明其是一種良好的功率開關(guān)器件。其主要優(yōu)點表現(xiàn)在開關(guān)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(fù)快等，這些性能特點使其特別適應(yīng)于在高頻、大功率電路中出任開關(guān)器件的重任。
3 固態(tài)調(diào)制器硬件組成
對分別以氫閘流管和IGBT為中心所構(gòu)成的兩種脈沖調(diào)制器的性能、構(gòu)造、成本、可維性及可靠性進行比較。
3.1 真空管脈沖調(diào)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(guān)斷時，高壓電源經(jīng)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(jīng)氫閘流管對變壓器原邊放電，在變壓器的副邊產(chǎn)生高壓脈沖去調(diào)制磁控管。氫閘流調(diào)制器的結(jié)構(gòu)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(yù)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(zhì)，是離子開關(guān)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(chǎn)生輝光放電，放電擴展到陽柵間隙導(dǎo)致陽柵間隙擊穿導(dǎo)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(yīng)用于國防、醫(yī)療、高能激光、科學(xué)研究等領(lǐng)域或場合。
氫閘流管作為開關(guān)時，開關(guān)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(dǎo) 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(jié)束后，要經(jīng)過一段消電離時間，柵極才能 恢復(fù)原來的控制功能。因此，閘流管脈沖調(diào)制器形成的脈沖波形頂部抖動、后沿拖長。
況且真空管調(diào)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(diào)制器導(dǎo)通時的管壓降較大，調(diào)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(diào)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(yán)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(diào)制器中的使用。
全固態(tài)調(diào)制器與電子管調(diào)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(diào)制器是一個極為重要的發(fā)展方向。
3.2 固態(tài)脈沖調(diào)制器
固態(tài)脈沖調(diào)制器就是以固態(tài)開關(guān)管IGBT替代電真空管的調(diào)制器。IGBT模塊采用10只IGBT串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)使用，單片機驅(qū)動模塊利用單片機形成統(tǒng)一的觸發(fā)脈沖，經(jīng)驅(qū)動模塊M57962L同步觸發(fā)IGBT網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
該調(diào)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(diào)制器脈沖重復(fù)周期T0兩倍，即調(diào)制器的脈沖重復(fù)頻率是固定的。因此為了適應(yīng)雷達工作于多種重復(fù)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(fù)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(dāng)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?qū)щ?，這個負極性的電壓不會消失，在下一個脈沖重復(fù)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(dāng)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(chǎn)生。
R2C2稱為反肩峰電路。當(dāng)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(dāng)來確定。
功率開關(guān)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(yīng)高電壓的要求。驅(qū)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(dǎo)通、同時截止，否則先導(dǎo)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(diào)制器故 障，造成不必要的損失。解決的辦法是用單片機產(chǎn)生一路觸發(fā)脈沖，同時觸發(fā)驅(qū)動模塊。因為驅(qū)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(qū) 動模塊。10個驅(qū)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(diào)制器的要求，由單片機輸出一定重復(fù)頻率的觸發(fā)脈沖經(jīng)接口保護電路轉(zhuǎn)換后驅(qū)動IGBT的柵極。IGBT在柵極有驅(qū)動時接通，無驅(qū)動時關(guān)斷，實現(xiàn)了可控的開關(guān)功能。IGBT的動態(tài)開關(guān)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(guān)曲線比氫閘流管的開關(guān)曲線更好，更適合于作為脈沖調(diào)制器的開關(guān)管使用。
由于單片機的采用，就可以使調(diào)制器的保護采用軟件保護，這在減少調(diào)制器的體積與重量方面可以做出重大貢獻。
單個固態(tài)調(diào)制器的制造成本比氫閘流管調(diào)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(gòu)造、可維性及可靠性方面遠遠勝于氫閘流管調(diào)制器。
4 仿真過程及結(jié)果
仿真軟件使用流行的SIMNLINK。
設(shè)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(dāng)觸發(fā)脈沖到來時，即IGBT網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)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(dāng)觸發(fā)脈沖過去時，即IGBT網(wǎng)絡(luò)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(luò)替代的脈沖開關(guān)，完全能滿足脈沖調(diào)制器的要求，其指標(biāo)遠遠超過了氫閘流管脈沖調(diào)制器。
5 結(jié)論
