小型化高壓固態(tài)脈沖調(diào)制器

楊景紅，劉志剛，何秀華，戴廣明

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)發(fā)射機(jī)的性能要求不斷提高，要求發(fā)射機(jī)能夠輸出更加復(fù)雜的脈沖波形，如:變化的脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度和多種脈沖波形交替組合等。同時(shí)，武器裝備的技術(shù)發(fā)展要求雷達(dá)發(fā)射機(jī)必須進(jìn)行“三化”設(shè)計(jì)，并要適應(yīng)各種平臺(tái)不同的安裝要求和環(huán)境要求，而小型化調(diào)制器能夠適用于地面、車載、艦載等平臺(tái)，滿足雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)“三化”設(shè)計(jì)的要求［1］。調(diào)制器為陰極調(diào)制類的電真空微波管提供脈沖電子注功率，很大程度上決定了系統(tǒng)的性能和可靠性。調(diào)制脈沖的前后沿、時(shí)間抖動(dòng)、脈沖頂部波動(dòng)、頂部降落和調(diào)制脈沖的脈間穩(wěn)定性都與雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定度、噪聲和頻譜特性直接相關(guān)［2-3］。

根據(jù)某型發(fā)射機(jī)的要求，調(diào)制器主要技術(shù)指標(biāo)如下:

1)輸出電壓:≥80 kV;

2)輸出電流:≥50 A;

3)脈沖寬度:1 μs～20 μs連續(xù)可調(diào);

4)重復(fù)頻率:292 Hz～1 500 Hz。

本文比較了高峰值功率發(fā)射機(jī)常用的線型調(diào)制器和固態(tài)剛管調(diào)制器的電路拓?fù)浼疤攸c(diǎn)，并根據(jù)現(xiàn)代雷達(dá)以及高性能發(fā)射機(jī)對(duì)調(diào)制器的要求，研制了小型化高壓固態(tài)脈沖調(diào)制器。

1 線型調(diào)制器

線型調(diào)制器主要由高壓電源、充電電路(如:充點(diǎn)電感L和充電隔離二極管VD1)、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(如:人工線PFN1)以及放電開關(guān)(如:VT1)等組成，見圖1。

圖1 基本線型調(diào)制器原理圖

在線型調(diào)制器中，高壓電源通過充電電感L、隔離二極管VD1向人工線PFN1充電，在充電結(jié)束時(shí)，PFN1被充上大約兩倍于電源的電壓值;放電時(shí)，在觸發(fā)脈沖的激勵(lì)下，放電開關(guān)VT1導(dǎo)通，PFN1通過VT1將能量傳給負(fù)載RL。在RL上得到的脈沖電壓幅值近似于電源電壓，其脈沖波形由人工線決定。

現(xiàn)有的輸出微波峰值功率1 MW、平均功率1 kW的單脈沖測(cè)量雷達(dá)發(fā)射機(jī)，其經(jīng)典的調(diào)制器一直采用回掃充電體制的線型調(diào)制器［4］。這種調(diào)制器采用了人工線，體積較大。其輸出脈沖平頂寬度約1 μs時(shí)，脈沖前沿約1.7 μs，脈沖后沿約 2.5 μs，窄脈沖時(shí)調(diào)制器效率很低，見圖2。同時(shí)，調(diào)制器輸出脈沖寬度由人工線決定，脈沖寬度不能連續(xù)改變，無法滿足該任務(wù)需求。

圖2 回掃充電調(diào)制器輸出波形

2 直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器

采用直接耦合型固態(tài)剛管調(diào)制器可以滿足脈沖寬度、重復(fù)頻率連續(xù)變化的要求［5-6］。固態(tài)剛管調(diào)制器包括采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)串并聯(lián)的直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器以及Marx固態(tài)剛管調(diào)制器［7］。

Marx調(diào)制器由于采用并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的電路形式，高壓電源和開關(guān)工作電壓較低，每一組開關(guān)之間相對(duì)獨(dú)立，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性要求不非常嚴(yán)格。但Marx電路組成相對(duì)復(fù)雜［8］，輸出脈沖寬度較窄，重復(fù)頻率較低。

直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器主要由高壓電源E、儲(chǔ)能電容C、開關(guān)K1到Kn等組成，見圖3。高壓電源E直接向儲(chǔ)能電容C充電，開關(guān)K1到Kn串聯(lián)后串接在儲(chǔ)能電容C和負(fù)載RL之間，柵極驅(qū)動(dòng)和控制電路控制所有開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，則負(fù)載RL上得到高壓調(diào)制脈沖，如圖4所示。該類型的調(diào)制器輸出脈沖寬度范圍很寬，脈沖前后沿較小，輸出的調(diào)制脈沖較好，但對(duì)開關(guān)導(dǎo)通一致性的要求極高，開關(guān)損壞的概率最高［9］。

圖3 直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器原理圖

圖4 直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器輸出波形

該型調(diào)制器可以工作在大功率、超大功率的發(fā)射機(jī)中，如果應(yīng)用于本任務(wù)，顯得大材小用。況且，80 kV的高壓電源和調(diào)制器全部要置于變壓器油箱中，體積、質(zhì)量、可靠性、可維護(hù)性都不適合。

