一种全固态高压脉冲调制开关的设计与实现

摘 要：针对某雷达线性脉冲调制器电路故障率高的问题，通过计算和测量电路主要参数，分析实际电路特性，总结了影响线性脉冲调制器电路稳定性的主要因素。在此基础上，提出了一种基于固态开关管为主要器件的调制器电路，给出了电路器件的选配标准和计算方法，并设计了具体电路，为有效提高线性脉冲调制器电路平均无故障时间提供了具备可行性的方案。

关键词：脉冲调制器；电路特性；电路稳定性；固态开关管；平均无故障时间

中图分类号：TN78；TN761 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）13-0005-06

Design and Implementation of an All Solid-state High Voltage Pulse Modulation Switch

SONG Lintao， LU Yulong， LIANG Yiwen， ZHU Liang

（No.63889 Unit of PLA， Jiaozuo 454750， China）

Abstract： In response to the problem of high failure rate in the linear pulse modulator circuit of a certain radar， the main parameter of the circuit are calculated and measured， and the actual circuit characteristics are analyzed. The main factors affecting the circuit stability of the linear pulse modulator are summarized. On this basis， a modulator circuit based on solid-state switching tubes as the main device is proposed. It provides the selection standards and calculation methods of circuit components， and designs specific circuits， this provides a feasible scheme to effectively improve the mean time to failure of linear pulse modulation circuits.

Keywords： pulse modulator; circuit characteristics; circuit stability; solid-state switching tube; mean time between failures

0 引 言

雷达调制器是一个大功率的电子开关，主要用于以脉冲方式工作的雷达发射机。某雷达中，采用线型脉冲调制器电路控制磁控管振荡器工作。在两年时间内，该线型脉冲调制器电路出现过4次故障，其中3次是由氢闸流管引起的。经综合分析，造成氢闸流管故障率高的主要因素有：电路匹配不佳引起的失配振荡、工作参数接近氢闸流管参数极限、氢闸流管质量问题等[1]。基于此，本文对线型脉冲调制器电路进行系统分析，提出一种改进方法，并设计具体电路。

1 线型脉冲调制器电路分析

某雷达线型脉冲调制器电路主要由高压电源、充电电路（一般包括充电电感、充电隔离元件）、脉冲形成Ev97u76BRzoCNa92kNPP/g==网络（Pulse Forming Network， PFN）、放电开关（氢闸流管）、辅助保护电路（反峰电路、阻尼电路）以及负载组成，电路简化框图如图1所示。

图1中VT1为氢闸流管，即放电开关；D1为PFN；L、VD1组成充电电路；VD2和R1组成反峰电路，主要作用是对放电过程中PFN上的反峰电压放电，起到保护氢闸流管的作用；C1和R2、R3组成阻尼电路，起阻抗匹配及消除寄生振荡的作用；脉冲变压器T3用来传输脉冲功率和阻抗变换。

图1 某雷达线型脉冲调制器简化框图

高压电源通过L、VD1和T3的初级线圈给D1充电至大约两倍的电源电压，当触发脉冲送来时，VT1导通，D1上约两倍的电源电压通过VT1对脉冲变压器T3放电，由于VT1的内阻很小，D1的能量全部传给脉冲变压器T3并在次级输出高功率的脉冲电压。

由于氢闸流管是软关断式开关，其主要特性是触发脉冲只起激励闸流管导通的作用，当放电电流小于氢闸流管的维持电流时，其逐步呈现阻断状态，该电路要求PFN阻抗与负载阻抗良好匹配，允许失配程度一般不超过10% [2]。

2 电路主要参数计算及调制脉冲测试

2.1 脉冲变压器输出的脉冲功率

雷达发射机的效率为发射机输出的高频功率与供电的输入功率之比。脉冲雷达的发射机效率一般较低，其输出功率与交流供电端的功率比在10%以下，与高压侧的功率比通常在15%～25%之间[3]。

