全固态刚管调制器的电路设计与实现.pdf

第 卷第期 年月信 息 化 研 究 全固态刚管调制器的电路设计与实现徐乐乐（南京国睿防务系统有限公司，南京，）摘要：随着现代化技术以及信息化手段的飞速发展，雷达作为获取海陆空战场全天候、全天时战略和战术情报的重要手段之一，存在巨大的军事价值。发射机作为产生大功率射频信号的雷达设备，在雷达组成中起到了“核心”作用。在发射机实际使用过程中，调制器作为发射机的“心脏”，电路设计和实现后的稳定性对发射机而言至关重要。本文介绍了某型最近研制成功的一种全固态刚管调制器的电路拓扑和相关电路设计，调制器采用 串并接技术，其输出脉冲电压 ，脉冲电流 ，可满足某型发射机的实际使用需求。关键词：雷达；发射机；调制器；电路设计中图分类号：收稿日期：引言从雷达应用的角度来看，调制器是构成雷达发射机的核心组件，它的主要功能是在控制信号作用下，将输入的高压电源偏电压调整为所需要的脉冲电压，然后供给发射机负载。在发射机的具体设计过程中，要保证调制器的稳定工作，就需要深入地分析和理解调制器的电路原理，并参考已有调制器的设计方案，不断地进行优化，使设计的调制器具有更加稳定、可靠、环境适应性强等优点，以保证调制器在使用中能够更好地发挥出应有的性能。发射机调制器基本工作原理发射机在工作时，其内部的调制器实质上起到了电源功率切换的作用，它的作用是为射频负载提供满足所需性能的高功率脉冲电压。首先将初级电源发出的交流电压转换为所需的直流电压，然后由一个控制脉冲控制并形成一个调制过的脉冲电压，用以供给射频负载。常见的调制器是由电源部分、充电元件、储能元件、切换开关、旁通元件和负载个单元组成。典型调制器组成框图如图所示。图典型调制器组成框图根据切换开关的不同，调制器可分为刚管开关调制器与软管开关调制器。根据能量存储器件的不同，可分为电容器存储的部分放电型调制器和人造线路存储的全部放电型调制器。根据所用的负载，可分为阴极脉冲调制器、阳极脉冲调制器以及栅极调制器。根据其结构特点，可将调制器划分为刚管调制器、浮动板调制器和线型调制器。使用何种类型的调制器是由发射机的需求以及所使用的负载种类来决定的。一般来说，刚管开关调制器能够根据实际需要产生出各种所需的脉冲波形，并且对负载阻抗要求不高，但需要较高质量的激励脉冲波形而且要求较大的储能电容。与刚管开关调制器相比，软管开关调制器具有转换功率大且效率高，对激励脉冲波形质量要求不高、电路较简单的优点，但是产生的高压电源电压较低，输出的脉冲波形质量不好，且对负载阻抗适应性差。所以究竟选用哪种类型的调制器，也要综合各种因素进行全面考虑。技术与应用信 息 化 研 究 年月 某刚管调制器的电路设计某型发射机采用主振放大式体制，其前端采用固态放大器，后端采用多注速调管放大器。发射机需要在多种发射脉冲宽度状态下工作，并且针对多注速调管的运行参数的需求，提出了调制器输出需满足 ，前、后 沿 均，脉 冲 顶降的指标要求。根据发射机的负载选型，当前多注速调管发射机多采用阴极调制方式。在此基础上，根据发射机工作需求，结合近年来固态开关器件串并接技术的发展，本文决定将 管作为开关器件，设计一种直接耦合型全固态刚管调制器 。该调制器需要具有体积较小、重量轻、散热好、可靠性高、寿命长等优点。该阴极调制方式的直接耦合型全固态刚管调制器，其调制开关直接串接在高压电源与多注速调管之间，所有开关均浮动在高电位上。由于该调制器采用了直接耦合方式，因此其输出的脉冲电压具有很好的品质，其脉冲前、后沿可达到以内，能够满足发射机高重复频率工作需求。该调制器相对于以往使用的浮动板调制器和撬棒电路相结合的控制极调制方式，不仅取消了撬棒电路，还极大地降低了速调管打火的几率，具有安全性好、可靠性高等优点。全固态调制器的组成框图如图所示。图 全固态调制器的组成框图该调制器主要由调制开关电路、储能电容、静态和动态均压电路、驱动电路、控制保护电路等组成。