3 變壓器耦合型固態(tài)剛管調(diào)制器

與直接耦合型全固態(tài)剛管調(diào)制器相比，變壓器耦合型固態(tài)剛管調(diào)制器在開關(guān)K和負(fù)載RL之間增加了一個(gè)脈沖變壓器T，從而降低了高壓電源E、儲(chǔ)能電容C以及開關(guān)K的工作電壓，有助于提高發(fā)射機(jī)的安全性和可靠性，見圖5。早期的經(jīng)典變壓器耦合型剛管調(diào)制器，為減少變壓器的變比，提高脈沖的性能指標(biāo)，多采用電子管充當(dāng)調(diào)制開關(guān)，質(zhì)量、體積都不理想。

圖5 變壓器耦合型調(diào)制器原理圖

近年，也有使用多個(gè)IGBT串聯(lián)替代電子管開關(guān)的調(diào)制器方案，但初級(jí)采用多個(gè)開關(guān)串并聯(lián)形式，仍要考慮開關(guān)的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)均壓、均流等，對(duì)開關(guān)導(dǎo)通的一致性有較高要求。考慮到開關(guān)的承受能力，變壓器初級(jí)脈沖電流約為幾百A，則脈沖變壓器的變比一般小于10，變壓器初級(jí)電路需要承受約10 kV～20 kV的電壓。采用該方案，只要脈沖變壓器滿足任務(wù)最大脈沖寬度就可以了，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，脈沖重復(fù)頻率、寬度可以連續(xù)變化，輸出波形可以滿足任務(wù)需求，參考輸出波形見圖6。

圖6 變壓器耦合型調(diào)制器輸出波形

4 小型化變壓器耦合高壓固態(tài)脈沖調(diào)制器

近年來，單個(gè)IGBT模塊的功率量級(jí)已達(dá)1 200 A～1 800 A/1 800 V ～3 300 V［10］。因此，采用大功率 IGBT模塊替代變壓器耦合型調(diào)制器中多個(gè)串并聯(lián)的開關(guān)，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，設(shè)備量少、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕。大功率IGBT模塊及其驅(qū)動(dòng)電路的參考電位為低電位端，無須考慮驅(qū)動(dòng)電路的絕緣要求。僅使用單個(gè)固態(tài)開關(guān)，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，并且無須考慮固態(tài)開關(guān)的均壓以及導(dǎo)通的一致性，見圖7。

圖7 小型化固態(tài)調(diào)制器原理圖

根據(jù)任務(wù)要求，調(diào)制器輸出電壓80 kV、電流50 A，考慮到安全性和可靠性，采用3 300 V的大功率IGBT模塊時(shí)，變壓器初級(jí)電壓設(shè)計(jì)為2 000 V，脈沖變壓器變比1：40，脈沖變壓器初級(jí)脈沖電流達(dá)2 000 A，調(diào)制器最大脈寬20 μs，最高重復(fù)頻率1 500 Hz。該設(shè)計(jì)中，高壓電源、調(diào)制組件都直接置于空氣中，采用風(fēng)冷散熱就可以了。

設(shè)計(jì)中，為減少漏感和分布電容，要保證脈沖變壓器初級(jí)繞組盡量包圍鐵芯，否則，會(huì)導(dǎo)致調(diào)制脈沖前沿振蕩、波形差，降低發(fā)射機(jī)效率。采用多組導(dǎo)線并聯(lián)繞制的方式，可有效改善調(diào)制器的輸出波形質(zhì)量，見圖8。

圖8 小型化固態(tài)調(diào)制器輸出波形

在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器勵(lì)磁電感的儲(chǔ)能會(huì)導(dǎo)致較高的反向尖峰電壓，常規(guī)手段是在脈沖變壓器初級(jí)并聯(lián)RD阻尼電路，吸收反峰電壓;但這樣脈沖變壓器恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，限制了調(diào)制器的重復(fù)頻率。因此，采用反饋電路，利用脈沖變壓器初級(jí)的高壓電源來箝位脈沖變壓器的反峰電壓。這不但解決了寬脈沖和窄脈沖共用一個(gè)脈沖變壓器時(shí)，反峰電壓和脈沖變壓器恢復(fù)時(shí)間之間的矛盾，同時(shí)，反峰能量又返回至高壓電源，也提高了調(diào)制器效率［11］。

5 結(jié)束語

本文研制了一種小型化高壓固態(tài)脈沖調(diào)制器，采用單個(gè)大功率IGBT模塊及脈沖變壓器耦合方式，簡(jiǎn)化了電路，減小了設(shè)備量。脈沖變壓器初級(jí)采用多組導(dǎo)線并聯(lián)繞制，改善了調(diào)制器輸出脈沖波形的質(zhì)量。采用能量回饋電路來箝位脈沖變壓器的反峰電壓，可縮短脈沖變壓器恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)，提高調(diào)制器的效率。采用該調(diào)制器的發(fā)射機(jī)性能得到提升，體積大大減小，滿足了任務(wù)雷達(dá)的先進(jìn)性、高機(jī)動(dòng)性要求以及發(fā)射機(jī)的“三化”設(shè)計(jì)要求。但受脈沖變壓器的限制，小型化高壓固態(tài)脈沖調(diào)制器僅適用于有限脈沖寬度的場(chǎng)合，尤其是高峰值、低平均功率，脈沖寬度、頻率可以連續(xù)變化的場(chǎng)合。

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