中心議題：

• 脈衝調製器的結構
• 開關器件的比較
• 固態調製器硬件組成
•  固態調製器仿真過程及結構

在雷達發射機脈衝調製器中
，廣泛采用的是電真空管作為開關管。這種結構的脈衝調製器具有配套技術複雜、造價高
、使用壽命短等缺點
，尤其是其不適用於大功率、高重複頻率等工作場合的缺陷，使其已經遠遠不能滿足現代雷達的複雜信號處理的需求。

隨著電力電子技術的快速發展

，新型功率開關器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)迅速占領了市場，滿足了人們把大功率

、超高頻率開關元件實現固態化的期望，有著完全取代電真空管的趨勢。這也為在雷達發射機脈衝調製器中采用IGBT作為開關管以替代電真空管奠定了理論和實踐基礎。

1 脈衝調製器的結構

根據脈衝調製器的任務，它基本由下列3部分組成：電源部分
、能量儲存部分
、脈衝形成部分。其結構如圖1所示。

電源部分的作用是把初級電源(例如市電)bianhuanchengfuheyaoqiudezhiliudianyuan。zhiliudianyuanbaokuodiyadianyuanhegaoyadianyuanliangzhong，diyadianyuangonggeitiaozhimaichongyuchulidianlushiyong
，gaoyadianyuangonggeitiaozhimaichongxingchengdianlushiyong。

能neng量liang儲chu存cun部bu分fen的de作zuo用yong是shi為wei了le降jiang低di對dui於yu電dian源yuan部bu分fen的de高gao峰feng值zhi功gong率lv要yao求qiu。因yin為wei脈mai衝chong調tiao製zhi器qi是shi在zai短duan促cu的de脈mai衝chong期qi間jian給gei射she頻pin發fa生sheng器qi提ti能neng量liang的de
，而er在zai較jiao長chang的de脈mai衝chong間jian歇xie期qi間jian停ting止zhi工gong作zuo，因yin此ci為wei了le有you效xiao地di利li用yong電dian源yuan功gong率lv，可ke以yi采cai用yong儲chu能neng元yuan件jian在zai脈mai衝chong間jian歇xie期qi間jian把ba電dian源yuan送song來lai的de能neng量liang儲chu存cun起qi來lai，等deng到dao脈mai衝chong期qi間jian再zai把ba儲chu存cun的de能neng量liang放fang出chu，交jiao給gei射she頻pin發fa生sheng器qi。常chang用yong的de儲chu能neng元yuan件jian有you電dian容rong器qi和he人ren工gong線xian(或稱仿真線)。

脈衝形成部分是利用一個開關，控製儲能元件對負載(射頻發生器)放電，以提供電壓、功率、脈衝寬度及脈衝波形等都滿足要求的視頻脈衝。常用的開關元件有真空三、四極管、氫閘流管、半導體開關元件(可控矽元件)和具有非線性電感的磁開關等。

真空管的通斷可由柵極電壓控製，通斷利索，這種開關稱為剛性開關
，對應的調製器稱為剛性調製器。氫閘流管、半(ban)導(dao)體(ti)開(kai)關(guan)元(yuan)件(jian)和(he)具(ju)有(you)非(fei)線(xian)性(xing)電(dian)感(gan)的(de)磁(ci)開(kai)關(guan)則(ze)隻(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)其(qi)導(dao)通(tong)

，而(er)不(bu)能(neng)控(kong)製(zhi)其(qi)關(guan)斷(duan)
，這(zhe)種(zhong)開(kai)關(guan)元(yuan)件(jian)稱(cheng)為(wei)軟(ruan)性(xing)開(kai)關(guan)，對(dui)應(ying)的(de)調(tiao)製(zhi)器(qi)稱(cheng)為(wei)軟(ruan)性(xing)調(tiao)製(zhi)器(qi)。

2 開關器件的比較

對傳統的電真空器件(氫閘流管)和現代電力電子器件IGBT的電氣性能進行比較。

2．1 傳統電真空管器件
以真空三、四極管為調製開關的剛性調製器適應能力強，能適應各種波形
、重複頻率的要求
，但這也是以體積、重量、結構和成本為代價的。為彌補自身不足以適應各種工作需要，剛性調製器又分為多種類型，但都避免不了其功率小、效率低的缺陷。

以氫閘流管為開關元件的軟性調製器雖能克服剛性調製器的不足，但自身的缺陷也很突出，主要表現為：1)脈衝波形頂部抖動、後沿拖長；2)對負載阻抗的適應性差
；3)對波形的適應性也差。