为有效隔离高低电位干扰问题，同时合理减小调制器体积，提高电路集成度，本文将调制开关电路、静态和动态均压电路集成在块调制开关组件板中，将驱动电路和控制保护电路集成在块驱动板中。高压电源对储能电容器进行充电，并通过块串接的调制开关组件板，向速调管输出脉冲高压；其中，控制保护电路的作用是接收定时脉冲和使能信号，然后通过驱动板输出的驱动信号来控制 管的导通或关断。在速调管打火的情况下，通过电流检测电路向控制保护电路发送过流故障信息，使调制器快速关断，从而对速调管和调制器起到保护作用。调制器是一种高电压、大电流的大功率设备，当发射机处于高海拔低气压的环境时，大功率设备的耐压绝缘距离将会下降。为满足绝缘需求，将调制器中悬浮在高电位的电路单元都置于注满 变压器油的油箱内，其余低压电路、控制驱动单元及供电电路，均由油箱外的辅助电源盒提供。同时，在油箱面板内侧安装一个带有冷板的散热片，利用发射机的冷却系统对调制器进行散热。将 变压器油注满油箱，可显著提高油箱中大功率器件间隙处的介电常数。变压器油具有凝固点、闪点 的特点，其理论临界场强 ，远优于空气的临界场强，可有效增强耐压绝缘度，能够确保调制器在高低温和高海拔环境下的正常工作。绝缘距离的计算公式为：（）式中，为绝缘距离，单位；为电压，单位；为电场强度，单位。调制器最大工作电压为 ，根据公式（）可计算出调制器内部各组件之间的绝缘距离为。最终将块调制开关组件板和块驱动板按 间隔距离进行安装固定，可杜绝内部发生尖端放电。调制开关组件板电路调制器使用的是高速绝缘栅双极晶体管（）作为开关管，其最高工作电压需要达到 ，电流要达到 ，为了实现这样高输出的调制脉冲电压，需要解决 管的多管串接问题 。管内单管耐压值越高，其管体导通损耗就越大，导通速度也越慢。本文选择了一种 的 管，它的开关速度可达 ，而其导通损耗可以小于第 卷第期徐乐乐：全固态刚管调制器的电路设计与实现技术与应用 。因为单管电流不足，所以需要采用多管并接的方式来提高电流值，所以，在将 管串并接后，就可以实现输出负极性调制脉冲高压，从而达到速调管所需功率要求。调制开关通过采用个 管并接为个开关组，个开关组进行串接的方式构成，将这 个开关组平均分布在个调制开关组件板上。整个调制器 个 管 串 并 接 后，最 大 工 作 电 流 为 ，最 大 耐 压 为 ，每 个 管 上 实 际 工 作 电 压 为 。采用该串并接方式后，调制器的实际工作电压和电流只占极限值的大约，既可以满足调试器的大电流、耐高压的要求，又可以保证在 管导通或关断状态出现不一致时，有足够大的耐压空间，避免 管被雪崩损坏。当 个开关组串接成的调制开关工作时，就需要所有串接的开关组两端的电压、电流可以均衡分配，为了避免出现电压电流不均衡或电压尖峰导致 管被雪崩损坏，所以在每个开关组电路中增加均压电路。均压电路分为静态均压和动态均压两种形式，静态均压是为了保证 管关断后管压降的一致性，而动态均压则是为了保证 管导通瞬间和关断瞬间电压发生变化时 管上电压降的一致性。本文使用的均压电路是一个 电路，如图所示。图 均压电路是一个静态的均压电路，、是一个动态均压电路。该均压电路虽然有一定的功率损耗，但因为该调制器工作时的重复频率不高，所以其功率损耗在可接受的范围内，能实现较好的均压效果。在调制器处于静态时（管在关断状态），其在串接开关组中电压的分布很大程度上依赖于 管的关断特性。关断时，阻值比较低的 管（关断漏电流比较大）所承受的电压比较小。相反，管的阻值越高，其工作电压就越大。因此电阻 被并接到每一个 管的旁边，可实现静态电压均衡。电阻值与 管的关断阻值关应满足公式：关（）若电阻值选择过小，则会导致耗散功率变大，所以需要综合考虑。在调制器处于动态时，也就是串接的开关组中，每一个 管在关断或导通的一瞬间，由于瞬间驱动波形的差异和不同步，会导致 管不能同时导通或关断，从而造成电压不均衡。这很容易导致个别 管承受更高的电压，甚至超过了雪崩电压，从而引起烧毁并短路。