楊景紅，劉志剛，何秀華，戴廣明

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

現(xiàn)代雷達對發(fā)射機的性能要求不斷提高，要求發(fā)射機能夠輸出更加復雜的脈沖波形，如:變化的脈沖重復頻率、脈沖寬度和多種脈沖波形交替組合等。同時，武器裝備的技術發(fā)展要求雷達發(fā)射機必須進行“三化”設計，并要適應各種平臺不同的安裝要求和環(huán)境要求，而小型化調制器能夠適用于地面、車載、艦載等平臺，滿足雷達發(fā)射機實現(xiàn)“三化”設計的要求［1］。調制器為陰極調制類的電真空微波管提供脈沖電子注功率，很大程度上決定了系統(tǒng)的性能和可靠性。調制脈沖的前后沿、時間抖動、脈沖頂部波動、頂部降落和調制脈沖的脈間穩(wěn)定性都與雷達系統(tǒng)的穩(wěn)定度、噪聲和頻譜特性直接相關［2-3］。

根據(jù)某型發(fā)射機的要求，調制器主要技術指標如下:

1)輸出電壓:≥80 kV;

2)輸出電流:≥50 A;

3)脈沖寬度:1 μs～20 μs連續(xù)可調;

4)重復頻率:292 Hz～1 500 Hz。

本文比較了高峰值功率發(fā)射機常用的線型調制器和固態(tài)剛管調制器的電路拓撲及特點，并根據(jù)現(xiàn)代雷達以及高性能發(fā)射機對調制器的要求，研制了小型化高壓固態(tài)脈沖調制器。

1 線型調制器

線型調制器主要由高壓電源、充電電路(如:充點電感L和充電隔離二極管VD1)、脈沖形成網(wǎng)絡(如:人工線PFN1)以及放電開關(如:VT1)等組成，見圖1。

圖1 基本線型調制器原理圖

在線型調制器中，高壓電源通過充電電感L、隔離二極管VD1向人工線PFN1充電，在充電結束時，PFN1被充上大約兩倍于電源的電壓值;放電時，在觸發(fā)脈沖的激勵下，放電開關VT1導通，PFN1通過VT1將能量傳給負載RL。在RL上得到的脈沖電壓幅值近似于電源電壓，其脈沖波形由人工線決定。

現(xiàn)有的輸出微波峰值功率1 MW、平均功率1 kW的單脈沖測量雷達發(fā)射機，其經(jīng)典的調制器一直采用回掃充電體制的線型調制器［4］。這種調制器采用了人工線，體積較大。其輸出脈沖平頂寬度約1 μs時，脈沖前沿約1.7 μs，脈沖后沿約 2.5 μs，窄脈沖時調制器效率很低，見圖2。同時，調制器輸出脈沖寬度由人工線決定，脈沖寬度不能連續(xù)改變，無法滿足該任務需求。

圖2 回掃充電調制器輸出波形

2 直接耦合型全固態(tài)剛管調制器

采用直接耦合型固態(tài)剛管調制器可以滿足脈沖寬度、重復頻率連續(xù)變化的要求［5-6］。固態(tài)剛管調制器包括采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)串并聯(lián)的直接耦合型全固態(tài)剛管調制器以及Marx固態(tài)剛管調制器［7］。

Marx調制器由于采用并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的電路形式，高壓電源和開關工作電壓較低，每一組開關之間相對獨立，對驅動信號的一致性要求不非常嚴格。但Marx電路組成相對復雜［8］，輸出脈沖寬度較窄，重復頻率較低。

直接耦合型全固態(tài)剛管調制器主要由高壓電源E、儲能電容C、開關K1到Kn等組成，見圖3。高壓電源E直接向儲能電容C充電，開關K1到Kn串聯(lián)后串接在儲能電容C和負載RL之間，柵極驅動和控制電路控制所有開關同時導通和關斷，則負載RL上得到高壓調制脈沖，如圖4所示。該類型的調制器輸出脈沖寬度范圍很寬，脈沖前后沿較小，輸出的調制脈沖較好，但對開關導通一致性的要求極高，開關損壞的概率最高［9］。

圖3 直接耦合型全固態(tài)剛管調制器原理圖

圖4 直接耦合型全固態(tài)剛管調制器輸出波形

該型調制器可以工作在大功率、超大功率的發(fā)射機中，如果應用于本任務，顯得大材小用。況且，80 kV的高壓電源和調制器全部要置于變壓器油箱中，體積、質量、可靠性、可維護性都不適合。