可見軟性調製器隻能適應於精度要求不高、波形要求不嚴格的大功率雷達中。並且不管是剛性還是軟性調製器，其結構的複雜都使其可靠性降低
，並且維修難度大。

2．2 現代電力電子器件
kaiguanyuanjiandegutaihuashifazhandedaqushi
，youqishidianlidianziqijianzaiyouchuantongxingxiangxiandaixingzhuanbianyihou
，xuduoxinxingdeqijianxunsuyingyongyuzhezhongdianlizhuanhuanlingyu。shangshijijiushiniandaicaixianshenshichangdejueyuanzhashuangjijingtiguanIGBT已成為現代電力電子器件發展的領頭軍，型號齊全，已經出現了由IGBT組成的功能完善的智能化功率模塊IPM。

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管是一種工作原理複雜的集成半導體器件。在結構上，集成了所有半導體器件的基本結構。如二極管
、BJT
、結型場效應管JFET、MOSFET
、SCR。工藝上利用MOS工藝進行大麵積功率集成，單元胞的體積越來越小，單元胞的數量越來越多。IGBT經過20年的發展，技術越來越成熟，功能越來越強大。從原來的平麵柵型到溝槽型，又發展到非穿通型
，直至現在的電場截至型．達到了6 000 V／600 A

，通態壓降1．3 V，開關頻率達到納秒級。

IGBT在大量產品中的良好表現，證明其是一種良好的功率開關器件。其主要優點表現在開關頻率高
、承載功率大
、通態壓降低、du／dt和di／dt耐量高、動態性能高

、反向恢複快等

，這些性能特點使其特別適應於在高頻、大功率電路中出任開關器件的重任。
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3 固態調製器硬件組成

對分別以氫閘流管和IGBT為中心所構成的兩種脈衝調製器的性能、構造、成本、可維性及可靠性進行比較。

3．1 真空管脈衝調製器
以氫閘流管ZQM1-350／14型為例
，其參數為14 000 V／350 A，陶瓷外殼
，需要12．6 V／6 Adedengsidianyuan。qiguanduanshi，gaoyadianyuanjingchongdiandianganhebianyaqideyuanbiangeifangzhenxianchongdian，qingzhaliuguanjietongshi

，fangzhenxianjingqingzhaliuguanduibianyaqiyuanbianfangdian，zaibianyaqidefubianchanshenggaoyamaichongqutiaozhicikongguan。qingzhaliutiaozhiqidejiegourutu2所示。

充氫閘流管是由陽極、陰極
、柵極(控製柵，有的還具有預點火柵或分壓柵等)組成，將所有電極用絕緣外殼密封，利用低壓氫氣(氘氣)作為工作及滅弧絕緣介質
，是離子開關管中的一個分支，將觸發脈衝(正極性)加到柵極，使陰-柵間隙產生輝光放電，放電擴展到陽柵間隙導致陽柵間隙擊穿導通
，使外電路通過陽極-柵極-陰(yin)極(ji)放(fang)電(dian)
，而(er)輸(shu)出(chu)脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)
，是(shi)具(ju)有(you)正(zheng)啟(qi)動(dong)特(te)性(xing)的(de)脈(mai)衝(chong)電(dian)真(zhen)空(kong)器(qi)件(jian)，具(ju)有(you)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)高(gao)
，脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)大(da)，觸(chu)發(fa)電(dian)壓(ya)低(di)

，脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)窄(zhai)


，電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)快(kuai)，點(dian)火(huo)穩(wen)定(ding)等(deng)特(te)點(dian)，廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)國(guo)防(fang)、醫療
、高能激光
、科學研究等領域或場合。

qingzhaliuguanzuoweikaiguanshi，kaiguandejietongshiyoukongzhizhajishangshijiazhengchufamaichonglaishixiande。ruguozhaliuguanyangjijuyouzugougaodezhengxiangdianya
，zhajiyidanbeichufa
，yangji-陰(yin)極(ji)之(zhi)間(jian)將(jiang)迅(xun)速(su)導(dao)通(tong)
，柵(zha)極(ji)就(jiu)失(shi)去(qu)了(le)對(dui)放(fang)電(dian)的(de)控(kong)製(zhi)作(zuo)用(yong)。隻(zhi)有(you)陽(yang)極(ji)電(dian)壓(ya)降(jiang)得(de)很(hen)低(di)，不(bu)足(zu)以(yi)維(wei)持(chi)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)時(shi)，閘(zha)流(liu)管(guan)才(cai)會(hui)截(jie)止(zhi)。閘(zha)流(liu)管(guan)在(zai)放(fang)電(dian)結(jie)束(shu)後(hou)，要(yao)經(jing)過(guo)一(yi)段(duan)消(xiao)電(dian)離(li)時(shi)間(jian)，柵(zha)極(ji)才(cai)能(neng)恢(hui)複(fu)原(yuan)來(lai)的(de)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)。因(yin)此(ci)
，閘(zha)流(liu)管(guan)脈(mai)衝(chong)調(tiao)製(zhi)器(qi)形(xing)成(cheng)的(de)脈(mai)衝(chong)波(bo)形(xing)頂(ding)部(bu)抖(dou)動(dong)、後沿拖長。