器件固態(tài)化是系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，固態(tài)脈沖調(diào)制器正是在這一趨勢的啟發(fā)下提出來的。所設(shè)計的固態(tài)脈沖調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)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(diào)制器進行改裝。改裝成本低、周期短，具有很高的實用價值。
IGBT管的安裝與檢測：
IGBT是絕緣柵雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor）的簡稱，它是八十年代初誕生，九十年代迅速發(fā)展起來的新型復(fù)合電力電子器件。IGBT是由MOSFET場效應(yīng)晶體管和BJT雙極型晶體管復(fù)合而成的，其輸入級為MOSFET，輸出級為PNP型大功率三極管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件輸入阻抗高、響應(yīng)速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又具有雙極型器件通態(tài)電壓低、耐壓高和輸出電流大的優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。
IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1左圖可知，當(dāng)柵極加正電壓時，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通，此時高耐壓的 IGBT 也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負電壓時，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT 即關(guān)斷。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有μA級的漏電流，基本上不消耗功率，顯示了輸入阻抗大的優(yōu)點。圖2和圖3為IGBT的電路符號。
二、IGBT的檢測
IGBT管的檢測可用指針式萬用表的電阻擋來檢測，或用數(shù)字萬用表的“二極管”擋來測量PN結(jié)正向壓降進行判斷。本文以應(yīng)用較多的N型IGBT為例，闡述IGBT的檢測方法，檢測前先將IGBT管三只引腳短路放電，避免影響檢測的準(zhǔn)確度。
1、判斷極性。首先將萬用表撥在 R×1K 擋，用萬用表測量各電極之間的電阻，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則此極為柵極G。其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測量阻值較小。則說明該IGBT內(nèi)含阻尼管，且在測量阻值較小的一次中紅表筆接的為集電極C，黑表筆接的為發(fā)射極E。對于數(shù)字萬用表，正常情況下，內(nèi)附阻尼管的IGBT管的C、E極間正向壓降約為0．4V。其它各電極之間的電阻均為無窮大。否則，管子是壞的。
對于不含阻尼二極管的IGBT管，由于三個電極間的正反向電阻均為無窮大，故不能用此法判斷。一般地，可從外形上識別IGBT各電極的名稱，標(biāo)注型號的一面對著觀察者，引腳向下，從左至右依次為柵極、集電極和發(fā)射極。
2 、判斷好壞。將萬用表撥在 R×10K 擋，用黑表筆接 IGBT的集電極C，紅表筆接IGBT 的發(fā)射極E，此時萬用表的指示為無窮大。用手指同時觸及一下柵極G和集電極C ，這時IGBT 被觸發(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并指示在某一位置，電阻越小，說明IGBT的導(dǎo)通壓降越低，其放大能力越強。然后再用手指同時觸及一下柵極G和發(fā)極E，這時IGBT阻斷，萬用表的指針回至無窮大。此時即可判斷IGBT是好的。
注意：任何指針式萬用表均可用于檢測 IGBT。判斷IGBT 的好壞，一定用萬用表 R×10K擋，因 R×1K 擋以下各擋萬用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT導(dǎo)通而無法判斷。
如果測得IGBT管三個引腳間電阻均很小，則說明該管已擊穿損壞；實際維修中IGBT管多為過電流或過電壓擊穿損壞。
三、 IGBT的代換
由于IGBT工作在大電流、高電壓狀態(tài)，工作頻率較高，發(fā)熱量大，因此其故障率較高，又由于其價格較高，故代換IGBT時，應(yīng)遵循以下原則：
首先，盡量用原型號的代換，這樣不僅利于固定安裝，也比較簡便。其次，如果沒有相同型號的管子，可用參數(shù)相近的IGBT來代換，一般是用額定電流較大的管子代替額定電流較小的，用高耐壓的代替低耐壓的。如果參數(shù)已經(jīng)磨掉，可根據(jù)其額定功率來代換。
注意，代換IGBT時，一定要分清其內(nèi)部是否含有快恢復(fù)阻尼二極管。
四、IGBT的保存
保存半導(dǎo)體元件的場合，溫度與濕度應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。一般地，常溫規(guī)定為5～35℃ ，常濕規(guī)定為45～75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機加濕。
裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。并盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合。
在溫度發(fā)生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方；
五、使用注意事項
IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄， IGBT的UGE的耐壓值為±20V，在IGBT加超出耐壓值的電壓時，會導(dǎo)致?lián)p壞的危險。此外，在柵極—發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱乃至損壞。
在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。
如果柵極回路不合適或者柵極回路完全不能工作時（珊極處于開路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止這類損壞情況發(fā)生，應(yīng)在柵極一發(fā)射極之間接一只10kΩ左右的電阻。
此外，由于IGBT為MOS結(jié)構(gòu)，對于靜電就要十分注意。因此，請注意下面幾點：
1、在使用模塊時，手持分裝件時，請勿觸摸驅(qū)動端子部份。當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電放電后，再觸摸。
2、在用導(dǎo)電材料連接IGBT的驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊；
3、盡量在底板良好接地的情況下操作。如焊接時，電烙鐵要可靠接地。
在安裝或更換IGBT時，應(yīng)十分重視IGBT與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致IGBT發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時將報警或停止IGBT工作。