3 變壓器耦合型固態(tài)剛管調制器

與直接耦合型全固態(tài)剛管調制器相比，變壓器耦合型固態(tài)剛管調制器在開關K和負載RL之間增加了一個脈沖變壓器T，從而降低了高壓電源E、儲能電容C以及開關K的工作電壓，有助于提高發(fā)射機的安全性和可靠性，見圖5。早期的經(jīng)典變壓器耦合型剛管調制器，為減少變壓器的變比，提高脈沖的性能指標，多采用電子管充當調制開關，質量、體積都不理想。

圖5 變壓器耦合型調制器原理圖

近年，也有使用多個IGBT串聯(lián)替代電子管開關的調制器方案，但初級采用多個開關串并聯(lián)形式，仍要考慮開關的動態(tài)及靜態(tài)均壓、均流等，對開關導通的一致性有較高要求?？紤]到開關的承受能力，變壓器初級脈沖電流約為幾百A，則脈沖變壓器的變比一般小于10，變壓器初級電路需要承受約10 kV～20 kV的電壓。采用該方案，只要脈沖變壓器滿足任務最大脈沖寬度就可以了，在設計范圍內(nèi)，脈沖重復頻率、寬度可以連續(xù)變化，輸出波形可以滿足任務需求，參考輸出波形見圖6。

圖6 變壓器耦合型調制器輸出波形

4 小型化變壓器耦合高壓固態(tài)脈沖調制器

近年來，單個IGBT模塊的功率量級已達1 200 A～1 800 A/1 800 V ～3 300 V［10］。因此，采用大功率 IGBT模塊替代變壓器耦合型調制器中多個串并聯(lián)的開關，極大地簡化了電路設計，設備量少、結構設計簡單、體積小、質量輕。大功率IGBT模塊及其驅動電路的參考電位為低電位端，無須考慮驅動電路的絕緣要求。僅使用單個固態(tài)開關，驅動電路設計非常簡單，并且無須考慮固態(tài)開關的均壓以及導通的一致性，見圖7。

圖7 小型化固態(tài)調制器原理圖

根據(jù)任務要求，調制器輸出電壓80 kV、電流50 A，考慮到安全性和可靠性，采用3 300 V的大功率IGBT模塊時，變壓器初級電壓設計為2 000 V，脈沖變壓器變比1：40，脈沖變壓器初級脈沖電流達2 000 A，調制器最大脈寬20 μs，最高重復頻率1 500 Hz。該設計中，高壓電源、調制組件都直接置于空氣中，采用風冷散熱就可以了。

設計中，為減少漏感和分布電容，要保證脈沖變壓器初級繞組盡量包圍鐵芯，否則，會導致調制脈沖前沿振蕩、波形差，降低發(fā)射機效率。采用多組導線并聯(lián)繞制的方式，可有效改善調制器的輸出波形質量，見圖8。

圖8 小型化固態(tài)調制器輸出波形

在開關管關斷時，脈沖變壓器勵磁電感的儲能會導致較高的反向尖峰電壓，常規(guī)手段是在脈沖變壓器初級并聯(lián)RD阻尼電路，吸收反峰電壓;但這樣脈沖變壓器恢復時間較長，限制了調制器的重復頻率。因此，采用反饋電路，利用脈沖變壓器初級的高壓電源來箝位脈沖變壓器的反峰電壓。這不但解決了寬脈沖和窄脈沖共用一個脈沖變壓器時，反峰電壓和脈沖變壓器恢復時間之間的矛盾，同時，反峰能量又返回至高壓電源，也提高了調制器效率［11］。

5 結束語

本文研制了一種小型化高壓固態(tài)脈沖調制器，采用單個大功率IGBT模塊及脈沖變壓器耦合方式，簡化了電路，減小了設備量。脈沖變壓器初級采用多組導線并聯(lián)繞制，改善了調制器輸出脈沖波形的質量。采用能量回饋電路來箝位脈沖變壓器的反峰電壓，可縮短脈沖變壓器恢復時間，同時，提高調制器的效率。采用該調制器的發(fā)射機性能得到提升，體積大大減小，滿足了任務雷達的先進性、高機動性要求以及發(fā)射機的“三化”設計要求。但受脈沖變壓器的限制，小型化高壓固態(tài)脈沖調制器僅適用于有限脈沖寬度的場合，尤其是高峰值、低平均功率，脈沖寬度、頻率可以連續(xù)變化的場合。

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