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一種用于多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)的高壓固態(tài)調(diào)制器?

2018-03-23 01:09王一農(nóng)
艦船電子工程 2018年2期
關(guān)鍵詞:調(diào)制器柵極限流

王一農(nóng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

1 引言

雷達(dá)系統(tǒng)多以脈沖方式工作。在真空管發(fā)射機(jī)中,常用的調(diào)制方式有陰極調(diào)制、陽(yáng)極調(diào)制、控制極調(diào)制和柵極調(diào)制,其中柵極調(diào)制以中小功率的行波管居多,速調(diào)管一般為陰極調(diào)制。調(diào)制器是發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵組成部分,調(diào)制器的性能和可靠性直接決定發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性[3~4]。

隨著大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件水平的迅速發(fā)展,使得采用固態(tài)開(kāi)關(guān)管做較大功率的調(diào)制器成為趨勢(shì)。固態(tài)調(diào)制器具有器件功耗小,過(guò)載能力強(qiáng),保護(hù)效果好的特點(diǎn)。能實(shí)現(xiàn)較高頻率工作,適應(yīng)任意工作比工作。

本文介紹了一種應(yīng)用于某多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)的固態(tài)調(diào)制器設(shè)計(jì)。該固態(tài)調(diào)制器采用開(kāi)關(guān)直接串聯(lián)形式。發(fā)射機(jī)具有組成簡(jiǎn)潔、重量輕、過(guò)載保護(hù)迅速等特點(diǎn)。

2 調(diào)制器指標(biāo)要求及拓?fù)?/h2>

工作電壓:-15±2kV;

工作電流:9±1A

最高重頻:2500Hz;

最大輸出脈寬:10μs(射頻頂寬);

最小輸出脈寬:0.2μs(射頻頂寬);

輸出脈沖占空比:≤0.5%。

根據(jù)指標(biāo)要求,采用固態(tài)高壓串聯(lián)開(kāi)關(guān)(HVSM)調(diào)制器。調(diào)制器的組成框圖如圖1所示。

觸發(fā)器在時(shí)序信號(hào)的控制下,產(chǎn)生HVSM所需的高壓隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào),使得HVSM按照一定的時(shí)序進(jìn)行工作。

目前,可供選擇的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)有MOSFET、MOSFET、GTO等,綜合考慮指標(biāo)要求和器件的工作電壓、電流、導(dǎo)通阻抗、驅(qū)動(dòng)特性以及價(jià)格等方面的因素,調(diào)制開(kāi)關(guān)選用IXYS公司的BiMOSFET(IXBH16N170A),其集射極電壓為1700V,連續(xù)集電極電流16A。

BiMOSFET驅(qū)動(dòng)門限電壓高,適宜于強(qiáng)干擾環(huán)境中應(yīng)用;其跨導(dǎo)低,耐短路能力強(qiáng),因此采用Bi?MOSFET作為調(diào)制開(kāi)關(guān)有利于提高調(diào)制器的可靠性。其次MOSFET比IGBT具有更短的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間和更高的工作頻率,更適合生成上升、下降時(shí)間小于幾十納秒,脈沖寬度為幾百納秒的窄脈沖。

MOSFET實(shí)際工作時(shí)的耐壓一般取其額定值的50%,則需要串聯(lián)的開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù):

考慮開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷尖峰電壓和失配電壓尤其是限流保護(hù)時(shí)MOSFET的集射電壓失配(見(jiàn)限流及短路保護(hù)),取串聯(lián)的開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)為32個(gè),OSFET在關(guān)斷時(shí)所承受的穩(wěn)態(tài)電壓為530V。

串聯(lián)開(kāi)關(guān)固態(tài)調(diào)制器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在:串聯(lián)開(kāi)關(guān)均壓、脈沖同步驅(qū)動(dòng)、短路保護(hù)這幾個(gè)方面[1~2]。為確保調(diào)制器安全可靠地工作,必須確保加在串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件兩端的電壓能均衡分配,并都在各個(gè)器件允許的安全工作電壓范圍內(nèi)。必須同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)器件施加和撤離觸發(fā)信號(hào),確保所有開(kāi)關(guān)器件同步導(dǎo)通和關(guān)斷。在負(fù)載打火時(shí),通過(guò)調(diào)制器的電流將成倍的增加,有可能導(dǎo)致調(diào)制器損壞,因此,應(yīng)確保限流及短路保護(hù)措施可靠。

3 串聯(lián)開(kāi)關(guān)均壓網(wǎng)絡(luò)