在一个 管发生短路之后，会导致其他管子承受更大的电压，如果在这时，其他管子也超过耐压临界点，那么就会引发连锁反应，最终导致所有 管损坏。在动态均压电路中，选择电容的依据为：对最后一个被导通的 管上的电压上升率进行控制，以确保在该管导通之前，管压降不超过雪崩电压，因此，电容取值为：开（）式中，为该管导通前回路电流；开为该管比其他管子导通时间差；为 管额定电压。电阻的选择既要保证起到 管导通时电容放电的限流作用，也要保证脉冲持续时间内电容上的电荷能够被电阻 完全地释放出来。因此，电阻取值为：（）式中，为脉冲宽度。驱动板电路调制开关电路由 个开关组串接构成，在各个 管导通或关断的瞬间，浮动在不同的高电位上。因此，在已有高低电位隔离和均压电路的基础上，管的驱动电路还需要保证加载到各 管的驱动信号也是一致的，这样就可以防止由于 管导通或关断瞬间的不同步而导致管子的损坏。以往调制器的驱动电路使用的是光电耦合驱动方式，需要在每一个 管上都装有一个光纤收技术与应用信 息 化 研 究 年月发器，从而实现对驱动信号的传输。但是，这种驱动方式也有一些限制，比如所需要的器件数量很多，体积相对变大，还需要额外增加一个能够隔离高电位的辅助电源进行供电。此外，光纤收发器等相关器件的一致性要求很高，自身信号链路长度需要严格等长，并且当速调管出现打火时，由于光纤收发器为小信号电路，极容易受到干扰。因此，本文采用的是变压器耦合驱动方式，对驱动信号进行传输，如图所示。图 驱动电路框图变压器铁芯选用的是 的环形超微晶铁芯，它被放置在高电位上。初级使用 高压线穿线方式，通过高压线来实现高低电位隔离，从而使得驱动信号时延稳定、同步性好。次级使用 绕线制作成组相同绕组，分别驱动每块调制开关组件板上的组开关组。这种驱动方式不仅解决了高电位驱动信号的传输隔离问题，确保了所有驱动信号的同步，而且还可以按照实际开关组的数量来调整变压器的数量，从而实现了驱动电路的模块化，降低了驱动电路的体积，使得调制器可以小型化，具有更强的实用性。在实际工作中，如果驱动信号的幅度或者电流较小，将导致调制器输出脉冲的前后沿时间增大，甚至对脉冲顶降产生影响，但是当驱动信号的幅度或者电流过大时，又会导致脉冲关断时间的增加。该调制器使用 管，驱动电路需提供足够幅度和电流的驱动信号，以便加快 管的导通速度，缩短导通时间。在导通之后，为避免晶体管过于饱和，对关断造成影响，于是在开关管关断时，驱动电路提供充足的反向脉冲，用于加快关断速度，缩短关断时间，只要减小导通和关断时间，就可以减小调制器输出 脉 冲 的 前 后 沿 时 间，的 驱 动 波 形 如图所示。图 的驱动波形 检测保护电路对于整个调制器的设计来说，调制器的可靠性和安全性是关键。在调制器出现故障的情况下，相关的检测保护电路需要以更快的速度进行各类故障情况的检测，并在极短时间内做出针对性的保护动作。与此同时，还需要向上位机发送故障状态报警。在检测保护电路中，应该优化其所具备的运算功能，能够将整体检测和保护动作时间降低到一个工作脉冲周期内，这样才能更好地保证在出现故障时能够及时发出相应的报警信号，迅速关断高压设备的输出，避免和减小对系统电路中器件的损害程度，使调制器和速调管实现自身保护。）检测电路随着调制器开关管导通速度不断缩短，调制器输出电压不断提高，对调制器的 检测电路提出了更高的要求。调制器内的调制开关采用 个开关组串接而成，每一组都配有一个光电耦合检测电路，用来检测辅 助 电 源 供 电 和 管 的 工 作状态。光电耦合器件的输入端正负极分别和每组开关管的、端连接，组开关管的光电耦合器件输出端被串接后送至光发射器。在调制器工作时，如果某个 管出现异常，相应检测链路上的光电耦合器件将会快速关断，光发送器快速将故障信号送至控制保护电路。因为采用了冗余的设计，所以当 管组的故障率不超过 的时候，只会将这个故障信息上报上位机，此时调制器可以正常工作，接下来用户可以选择一个合适的时机来修复调制器；在故障率超过 以上的情况下，由控制保护电路强行切断调制器输出，并将故障信息上报上位第 卷第期徐乐乐：全固态刚管调制器的电路设计与实现技术与应用机，直到调制器修复完好才能允许使用。