某雷达的发射脉冲功率Pt为160 kW，其脉冲变压器次级的脉冲功率P为：

式中η1为某雷达发射机输出脉冲功率与脉冲变压器次级的脉冲功率之比。令η1 = 20%，得出雷达发射时，脉冲变压器次级承受的脉冲功率P约为：

2.2 PFN的等效阻抗

脉冲变压器次级承受的脉冲功率P与PFN的工作电压U、等效阻抗ρ和负载阻抗R的关系为：

式中，R为脉冲变压器初级的等效阻抗；η为脉冲变压器的效率，η的值通常在75%～85%之间[4]；U为PFN的最高工作电压；ρ为PFN的等效特性阻抗。

在负载阻抗与PFN阻抗匹配时，有ρ = R，则式（3）可写成：

PFN的等效特性阻抗ρ可由式（4）求出，即：

装备技术说明书记载，高压电源输出为6 kV，而PFN上的充电电压大约两倍于高压电源电压，故PFN上的电压U为12 kV。

令η = 80%，得出PFN的等效特性阻抗为：

2.3 放电回路的脉冲电流

根据欧姆定律，可计算放电回路的脉冲电流I为：

式中，U为PFN上的充电电压，ρ为PFN的等效阻抗，R为负载阻抗。

2.4 调制脉冲测试

该雷达调制脉冲检测口采用空间耦合方式，其作用是监测发射机状态，方便检修调试，并不能反映真实波形数据。因此选用P6015A型脉冲探头，在脉冲变压器的次级端测量波形图如图2所示。由此得知调制脉冲前沿为270 ns，脉冲宽度为0.58 μs。

3 放电开关的选择

可以作为线型调制器放电开关的器件主要有氢闸流管、氚闸流管、晶闸管（SCR）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）[5]。它们的主要特性如表1所示。

通过对比可知，电子管类型的放电开关，单管耐高压能力强，但触发信号电压也随之增大，并且都是寿命件；固态器件一般不考虑寿命问题，且触发信号电压较低，但它的单管耐压高压能力相对较弱，可以通过多管串联提高耐压值。

4 全固态高压脉冲调制开关的设计

根据装备指标需求，考虑有效工作空间，结合表1列举的参数，选用IGBT管作为主要元件设计开关组件，替代氢闸流管工作，改进的线型脉冲调制器框图如图3所示。

图中IGBT组件由多个IGBT管串联组成。既具有耐电流能力强，可靠性高的优点，又克服了单管耐高压能力弱的缺点，其电路设计的难点主要有两个方面：一是保证IGBT管的同时导通；二是IGBT管的均压问题[6]。

4.1 固态开关组件的设计

根据2.2～2.4节的计算、测量可知，固态开关组件应承受的阳极高压为12 kV，脉冲电流为167 A，脉冲前沿≤270 ns。为充分保证IGBT多级串联工作的可靠性，应充分考虑余量，本设计采用16只IGBT管串联，正常工作时单管耐压750 V，为单管最大耐压值的62.5%。

另外，由于该固态开关应用于实际装备，因此结构上必须满足装备要求，即固态开关体积不得大于氢闸流管的有效空间位置，且应方便检测和拆装。为了有效利用空间，在电路制作时将16只IGBT管安装在两块印制板上，即每块印制板安装8个串联的IGBT管。图4为8只IGBT串联示意图。

4.2 固态开关组件的保护

IGBT器件一般共有四种工作状态，即阻断状态（稳定断态）、开通状态、导通状态（稳定通态）、关断瞬态[6]。

由于元件伏安特性的差异，在串联运行过程中会产生静态电压不均衡现象。不同元件的伏安特性差异较大，串联使用时会使电压分配不均衡。同时，半导体器件的伏安特性容易受温度的影响，不同的结温也会使均压性能受到影响。

关断电荷和开通时间的不同，则会造成串联运行动态电压不均衡。动态电压不均衡是由栅极触发脉冲的大小、输出电容不同，导致元件的开通或关断速度不同引起的。栅极电压低、输出电容小，则易关断，关断时间也短；反之亦然。若两个元件串联运行，栅极电压的差异则会造成各串联元件不能同时关断的现象。先关断的元件必然承受最高的动态电压，这就引起动态电压不均衡的问题。

另外，在高电压电路中，由于电压很高，各点存在分布电容，也可称为寄生电容，它的存在也会造成动态电压不均衡，进而影响固态开关组件的可靠性[7]。

为了保证IGBT管在串联后能够安全稳定运行，需要解决电路的动态和静态均压、触发一致性、开通关断延迟等一系列问题。

4.2.1 静态均压措施

所谓静态均压就是指对关断过程中各串联元件之间电压分配的均衡措施[5]，为了克服串联运行中各元件静态电压不均衡的问题，需采用均压电阻，即在串联元件上并联一定阻值的电阻R，如图4中的R13～R18。若均压电阻R远小于串联元件的漏电阻时，串联元件上的电压分配则主要取决于电阻R的数值，选取电阻值相同的R后，各元件间的电压可达到均衡运行，即达到静态均压的目的。串联元件漏电电流越大，其漏电阻越小。选取均压电阻R的数值时应从漏电流最大的元件出发，使均压电阻达到应选的最小值。

为了获得良好的均压效果，静态均压电阻应选得小一些，但太小又将会增大PFN在充电后的电荷泄漏，尤其是在变T（重复周期）工作的情况下，会增大输出脉冲在脉间的抖动。对于固态开关管来说，静态均压电阻应满足式（8）要求：