串聯(lián)MOSFET在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓都必須控制在單個(gè)器件的額定電壓范圍內(nèi)。因?yàn)殪o態(tài)電壓的不均衡會(huì)影響MOSFET的開(kāi)通過(guò)程,所以,一個(gè)好的靜態(tài)均壓措施也是必要的[5~6]。

串聯(lián)MOSFET的均壓措施大致可分為兩種。一種是均壓電路在負(fù)載側(cè),另一種的均壓電路在門極驅(qū)動(dòng)側(cè)。這兩種措施各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

負(fù)載側(cè)均壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,均壓效果良好。由于均壓電路在負(fù)載側(cè),因此器件的電壓等級(jí)要求較高。其次,由于MOSFET每次的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程,均壓電路都要參與均壓工作,因此MOSFET的工作頻率越高,均壓電路的功率損耗越大[7~8]。

門極驅(qū)動(dòng)側(cè)均壓電路克服了負(fù)載側(cè)均壓電路的缺點(diǎn),但是控制較復(fù)雜,器件較多。尤其是比較器大量的使用,會(huì)影響MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。

從抗干擾和可靠性方面考慮,本方案選擇負(fù)載側(cè)均壓電路會(huì)更適合。這里,由RC網(wǎng)絡(luò)組成串聯(lián)MOSFET的均壓和緩沖電路。

4 柵極同步驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)考慮

為了保證驅(qū)動(dòng)脈沖的一致性,本調(diào)制器采用隔離脈沖變壓器耦合的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)脈沖的隔離傳輸,原理圖如圖3所示。

隔離變壓器一個(gè)初級(jí)繞組,兩個(gè)次級(jí)繞組,初次級(jí)變比取n=1:1,驅(qū)動(dòng)電壓幅度取15V。觸發(fā)器采用圖騰柱電路產(chǎn)生HVSSM中隔離脈沖變壓器初級(jí)的觸發(fā)脈沖,其電路原理如下圖所示。

輸入的時(shí)序控制信號(hào)控制推挽開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序,可以產(chǎn)生所需要的驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)。

5 調(diào)制器開(kāi)關(guān)的限流及短路保護(hù)

在負(fù)載打火時(shí),通過(guò)調(diào)制器的電流將成倍的增加,有可能導(dǎo)致調(diào)制器損壞,因此,在電路中必須設(shè)置可靠的限流及短路保護(hù)電路。

多注速調(diào)管的打火發(fā)生在MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)中,一旦短路發(fā)生,集電極電流迅速上升,其上升速度由直流母線電壓和短路回路中的電感決定,其幅值由柵極電壓和回路限流電阻共同決定。

在短路初期,MOSFET的集射極電壓的快速變化將通過(guò)集柵極電容產(chǎn)生一個(gè)位移電流,該位移電流又引起柵極電壓升高,其結(jié)果是出現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的短路峰值電流。之后,短路電流趨于其穩(wěn)態(tài)值。在短路電流穩(wěn)定后,短路電流被關(guān)斷,此時(shí)回路電感將在MOSFET上感應(yīng)一個(gè)過(guò)電壓,MOSFET在短路開(kāi)斷過(guò)程中所感應(yīng)的過(guò)電壓可能會(huì)是其正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)倍[9]。

限流電路通過(guò)降低或限制短路電流,使MOS?FET可以獲得更好的保護(hù)。

除了限制初期動(dòng)態(tài)短路電流外,穩(wěn)態(tài)短路電流的幅度也可以通過(guò)柵極電壓的篏位來(lái)降低,通過(guò)上圖電路,將減小短路期間MOSFET的損耗,同時(shí)需要關(guān)斷的短路電流較低,過(guò)電壓也隨之降低。這一限流技術(shù)可以將穩(wěn)態(tài)短路電流限制在額定電流的三到四倍左右[10]。

限流保護(hù)試驗(yàn)電路參數(shù):

輸入電壓:Vin=150Vdc;

負(fù)載電阻:R=3.0Ω;

取樣電阻:RSENSE=0.25Ω;

脈寬:10μs;

占空比:0.01%。

試驗(yàn)電路如圖7所示。

無(wú)限流保護(hù)時(shí),負(fù)載電流實(shí)際約為150/3.5=42.8A。

限流試驗(yàn)波形如圖8所示。

從波形上看取樣電阻端電壓峰值約5V,換算成電流為5/0.25=20A,限流電路將電流限制在20A。

多管串聯(lián)限流保護(hù)電路存在的問(wèn)題:

從試驗(yàn)情況看,限流保護(hù)工作時(shí),由于柵極電壓降落,開(kāi)關(guān)MOSFET工作在飽和區(qū),其VCE=100V,IC=20A。多管串聯(lián)時(shí),會(huì)出現(xiàn)由于柵極電壓不同和MOSFET本身輸出特性不同造成的集射電壓失配。在電路設(shè)計(jì)上,在取樣電阻兩端并聯(lián)1000pF電容濾除干擾尖峰電壓。適當(dāng)增加MOSFET的串聯(lián)個(gè)數(shù),增加耐壓裕量。其次,篏位MOSFET的取樣和驅(qū)動(dòng)電阻選擇精度較高的電阻,降低柵壓失配[11~12]。

短路保護(hù):

為保證安全運(yùn)行,下列臨界條件必須得到滿足。

1)必須可靠檢測(cè)出短路,并在不超過(guò)10μs的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉;

2)兩次短路的時(shí)間間隔最少為1s;

3)在MOSFET的總運(yùn)行時(shí)間內(nèi),短路次數(shù)不得大于1000次。

短路保護(hù),采用電流互感器取樣,故障時(shí)封鎖觸發(fā)器的輸出,并將故障信號(hào)上傳至監(jiān)控。為保證短路保護(hù)的可靠性,采用兩個(gè)電流互感器取樣電路和兩個(gè)獨(dú)立的比較電路,封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路。

短路故障保護(hù)電流的設(shè)定要比限流電流設(shè)定值小,這里選擇短路保護(hù)電流20A。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用于多注速調(diào)管的高壓固態(tài)調(diào)制器設(shè)計(jì)。針對(duì)串聯(lián)開(kāi)關(guān)固態(tài)調(diào)制器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)均壓、脈沖同步驅(qū)動(dòng)、短路保護(hù)等設(shè)計(jì)難點(diǎn),分別給出分析,并提出解決方案。采用固態(tài)調(diào)制器使得多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)體積減小,重量減輕,設(shè)備量減少。發(fā)射機(jī)性能得以提高,可靠性和穩(wěn)定性大幅增加。

目前,該固態(tài)調(diào)制器已應(yīng)用在某部多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)中,采用以上電路設(shè)計(jì)的固態(tài)調(diào)制器在實(shí)際工作中具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能和高可靠性。

[1]鈕惠平,田為,張向輝.固態(tài)調(diào)制器應(yīng)用實(shí)踐[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007,29(7):80-82.

[2]戴廣明,田為,黃軍.新型大功率全固態(tài)調(diào)制器[J].電力電子技術(shù),2004,38(5)63-65.

[3]于仕財(cái),馬強(qiáng),李建華,康健.基于IGBT的固態(tài)脈沖調(diào)制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(9):12-15.

[4]陶小輝,張建華,王旭明,范青.串聯(lián)疊加式固態(tài)脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2011,9(1):84-87.

[5]Githiari,A.N.;Palmer,P.R.;“Analysis of IGBTmod?ules connected in series”[J].Circuits,Devices and Sys?tems,IEEProceedings,1998,145(5):354-360.

[6]Wang,Y.;Abu Khaizaran,M.S.;Palmer,P.R.;“Con?trolled switching of high voltage IGBTs in series”[C]//Electron Devices and Solid-State Circuits,IEEE Confer?ence on,2003:297-300.

[7]Githiari,A.N.;Leedham,R.J.;Palmer,P.R.;“High performance gate drives for utilizing the IGBT in the active region”[C]//Power Electronics Specialists Conference,27th Annual IEEE,1996,2:1754-1759.

[8]Soonwook Hong;Venkatesh Chitta;Torrey,D.A.;“Se?ries connection of IGBT'swith active voltage balancing”In?dustry Applications,IEEE Transactions,2002,35(4):754-759.

[9]Cotorogea,M.Claudio,A.Aguayo,J.“Study of the short-circuitbehavior ofhomogeneous IGBTsusing experi?mental results and a physics based SPICE-model”[C]//Power Electronics Specialists Conference,IEEE 31st An?nual,Pesc:IEEE.2000:1588-1593.

[10] Kraus,R. ;Reddig,M. ;Hoffmann,K.:“The Short-Circuit Behaviour of IGBTs Based on Different?Technologies”,EPE 1995,Sevilla,Proc.Vol.1,157-161.

[11]Cassel,R.L;:“An all Solid State Pulsed Marx Type Modulator for Magnetrons and Klystrons”[C]//IEEE Pulsed Power Conference,2005,June 2005:836-838.

[12]Cassel,R.L;:“A Solid State High Voltage Pulse Modu?lator which is Compact and without Oil or Pulse Trans?fomer”[C]//Power Modulator Symposium,2004.Twen?ty-Sixth International,23-26May 2004:72-76.

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