況且真空管調製器由於電子管的外圍電路有偏壓
、簾柵、陽(yang)極(ji)等(deng)電(dian)源(yuan)
，這(zhe)些(xie)電(dian)源(yuan)是(shi)不(bu)可(ke)缺(que)少(shao)且(qie)體(ti)積(ji)龐(pang)大(da)的(de)高(gao)壓(ya)電(dian)源(yuan)。調(tiao)製(zhi)器(qi)導(dao)通(tong)時(shi)的(de)管(guan)壓(ya)降(jiang)較(jiao)大(da)，調(tiao)製(zhi)器(qi)效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)。電(dian)子(zi)管(guan)極(ji)間(jian)電(dian)容(rong)的(de)存(cun)在(zai)很(hen)難(nan)實(shi)現(xian)窄(zhai)脈(mai)衝(chong)調(tiao)製(zhi)。另(ling)外(wai)由(you)於(yu)電(dian)子(zi)管(guan)在(zai)真(zhen)空(kong)度(du)變(bian)差(cha)情(qing)況(kuang)下(xia)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)打(da)火(huo)等(deng)現(xian)象(xiang)，嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)雷(lei)達(da)發(fa)射(she)機(ji)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。電(dian)子(zi)管(guan)陰(yin)極(ji)的(de)壽(shou)命(ming)較(jiao)短(duan)
，也(ye)製(zhi)約(yue)著(zhe)電(dian)子(zi)管(guan)在(zai)調(tiao)製(zhi)器(qi)中(zhong)的(de)使(shi)用(yong)。

全固態調製器與電子管調製器相比具有效率高、體積小
、重量輕、可靠性高、壽命長、維修費用低等優點。因此，研究固態調製器是一個極為重要的發展方向。

3．2 固態脈衝調製器
固態脈衝調製器就是以固態開關管IGBT替代電真空管的調製器。IGBT模塊采用10隻IGBT串聯成網絡使用，單片機驅動模塊利用單片機形成統一的觸發脈衝
，經驅動模塊M57962L同步觸發IGBT網絡。其結構如圖3所示。

該調製器采用充電電感，屬於直流諧振充電
，其自然諧振周期為：

其中：C0是仿真線的靜電容

Tch等於調製器脈衝重複周期T0兩(liang)倍(bei)，即(ji)調(tiao)製(zhi)器(qi)的(de)脈(mai)衝(chong)重(zhong)複(fu)頻(pin)率(lv)是(shi)固(gu)定(ding)的(de)。因(yin)此(ci)為(wei)了(le)適(shi)應(ying)雷(lei)達(da)工(gong)作(zuo)於(yu)多(duo)種(zhong)重(zhong)複(fu)頻(pin)率(lv)的(de)要(yao)求(qiu)
，可(ke)在(zai)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)中(zhong)串(chuan)入(ru)一(yi)隻(zhi)二(er)極(ji)管(guan)
，稱(cheng)為(wei)充(chong)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)或(huo)保(bao)持(chi)二(er)極(ji)管(guan)。這(zhe)時(shi)隻(zhi)要(yao)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)的(de)Tch值小於最小的脈衝重複周期就行了。

VD2和R1稱(cheng)為(wei)過(guo)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)
，它(ta)的(de)作(zuo)用(yong)是(shi)防(fang)止(zhi)仿(fang)真(zhen)線(xian)上(shang)出(chu)現(xian)過(guo)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)而(er)損(sun)壞(huai)功(gong)率(lv)管(guan)。當(dang)仿(fang)真(zhen)線(xian)向(xiang)接(jie)近(jin)短(duan)路(lu)的(de)負(fu)載(zai)放(fang)電(dian)時(shi)，其(qi)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)會(hui)變(bian)成(cheng)負(fu)極(ji)性(xing)，由(you)於(yu)功(gong)率(lv)管(guan)不(bu)能(neng)反(fan)向(xiang)導(dao)電(dian)

