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基于IGBT的固态脉冲调制器设计

发布时间:2020-07-21 18:47:18 阅读: 来源:水泥厂家

摘要:基于课题建设的需要,需对某型雷达脉冲调制器进行固态化改造,为达到经济省时的目的,采用了设计与仿真的方法。应用新型功率开关器件IGBT替代电真空器件,设计了单片机控制的固态脉冲调制器。克服了雷达脉冲调制器中广泛采用的电真空器件的局限性。Simulink仿真结果表明,调制波形及功率完全满足雷达的战术技术指标。得出了所设计的固态调制器可以工程化的结论。关键词:氢闸流管;IGBT;固态脉冲调制器;Simulink 在雷达发射机脉冲调制器中,广泛采用的是电真空管作为开关管。这种结构的脉冲调制器具有配套技术复杂、造价高、使用寿命短等缺点,尤其是其不适用于大功率、高重复频率等工作场合的缺陷,使其已经远远不能满足现代雷达的复杂信号处理的需求。 随着电力电子技术的快速发展,新型功率开关器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)迅速占领了市场,满足了人们把大功率、超高频率开关元件实现固态化的期望,有着完全取代电真空管的趋势。这也为在雷达发射机脉冲调制器中采用IGBT作为开关管以替代电真空管奠定了理论和实践基础。1 脉冲调制器的结构 根据脉冲调制器的任务,它基本由下列3部分组成:电源部分、能量储存部分、脉冲形成部分。其结构如图1所示。

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电源部分的作用是把初级电源(例如市电)变换成符合要求的直流电源。直流电源包括低压电源和高压电源两种,低压电源供给调制脉冲预处理电路使用,高压电源供给调制脉冲形成电路使用。 能量储存部分的作用是为了降低对于电源部分的高峰值功率要求。因为脉冲调制器是在短促的脉冲期间给射频发生器提能量的,而在较长的脉冲间歇期间停止工作,因此为了有效地利用电源功率,可以采用储能元件在脉冲间歇期间把电源送来的能量储存起来,等到脉冲期间再把储存的能量放出,交给射频发生器。常用的储能元件有电容器和人工线(或称仿真线)。 脉冲形成部分是利用一个开关,控制储能元件对负载(射频发生器)放电,以提供电压、功率、脉冲宽度及脉冲波形等都满足要求的视频脉冲。常用的开关元件有真空三、四极管、氢闸流管、半导体开关元件(可控硅元件)和具有非线性电感的磁开关等。 真空管的通断可由栅极电压控制,通断利索,这种开关称为刚性开关,对应的调制器称为刚性调制器。氢闸流管、半导体开关元件和具有非线性电感的磁开关则只能控制其导通,而不能控制其关断,这种开关元件称为软性开关,对应的调制器称为软性调制器。2 开关器件的比较 对传统的电真空器件(氢闸流管)和现代电力电子器件IGBT的电气性能进行比较。2.1 传统电真空管器件 以真空三、四极管为调制开关的刚性调制器适应能力强,能适应各种波形、重复频率的要求,但这也是以体积、重量、结构和成本为代价的。为弥补自身不足以适应各种工作需要,刚性调制器又分为多种类型,但都避免不了其功率小、效率低的缺陷。 以氢闸流管为开关元件的软性调制器虽能克服刚性调制器的不足,但自身的缺陷也很突出,主要表现为:1)脉冲波形顶部抖动、后沿拖长;2)对负载阻抗的适应性差;3)对波形的适应性也差。 可见软性调制器只能适应于精度要求不高、波形要求不严格的大功率雷达中。并且不管是刚性还是软性调制器,其结构的复杂都使其可靠性降低,并且维修难度大。2.2 现代电力电子器件 开关元件的固态化是发展的大趋势,尤其是电力电子器件在由传统型向现代型转变以后,许多新兴的器件迅速应用于这种电力转换领域。上世纪九十年代才现身市场的绝缘栅双极晶体管IGBT已成为现代电力电子器件发展的领头军,型号齐全,已经出现了由IGBT组成的功能完善的智能化功率模块IPM。 IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极晶体管是一种工作原理复杂的集成半导体器件。在结构上,集成了所有半导体器件的基本结构。如二极管、BJT、结型场效应管JFET、MOSFET、SCR。工艺上利用MOS工艺进行大面积功率集成,单元胞的体积越来越小,单元胞的数量越来越多。IGBT经过20年的发展,技术越来越成熟,功能越来越强大。从原来的平面栅型到沟槽型,又发展到非穿通型,直至现在的电场截至型.达到了6 000 V/600 A,通态压降1.3 V,开关频率达到纳秒级。 IGBT在大量产品中的良好表现,证明其是一种良好的功率开关器件。其主要优点表现在开关频率高、承载功率大、通态压降低、du/dt和di/dt耐量高、动态性能高、反向恢复快等,这些性能特点使其特别适应于在高频、大功率电路中出任开关器件的重任。3 固态调制器硬件组成 对分别以氢闸流管和IGBT为中心所构成的两种脉冲调制器的性能、构造、成本、可维性及可靠性进行比较。3.1 真空管脉冲调制器 以氢闸流管ZQM1-350/14型为例,其参数为14 000 V/350 A,陶瓷外壳,需要12.6 V/6 A的灯丝电源。其关断时,高压电源经充电电感和变压器的原边给仿真线充电,氢闸流管接通时,仿真线经氢闸流管对变压器原边放电,在变压器的副边产生高压脉冲去调制磁控管。氢闸流调制器的结构如图2所示。

充氢闸流管是由阳极、阴极、栅极(控制栅,有的还具有预点火栅或分压栅等)组成,将所有电极用绝缘外壳密封,利用低压氢气(氘气)作为工作及灭弧绝缘介质,是离子开关管中的一个分支,将触发脉冲(正极性)加到栅极,使阴-栅间隙产生辉光放电,放电扩展到阳栅间隙导致阳栅间隙击穿导通,使外电路通过阳极-栅极-阴极放电,而输出脉冲电流,是具有正启动特性的脉冲电真空器件,具有工作电压高,脉冲电流大,触发电压低,脉冲宽度窄,电流上升快,点火稳定等特点,广泛应用于国防、医疗、高能激光、科学研究等领域或场合。磁控管相关文章:磁控管原理

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