刍议调制器IGBT的高压大脉冲技术研讨

吴彬1李少鹏2顾莉3万树春4邱伟杰5

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（上海航天804所上海市闵行区201109）

摘要：现在的雷达发射机设计中还广泛应用电子管作为微波放大管，微波放大管工作时通常需要十几千伏到几十千伏的电压。在某些使用行波管或速调管作为微波放大管的发射机中，往往需要阴极脉冲电压的脉冲宽度从几十微秒到几秒、几十秒的超大脉宽电压。这种阴极高压调制器运用以往的脉冲变压器升压，由于微波管阴极电压的脉宽跨度比较大，脉冲变压器的设计比较困难，不具有工程使用的价值。本文论述了一种新颖的超高压、大脉宽固态刚性调制器的设计，可以完全满足上述微波管的波形要求，同时这种调制器设计可以完全适应无限脉宽的阴极高压，具有体积小，成本低、调试方便，便于工程实现的优点，具有很宽广的使用空间。

关键词：调制器；IGBT；高压；大脉冲技术

高压功率脉冲技术在工业、军事、环境保护等许多领域都有着广泛的应用。固体脉冲调制器是通过开关器件获得瞬间的大功率高压脉冲波形，因此开关器件的性能直接影响着固态脉冲调制器的输出信号脉宽、功率、瞬态等特性。

1全固态刚性阴极调制器的功能说明

全固态刚性阴极调制器在发射机中的功能位置如图1所示。全固态刚性阴极调制器受外同步信号控制，把高压电源的直流高压斩波成微波管所需的调制高压，加到微波管上面，微波管输出系统所需的微波功率。限流电阻主要作用是保护调制器的开关管IGBT，确保IGBT不会因为过流而造成损坏。这种调制器特点如图所示：

悬浮在高电位上，需要解决耐压问题；电路简图已经说明这种固态调制器会做的体积小巧，利于工程应用。重点问题是解决调制开关管IGBT的串联、散热及均压等一系列问题。

2全固态刚性阴极调制器的设计分析

2.1调制器技术指标及原理框图

通常在微波管选型及发射机总体方案中，需要确定调制器的参数。本文所论述的方案中调制器采用刚管调制器，可以支持雷达多种发射脉冲宽度，刚管调制器的关断只受外部同步信号控制。此种新型发射机调制器的技术指标说明如下：①耐压大于40KV；②脉冲电流20A；③调制脉宽10μs至无限；此类调制器原理框图，见图2所示。

这是一种全新的阴极调制器，和以往的调制器相比，在一些特定应用场合具有较强的优势。以上只是调制器的一个大致原理简图，在确定调制器的具体参数后，参考以往调制器的设计和平时实验数据的积累，可以进行此类新型调制器的设计工作。典型人工线调制器已经根本无法满足要求，首先排除。采用刚性调制器加脉冲变压器升压的方式，可以降低调制开关的设计难度，但是输出波形受制于脉冲变压器的设计，只能应用于波形变化范围不大的场合（一般几百微妙），对于调制脉宽跨度如此大（秒级）的调制器，脉冲变压器根本无法实现，已经不具备工程使用价值。

采用调制开关管IGBT串联工作的全固态阴极调制器方案，具有很大的挑战性。这种方案可以完全满足调制器的指标需求，它的最大优势就是调制器采用脉冲叠加的方式，可以完全满足10μs以上的任意脉宽，只要子脉冲的脉宽足够窄，重复频率足够高就可以了。这种思路最大的优点就是把需要用脉冲变压器的地方变为推挽工作，解决铁芯饱和问题。

在这个阴极调制器方案的设计中，课题组先后攻关解决高压隔离问题、耐压问题，驱动脉冲一致性保证问题，合成脉冲前后沿抖动问题、均压问题等一系列问题，最终完整地论述了一款低成本、高可靠性、体积小巧，完全满足指标要求的全固态刚性调制器。

2.2技术设计说明

此调制波形被进行功率放大，通过N个相同的互感器进行电压分配，每个互感器对应一路IGBT驱动电路，形成标准驱动电压，随后驱动高电压的绝缘栅双极型晶体管，考虑到冗余量需求，开关管IGBT在设计上采用N路串联的方式，解决耐压问题。这种电路的优点是可以实现任意脉宽的调制器输出。

2.3设计中存在的问题分析

2.3.1高频振荡电路的选取

当所需的阴极高压波形脉宽大于100μs时，可以采用传统的自振荡电路，形成频率在100KHz至500KHz的高频方波，高频脉冲宽度在1-2μs之间。这种振荡电路的优点是可以根据电路中变压器设计的离散性，在调试过程中实时调整振荡频率，直至调到符合满足要求的频率。

2.3.2高压隔离

本文论述的新型调制器电路的高压隔离是通过串联在高压驱动电路中的高压线和推挽变压器实现的。这种电路方便安全，电路干扰小，成本低。如果采用光纤传输方式，需要光收发组件及其所需要的高压隔离电源等。电路复杂，成本骤增。采用高压线进行隔离的方式，也带有探索性质。试验验证这种方式的高压隔离是行之有效的而且经济划算。

2.3.3驱动电压选取

调制器在合适的驱动电压和负压下正常工作，一般IGBT的驱动电压为±20V，考虑到本次设计的调制器脉冲高压一般都在-20KV以上，随着高压的升高，高压脉冲的干扰问题也会突出，因此要有足够的负压增强抗干扰能力，同时负压还严重影响高压驱动脉冲的后沿，因此负压的选取十分重要。通过大量试验，最后采用的驱动电压为±15V，完全可以满足输出高压波形的后沿要求，同时在考机过程中没有发现干扰现象。

2.3.4驱动波形一致性

由于高压端的开关管IGBT串联工作，因此各路驱动波形的一致性至关重要，除了对元器件进行筛选，还要在电路设计上面进行有针对性地设计。选择合适的低压端工作电压和高压端互感器的变比，进行匹配工作。

2.3.5均压问题

开关管IGBT的均压问题十分重要，它是保护开关管的一道重要屏障，在设计电路中既要考虑静态均压问题又要考虑动态均压问题，保证在开关管工作时电压尖峰要在允许的范围内，开关管在工作间歇的电压分配均匀，这样才能很好的保护开关管。

2.3.6散热问题

调制器的散热主要是考虑开关管IGBT的散热。开关管的热耗包含两部分：开关损耗和通态损耗。开关损耗主要是开关管的导通和关断损耗。通态损耗主要是由开关管的通态压降和通过开关管的平均电流决定的。发热量不大时可以通过散热片和风机风冷解决，散热量大时要通过油冷解决。

结语

综上所述，本文对工作在高压、大脉冲宽度调制脉冲电压下的调制器方案进行论述，并对设计中的高压隔离、驱动高压选取、驱动波形一致性等问题进行了分析和研究。最终成功地设计出脉宽6秒钟，脉冲电流10A，占空比大于30%，高压耐压输出40KV的全固态刚性阴极调制器，同时做到体积小巧，成本低廉，可靠性高。随着器件制造工艺的不断提升，以及调制器技术的不断发展，固态刚性调制器在高功率雷达发射机领域将会有更为广阔的应用。

参考文献：

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[3]刘虹伶，刘明宇.一种脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路的设计研究[J].电气技术，2017，18（3）：94-96.