IGBT在雷达发射机调制器中的应用

1、I G B T 在雷达发射机调制器中的应用*孙荣棣戴广明(南京电子技术研究所南京210013【摘要】介绍了采用I G B T 作开关的全固态调制器, 并讨论了采用I G B T 的驱动电路和保护电路的设计, 着重介绍了某X 波段气象雷达发射机调制器的设计。【关键词】I G B T ,调制器, 雷达发射机A p p l i c a t i o no f I G B T i nMo d u l a t o r o f R a d a r T r a n s m i t t e rS U N R o n g -d i D A I G u a n g -m i n g(N a n j i n gR e

2、 s e a r c hI n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y N a n j i n g 210013 【A b s t r a c t 】T h i s p a p e r i n t r o d u c e s s w i t c h i n go f a l l -s o l i d -s t a t e m o d u l a t o r u s i n gI G B T a n dd i s c u s s e s t h e d e s i g n m e t h o d s o f d r

3、i v e nc i r c u i t a n dp r o t e c t e dc i r c u i t o f I G B T . D e s i g no f t h e m o d u l a t o r o f t h e Xb a n dw e a t h e r r a d a r t r a n s -m i t t e r i s e m p h a s i z e d. 【K e yw o r d s 】I G B T , m o d u l a t o r , r a d a r t r a n s m i t t e r1概述雷达发射机的调制器一般有三种类型:软性

4、开关调制器、刚性开关调制器和浮动板调制器。对于阴极调制的微波发射管来说, 主要采用软性开关和刚性开关调制器。软性开关调制器主要采用人工线形成脉冲宽度, 应用在脉冲宽度变化不多的发射机中。采用软性开关的调制器要求脉宽有变化时一般采用多组人工线, 即使这样, 在改变脉宽时还存在人工线的切换问题。雷达有多种发射脉冲宽度时, 发射机的调制器只能采用刚性开关调制器。刚性开关调制器又称刚管调制器,刚管调制器关断只受激励器控制, 因此发射机脉宽可瞬时变化。另外刚管调制器还有脉冲顶部平坦和脉冲前后沿好等特点。微波发射管的工作电压较高, 一般为几十千伏, 工作电流也较大, 可达几十安培。在脉冲期间, 要求调制器

5、提供较大的功率往往达到几百千瓦至几兆瓦。因此雷达发射机的调制器长期以来多以电子管为主, 采用的电子管主要有三、四极管。电子管调制器由于电子管的外围电路有偏压、帘栅、阳极等电源, 这些电源是不可缺少体积庞大的高压电源。调制管导通时的管压降较大, 调制器效率较低, 另外由于电子管在真空度变差情况下可能会出现打火等现象, 严重影响雷达发射机的可靠性。电子管阴极的寿命较短, 这也制约着电子管在调制器中的使用。采用全固态的调制器一直是真空管发射机研制中所追求的目标, 但长期以来由于受半导体功率器件的限制, 使得全固态调制器只能在较小的功率范围内使用。目前由于大功率半导体开关器件的出现, 特别是80年代绝

6、缘栅双极晶体管I G B T (i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r 的出现, 使得采用固态开关管做较大功率的调制器成了可能。I G B T 是MO S 与B J T 的复合型功率器件,这种器件属场控功率管, 有着开关速度快、耐压高, 开关功率大, 管压降小等特点, 特别在大功率电源, 电机调速等领域已有较好的应用。目前已有电压达到3300V 、电流达1000A 以上的I G B T 管。I G B T 的开启速度可达100n s, 关断也可达到200n s 。这样的大功率电力电子器件为我们研制全固态的刚性开关调制器

7、提供了必要条件, 采用这种开关管研制的调制器具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高的特点, 且不存在电子管的寿命问题。在这里着重介绍我们新研制的某X 波段气象雷达发射机的调制器, 在该调制器中我们使用了1700V /300A 的I G B T 作为调制器的开关管, 调制器峰值输出功率达到300k W , 平均功率达1. 5k W 。如采用更高耐压的开关管以及多管串联或并联技术可以研制出更大输出功率的调制器, 由此可见, 这种功率器件将在发射机的调制器上有着广阔的应用前景。2002年7月现代雷达第4期*收稿日期:2001-08-182I G B T 作开关的刚管调制器的组成由于发射机的微波发射管的

8、工作电压较高可达几十千伏, 采用I G B T 作为开关的调制器一般要采用脉冲变压器升压。图1是某X 波段全相参脉冲多普勒雷达发射机的调制器原理图。其中C 1为高压电源滤波电容和调制器储能电容。R 1-R 4为泻放电路。D 1、D 2、C 2、R 5组成阻尼吸收网络。D 5为调制管I G B T 。C 3、C 4、R 6、R 7、D 6、D 7为钳位电路和吸收网络。T 1为双绕组脉冲变压器。T 3、T 4为灯丝变压器和中间变压器。G 1为X 波段速调管。D 3、D 4为驱动器过流检测二极管。T 4为过流检测互感器, 其输出至驱动控制板上供过流检测使用。驱动控制板由I G B T 驱动器、调制器

9、保护电路、定时控制电路等组成 。V高压(1 I D S =N T 1 G 1(2 C=I D S ×U(3储能电容器的容量可根据顶降、脉冲宽度和脉冲电流的大小确定, 设顶降为U ,脉宽为, 脉冲电流I D 5, 电容器容量由公式(3 确定。阻尼网络和钳位电路在I G B T 关断时的交流等效电路是并联的, 因为脉冲变压器离调制器较远, 回路的分布电感引起的反电势将不通过阻尼网络, 所以还应采用钳位电路, 钳位电路离I G B T 越近越好, 在我们设计的调制器中将钳位电路设计成印制板直接安装在I G B T 管的管脚上,这样可减小由于分布电感引起的反电势过大现象。阻尼网络的二极管要采