式中，UDRM为固态开关管的最高阻断电压，USM为串联放电开关的最高阻断电压，ΔIIGBT1为固态开关管的最大漏电流IIGBT1max与最小漏电流IIGBT1min的差值。但是，电阻R过小，流过的电流较大，电阻上的功耗也会增大，从这点来看又希望电阻R不宜过小，正确的选择应从电阻数值和功耗两个方面同时考虑。通过计算并兼顾均压和稳定度等综合因素，IGBT管的静态均压由6个220 kΩ的电阻串联完成。

4.2.2 动态均压措施

所谓动态均压是指开通与关断瞬态过程中各元件间电压分配的均衡措施。动态均压又分为关断时的动态均压和开通时的动态均压两种情况[8]。

本设计采用TVS均压方式。TVS即瞬态电压抑制器，如图4所示，在开关管的集电极与发射极之间反接TVS，当某组开关管由于延迟晚开通时，开关管将承受较高电压，当电压升到一定值时，TVS管击穿，给瞬时大电流提供一个低阻通路，从而保证了开关管工作在安全范围内。在电压恢复正常值之前被保护回路一直保持截止状态。当瞬时脉冲结束以后，TVS自动恢复高阻抗状态，整个回路进入正常状态。TVS均压方式电路结构较为简单，常用于开关管启动时间差在100 ns以下的电路[9]。在固态开关组件设计中，采用5只1.5KE180A型TVS串联组成动态均压电路，该电路的启动时间为10 ns，电路启动电压为900 V。能够满足IGBT管动态均压要求。

4.2.3 触发脉冲一致性

触发一致性是通过采用多个相同次级绕组的脉冲变压器[10]，将触发脉冲分成16路输出，这里采用4个相同的四次级脉冲变压器。

为了使16路IGBT管同时可靠触发，在保证触发同步的基础上，还要保证触发信号有足够的驱动功率。这里采用成熟的储能式推挽拓扑结构[11]，实现功率放大要求。即推挽拓扑由Q41（Q42）和Q43（Q44）并联组成，以获得足够的驱动电流，驱动电路所需辅助电源由D46、R40、DZ04、C43及C44构成，获得22 V辅助电源。通过DZ4对驱动脉冲进行限幅处理，将其幅值限制在22 V。图5为一路脉冲功率放大电路原理图。由于固态开关组件共有16路IGBT组件串联而成，因此脉冲功率放大电路也有16路。

5 安装调试

5.1 固态开关组件的安装

固态开关组件的尺寸为120 mm×120 mm×180 mm，安装于闸流管的位置。对外电气接口共4个，分别为6.3 V供电端口、触发脉冲端口、阳极高压端口、接地端口。其中6.3 V供电端口和触发脉冲端口用SMA接口，阳极高压和接地端用M5螺钉紧固。端口连接关系如表2所示。

5.2 固态开关组件的测试

检查原机工作状态并测试调制脉冲波形，磁控管高压指示为6 kV，磁控管电流为13 mA，调制脉冲前沿为0.27 μs（脉冲前沿的85%），脉冲宽度为0.58 μs（脉冲前后沿的85%）。在定频/捷变、等T/变T模式下工作正常，但转换工作波段时易烧8 A高压保险。

更换固态开关组件后，整机工作状态正常，磁控管高压指示为6 kV，磁控管电流为19 mA，测试调制脉冲波形，调制脉冲前沿为0.16 μs（脉冲前沿的85%），调制脉冲宽度为0.52 μs（脉冲前后沿的85%）。在定频/捷变、等T/变T、转换工作波段等模式下工作正常。技术指标对比如表3所示，改造后的调制脉冲波形如图6所示。

6 结 论

本文计算了某雷达线型脉冲调制器电路的主要参数，分析了影响电路稳定性的诱因，提出了一种基于IGBT管为主要器件的电路改进方法，并应用于实际装备，通过验证表明，该固态开关组件具有以下几个优点：

1）输出调制脉冲波形的性能参数（脉冲前沿、脉冲后沿、脉冲平顶）品质高。

2）适用的频率及脉冲宽度范围广，适应性好。

3）无须提前预热，随用随开，大大缩短设备开机时间。

4）导通压降低，热损耗小。

5）使用寿命长。

综上所述，全固态高压脉冲调制开关可有效提高线型脉冲调制器的可靠性和技术指标，具备在同型装备上的推广使用价值。

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作者简介：宋林涛（1982—），男，汉族，山东莱阳人，高级技师，本科，研究方向：雷达及雷达对抗；卢煜龙（1995—），男，汉族，山东潍坊人，技师，研究方向：雷达及雷达对抗；梁译文（1996—），男，汉族，山西晋城人，技师，本科，研究方向：雷达及雷达对抗；祝梁（1997—），男，汉族，四川通江人，技师，研究方向：雷达及雷达对抗。