基于IGBT的固态脉冲调制器设计与实现-电子技术方案|电路图讲解

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。

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。

-电子元器件采购网（www、oneyac、com）是本土元器件目录分销商，采用“小批量、现货、样品”销售模式，致力于满足客户多型号、高质量、快速交付的采购需求。自建高效智能仓储，拥有自营库存超50,000种，提供一站式正品现货采购、个性化解决方案、选项替代等多元化服务。 （本文来源网络整理，目的是传播有用的信息和知识，如有侵权，可联系管理员删除）

任何非同步直流/直流转换器都需要一个所谓的续流二极管。为了优化方案的整体效率，通常倾向于选择低正向电压的肖特基管。很多设计都采用一个转换器设计（网络） 工具推荐的二极管。这并非总是二极管的最优选择。更何况，如果设计工具不考虑热性能和漏电流之间的动态变化，则极有可能发生实际性能有别于设计工具的分析 或模拟出的结果。本文将探讨一些在选择正确的二极管时应仔细考虑的典型参数，以及如何应用这些参数来快速确定选型的正确与否。

检查损耗

图1给出了非同步直流/直流降压转换器的基本框图。D1是所需的肖特基管。左侧是开关S1闭合时（时间为T1）的电流情况，右侧是开关S1打开时（时间为T2）的电流情况。

　　图1：非同步直流/直流降压转换器基本框图。

当时间为T2时，输出电流（Iout）流经D1。所产生的损耗与D1的正向电压（Vfw）和输出电流直接相关。PT2等于Iout*Vfw。显然，我们希望尽可能降低以控制损耗，减少发热。

T1期间，D1处于阻断状态。唯一的电流是反向电流。此电流相对较弱，并且主要由阻断电压或输入电压Vin决定。T1阶段二极管产生的功耗，称为PT1，大致等于Ir*Vin。

对于任何肖特基二极管，在设计时都存在一个取舍。即此设备要么针对低Vf进行优化，要么针对低Ir进行优化。因此，如果选择低Vf，则Ir就较高，反之 亦然。在实际应用设计时，重要的是不仅要观察Vf或Ir的值，还要分析它们在实际操作中会产生什么结果。Vf和Ir都会随温度变化而改变。当温度升 高，Vf会降低，在二极管升温的同时降低了热扩散。但非常不幸的是，Ir会随着二极管温度升高而增加。所以，二极管温度越高，漏电流就越多，内部功耗就越 多，这样就使得二极管温度更高，从而再次增加漏电流，如此循环。

如果坚持采用基本的非同步直流/直流转换器的设计案例，不妨做一个基本 分析以确定二极管内部功耗和由此导致的设备温度。直流/直流转换器的运行占空比与电压输入输出的比值直接相关（DC=Vout/Vin）。电压输入和输出 的比值越低，T2的时间就越长，PT2对整个二极管的功耗影响也就越大。反之亦然，T1越长（或和的比值越高），PT2对总功耗的影响就越小，PT1的作 用就越大。

以两个直流/直流转换器为例，两个都是24V输入电压，但其中一个是18V输出电压而另一个是5V。使用Vin和Vout的比值计算得到占空比，并且使用数据表中的Vf和Ir值计算出二极管内总功率的损失。然后根据总功耗计算出由此导致的二极管温度，并查找在此温度下的Vf和Ir实际数值。最后根据新的二极管温度重新算出内部功耗。这个迭代过程可以重复多次以提高精确度，但如果只想大致表明Vf和Ir的不同取舍所产生的影响，单次迭代就足够了。

设备温度可使用描述热性质的基本热方程计算，和用于描述电压，电流，电阻的计算并无不同。一旦知道了设备的内部功耗（Ptot），就可以用它乘以结点到 环境的热阻（Rtja），计算出设备结点处的温度变化。把它加上环境温度，就得到了该设备在此功耗和环境温度下的最终结点温度。

图2表 示的是分析结果。此例中的计算使用了PMEG3050BEP（优化为低Ir）和PMEG3050EP（优化为低Vf）二极管。输出电流范围为1~3A。这 里比较了低Vf型和低Ir型二极管的温度。初始温度假定为25℃。图中同时给出了Ta（第一次传递温度计算）和Tb（第二次传递）。左侧是5V输出的直流 /直流转换器的结果，右侧是18V输出的直流/直流转换器（两者的输入电压都是24V）。计算时假定Rtja采用基本的200K/W，然后根据占空比进行 调节。肖特基二极管的数据表给出了瞬时热效应曲线，允许设计者根据具体的脉冲占空比（短暂脉冲电流的热效应要优于连续电流）决定实际的热阻。请注意，任何 应用中的二极管总热阻取决于很多因素，布局是其中较为重要的一个。

　　图2：两个直流/直流转换器的分析结果。

在图2中可以发现，在上述两种情况中，在第二次温度传递Tb时，低Vf的二极管开始变热。其中的原理是，在电流一定的情况下，二极管因在T2时产生损耗 而变热。随着二极管温度升高，漏电流If增加，正向电压Vf减少。然而，增加的速度远高于减少的速度。其结果就是二极管内的总功耗增加较快。在较高的输出 电流下PT2也较高，使得PT1增加较快，所以在高电流下斜率较为陡峭。

同样，从中也能看到输入输出电压比的效果。左侧显示的 是5V输出、低占空比直流/直流转换器。占空比较低意味着T2较长，PT2就更多。因此，较多的初始热量导致Ir增加更快，PT1更高。最终结果就是随着 输出电流增加，二极管温度迅速上升。在较高的电流下，可以看到事实上温度已超出了指定范围之外。右侧显示较高的18V输出电压导致更高的占空比，从而抑制 了PT2。二极管内较少的发热量意味着Ir增加较少，因此，PT1和总体温度也都增加较少。

可以得出结论，占空比越高（或者说输出电压和输入电压越接近），二极管的热效应就越佳。例如，如果如前述计算，12V到2.5V的转换器要比12V到5V的转换器更能加重二极管的负担。

热逃逸

以上讨论的随温度升高而增加的效应会带来一个普遍问题，叫作热逃逸。升高的温度会导致温度进一步升高，直到部件损坏。因此，强烈建议在所有设计中彻底检查此现象。

目前常见的做法是对功耗设计进行模拟运行。可以使用标准的模拟工具，也可使用网上常用的模拟工具。仔细检查热效应是非常必要的。对于打算使用的二极管， 极有可能所使用的工具并未采用正确的热模型，或者其热参数（很可能和布局相关）与设计不相符合。很显然，并非每个二极管都一模一样，因而绝对不赞同在模拟 设计时使用“相似”的二极管，然后假定它们的热效应（以及潜在的电效应）也相似。虽然并非总是可行，但在此仍然建议始终制作原型并验证其正确效应。

-电子元器件采购网（www、oneyac、com）是本土元器件目录分销商，采用“小批量、现货、样品”销售模式，致力于满足客户多型号、高质量、快速交付的采购需求。自建高效智能仓储，拥有自营库存超50,000种，提供一站式正品现货采购、个性化解决方案、选项替代等多元化服务。 （本文来源网络整理，目的是传播有用的信息和知识，如有侵权，可联系管理员删除）