，這(zhe)個(ge)負(fu)極(ji)性(xing)的(de)電(dian)壓(ya)不(bu)會(hui)消(xiao)失(shi)
，在(zai)下(xia)一(yi)個(ge)脈(mai)衝(chong)重(zhong)複(fu)周(zhou)期(qi)充(chong)電(dian)時(shi)，這(zhe)個(ge)電(dian)壓(ya)與(yu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)極(ji)性(xing)一(yi)致(zhi)，所(suo)以(yi)仿(fang)真(zhen)線(xian)將(jiang)會(hui)充(chong)電(dian)到(dao)一(yi)個(ge)較(jiao)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)值(zhi)。如(ru)果(guo)這(zhe)時(shi)負(fu)載(zai)打(da)火(huo)並(bing)未(wei)消(xiao)失(shi)，那(na)麼(me)這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)將(jiang)會(hui)繼(ji)續(xu)下(xia)去(qu)。在(zai)理(li)論(lun)上(shang)可(ke)以(yi)證(zheng)明(ming)，仿(fang)真(zhen)線(xian)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)將(jiang)會(hui)達(da)到(dao)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)6倍之多。當電路中接入VD2和R1之後，隻要仿真線上出現負極性電壓，就可以通過VD2放掉，從而防止了仿真線上過電壓的產生。
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R2C2稱為反肩峰電路。當仿真線向不匹配的負載放電會在脈衝的前沿引起顯著的肩峰。R2C2電路就是為了減小這種肩峰的，其電阻通常選擇和負載阻抗相等，而電容的大小可按電路時間常數與脈衝前沿時間大致相當來確定。

功率開關管IGBT采用高速型MG400Q1US41

，其參數為1 200V／400A

，其參數如圖4所示。工程中采用十管串聯的方法以適應高電壓的要求。驅動模塊采用M57962L，其參數為1 200 V／400 A。

十管串聯需要保證串聯的10個管子同時導通、同tong時shi截jie止zhi，否fou則ze先xian導dao通tong或huo者zhe後hou截jie止zhi的de管guan子zi就jiu因yin為wei要yao承cheng受shou高gao電dian壓ya而er擊ji穿chuan，進jin一yi步bu擊ji穿chuan所suo有you的de管guan子zi
，而er形xing成cheng調tiao製zhi器qi故gu障zhang，造zao成cheng不bu必bi要yao的de損sun失shi。解jie決jue的de辦ban法fa是shi用yong單dan片pian機ji產chan生sheng一yi路lu觸chu發fa脈mai衝chong，同tong時shi觸chu發fa驅qu動dong模mo塊kuai。因yin為wei驅qu動dong模mo塊kuai具ju有you較jiao高gao的de輸shu入ru阻zu抗kang，因yin此ci單dan片pian機ji的de輸shu出chu電dian流liu足zu夠gou同tong時shi觸chu發fa驅qu動dong模mo塊kuai。10個驅動模塊被同時觸發，因其延遲的一致性，會使單片機的觸發脈衝同時加到10個IGBT的柵極。

根據調製器的要求，由單片機輸出一定重複頻率的觸發脈衝經接口保護電路轉換後驅動IGBT的柵極。IGBT在柵極有驅動時接通，無驅動時關斷，實現了可控的開關功能。IGBT的動態開關曲線如圖5所示。
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根據圖4所示IGBT參數可知，在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2．4 Ω
、TC=25℃、IC=400 A時，ton=0．25μs，toff=0．7μs。從圖5的UCE-t曲線圖看，IGBT的開關曲線比氫閘流管的開關曲線更好，更適合於作為脈衝調製器的開關管使用。

由於單片機的采用，就可以使調製器的保護采用軟件保護，這在減少調製器的體積與重量方麵可以做出重大貢獻。

單個固態調製器的製造成本比氫閘流管調製器稍高，但是其使用壽命長，也就是說性價比高，況且在性能、構造
、可維性及可靠性方麵遠遠勝於氫閘流管調製器。

4 仿真過程及結果

仿真軟件使用流行的SIMNLINK。

設觸發脈衝周期為2 ms
，脈衝寬度為2μs，如圖6中的第一示波器(圖的下部)，仿真線前端的波形如圖6中的第二示波器(圖的上部)。由第二示波器可見，當觸發脈衝到來時
，即IGBT網絡導通時
，仿真線迅速放電，放電速率為5 000 V／6μs(即從滿電壓5 000 V至放電完成時間約為6μs)
，並且無反衝。當觸發脈衝過去時，即IGBT網絡斷開時，仿真線迅速充電，放電速率為5 000 V／3μs(即從充電開始至滿電壓5 000 V的時間約為3μs)
，並且無反衝。

由此可見
，由IGBT網絡替代的脈衝開關，完全能滿足脈衝調製器的要求，其指標遠遠超過了氫閘流管脈衝調製器。

5 結論

器件固態化是係統發展的趨勢，固態脈衝調製器正是在這一趨勢的啟發下提出來的。所設計的固態脈衝調製器具有結構簡單
、性價比高的特點
，可以快速、方便地對現有雷達的脈衝調製器進行改裝。改裝成本低、周期短，具有很高的實用價值。