10、用快恢复开关二极管, 二极管的耐压应大于高压电源电压的2倍, 当单管电压不够时可采用串联的方法解决。二极管的电流应考虑负载打火时的情况, 所以应选工作电流与I G B T 相当的二极管。电容和电阻的大小取决于重复频率, 应考虑R C 时常数小于重复周期。由于阻尼电路和钳位电路的二极管的工作电流较大, 而这种大电流二极管最快导通时间也需0. 51µs , 所以还必须设置吸收网络。如不采用吸收网络, I G B T 可能因关断引起的尖峰过压损坏。吸收网络的大小可根据分布电感的大小确定, 一般电容为高频特性较好的电容, 取值范围在0. 010. 1µF内, 电阻应选无感电阻, 取

11、值一般为几欧几百欧内。前后沿、顶降、后沿的等效电路分别见图2、3、4。图中的U 为高压电压, L L 为脉冲变压器漏感, C 0为变压器分布电容, R L 为变压器初级等效负载, L M 为脉冲变压器励磁电感。可根据等效电路分别计算前沿、顶降和后沿。3. 3I G B T 的性能及驱动76第3期孙荣棣等:I G B T 在雷达发射机调制器中的应用 路于大采 我卷3. 5用G P S 为飞行员提供飞行引导海上试飞因无参照物和飞行高度低等因素, 飞行引导难度很大。可利用机载G P S 测量的飞机位置信息为飞行员提供飞行引导。在某型机载雷达设计定型试飞中, 飞行员的几次迷航都是依靠G P S 安全返

12、航的。4结束语选用高精度差分式G P S 作为机载雷达试飞的鉴定基准系统, 在某型雷达设计定型试飞中获得了成功的应用。实际使用表明:G P S 作为机载雷达试飞的鉴定基准系统, 不仅能够快速准确地提供基准数据,而且解决了在目标密集环境中对真实目标的快速识别、试飞数据的有效性判定和低高度的飞行引导等难题。它的优点是获取信息及时, 不受试飞区域的限制, 测量数据可与其他数据源合并进行测试处理。参考文献1王广运, 郭秉义, 李洪涛. 差分G P S 定位技术与应用. 北京:电子工业出版社, 19962陈曦, 王厚基. G P S 定位精度的探讨. 导航,2001(13G J B2137. 8-94.

13、 机载雷达通用规范-飞行验证要求4侯荣.机载雷达探测距离的试飞方法研究. 飞行试验, 2001(25美DK 巴顿. 雷达系统分析. 北京:国防工业出版社, 19856毛士艺,张瑞生, 许伟武等. 脉冲多普勒雷达. 北京:国防工业出版社, 1990侯荣研究员级高级工程师, 1982年毕业于西北工业大学电子工程系雷达专业, 获学士学位。一直从事机载雷达、电子对抗系统、敌我识别系统的试飞研究工作。主持过多个型号的设计定型试飞工作,曾获得委、部级奖多项。王俊成工程师, 1987年毕业于中央电大。一直从事机载雷达、电子对抗系统的试飞研究工作。主持过多个型号的设计定型试飞工作, 曾获得委、部级奖3项。李嘉

14、平工程师, 1989年毕业于南京航空学院电子工程系电子工程专业, 获学士学位。一直从事机载雷达的试飞研究工作, 参加过多个型号的设计定型试飞工作BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB 。(上接第38页本文是作者在雷达信号处理系统工程设计中的一点经验体会, 仅供参考。由于通用D S P 发展很快, 处理性能大大提高, 已能满足雷达信号处理的基本要求。在构造通用雷达信号处理系统时, 选用高速、高性能、并行的通用D S P 作为基本单元,是当前技术发展的一种适宜选择。有了以通用D S P 为基本平台的硬件模块, 下一步就可以考虑以这些硬件

15、模块为单元构造高速、灵活、多处理能力的通用雷达信号处理系统。参考文献1朱子平等. 基于C D S P21060的并行处理. 现代电子, 2000(3 2冯玉琳, 赵保华编著. 软件工程-方法D 工具和实践. 中国科学技术大学出版社, 19923苏涛, 吴顺君, 廖晓群编著. 高性能数字信号处理器与高速实时信号处理. 西安电子科技大学出版社, 19994C D S P -2106E S F C G H I J K L M JNO P Q O R . C P O R S TD K -U V W K J X P W . 产品手册, 19965Y NS 320H 5E I J K L M J G Q

16、V Z K . Y K O J X P J L Q K P JX P W. 产品手册, 1993朱子平1973年生, 工程师, 1995年毕业于安徽大学电子工程与信息科学系无线电专业, 现从事雷达信号处理研究与开发, 已发表论文数篇。(上接第68页 4结束语采用X G B Y 作为开关的调制器具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等特点。本文介绍的E 波段气象雷达发射机的高压电源采用了零电流开关电源, 并且与雷达的主定时同步, 调制器放电时停止充电, 使调制器的输出脉冲幅度稳定度达到了0.04_,发射机的相位噪声达到了72Z B W a F b , 系统经两年的运行, 稳定性、可靠性得到了好评。可以相信, 在雷达发射机调制器