光耦检测电路如图所示。图光耦检测电路）速调管过流保护电路速调管在满功率工作一段时间以后，由于速调管电子枪的聚焦极和阳极被阴极材料的蒸散物所污染，使电极的耐压值下降，从而引起两个电极之间的放电，进而使得速调管发生打火现象。当速调管打火时，覆盖在电子枪上的阴极蒸散物就会被驱除，两个电极之间的耐压值就会恢复正常，速调管就能重新开始工作。然而，在速调管打火过程中，管体脉冲电流急剧增大，峰值电流高达数百安，为了避免其对高压电路及速调管的破坏，需要调制器中设置过流保护电路。本文的解决方案是在回路中引入合适的限流电阻以抑制打火电流的峰值，同时利用电流互感器测量并采样回路中的电流值，并将测量值发送至控制保护电路，使其迅速地产生关断脉冲，在打火瞬间快速关断调制器，从而实现对调制器与速调管的有效保护。速调管打火时的电流波形如图所示。图速调管打火时调制器输出电流波形从图中可以看出，在以内，调试器输出被及时关断，峰值电流也降为零，这意味着控制保护系统可以迅速有效地控制电流，从而防止调制器与速调管受到不必要的损坏。因为速调管打火电流很大，所以在调制器关断后，速调管的分布电感会产生一个很高的反向电压，并作用在调制器开关上，对此还需要在调制器两端并接箝位电路，从而有效地限制这种反向电压。）调制过流自检电路为了确保调制过流检测电路的正常工作，本文在已有的调制过流检测电路的基础上，添加了调制过流自检电路。这样，在每次速调管开机工作预热阶段，控制保护电路将首先检查一下调制过流保护功能是否良好，保证在实际工作过程中，当发生过流时，可以及时进行保护。在速调管进行预热的时候，控制保护电路会向调制器发送一组自检使能脉冲。调制器在接收到这组自检使能脉冲之后，会发出一个“调制过流”故障信号。控制保护电路在收到这个故障信息之后，会确认它的功能完好，然后再发出复位信号，将故障状态进行复位，并继续进行速调管预热。实验波形在调制器的输出端连接无感电阻负载，将调制器电压加到，在该状态下使用 的高压脉冲探棒测试调制器输出，可测得调制器宽窄状态下的性能。调制器 时 宽脉冲电压波形如图所示，调制器 时 宽脉冲电压波形如图所示。图调制器 时 宽脉冲电压波形把调制器安装在发射机上，把调试器的输出与速调管相连，在发射机满载工作的状态下，使用 互感器测试调试器的工作性能，调制器 时 脉宽的电流波形如图 所示。技术与应用信 息 化 研 究 年月图调制器 时 窄脉冲电压波形图 调制器 时 脉宽电流波形从上述图中可见，此调制器可以适用于具有多种脉冲宽度和重复频率需求的发射机，且调制器输出波形前后沿指标均可以达到。结束语综上所述，该调制器合理运用了 管的串并接和动静态均压电路技术，对原有的驱动、保护和检测等电路进行了部分优化，有效降低调试器的故障发生率，提升了安全性。它具有集成度高、绝缘和散热效果好、性能稳定可靠等优点，可满足发射机在全天候、多地域状态下的使用需求。参考文献魏智著 发射机高压脉冲调制器的设计与实践 北京：电子工业出版社，郑新，李文辉，潘厚忠，等 雷达发射机技术 北京：电子工业出版社，戴广明，田为，钮惠平多注速调管的调制方式电子工程师，（）：黄军，戴广明，田为 几种全固态刚管调制器的对比 现代雷达，（）：何秀华，李网生，田为，等 毫秒级长脉冲调制器技术探索和实现方法 现代雷达，（）：栾镝大功率多注速调管发射机的小型化设计现代雷达，（）：王登峰 大功率高原型发射机的设计 现代雷达，（）：何秀华，王登峰，窦好刚，等 微波大功率发射机的小型化宽脉冲设计 微波学报，（）：黄军，戴广明，田为 全固态刚管调制器 电力电子技术，（）：栾镝，孙荣棣，王军，等 波段大功率宽带速调管车载发射机的设计现代雷达，（）：徐乐乐（），男，工程师，主要研究方向为雷达微波系统集成等。（，）：，“”“”，：；