基于IGBT的固态脉冲调制器设计与实现：
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。
3 固态调制器硬件组成
对分别以氢闸流管和IGBT为中心所构成的两种脉冲调制器的性能、构造、成本、可维性及可靠性进行比较。
3.1 真空管脉冲调制器
以氢闸流管ZQM1-350／14型为例，其参数为14 000 V／350 A，陶瓷外壳，需要12.6 V／6 A的灯丝电源。其关断时，高压电源经充电电感和变压器的原边给仿真线充电，氢闸流管接通时，仿真线经氢闸流管对变压器原边放电，在变压器的副边产生高压脉冲去调制磁控管。氢闸流调制器的结构如图2所示。
充氢闸流管是由阳极、阴极、栅极（控制栅，有的还具有预点火栅或分压栅等）组成，将所有电极用绝缘外壳密封，利用低压氢气（氘气）作为工作及灭弧绝缘介 质，是离子开关管中的一个分支，将触发脉冲（正极性）加到栅极，使阴-栅间隙产生辉光放电，放电扩展到阳栅间隙导致阳栅间隙击穿导通，使外电路通过阳极- 栅极-阴极放电，而输出脉冲电流，是具有正启动特性的脉冲电真空器件，具有工作电压高，脉冲电流大，触发电压低，脉冲宽度窄，电流上升快，点火稳定等特 点，广泛应用于国防、医疗、高能激光、科学研究等领域或场合。
氢闸流管作为开关时，开关的接通是由控制栅极上施加正触发脉冲来实现的。如果闸流管阳极具有足够高的正向电压，栅极一旦被触发，阳极-阴极之间将迅速导 通，栅极就失去了对放电的控制作用。只有阳极电压降得很低，不足以维持放电电流时，闸流管才会截止。闸流管在放电结束后，要经过一段消电离时间，栅极才能 恢复原来的控制功能。因此，闸流管脉冲调制器形成的脉冲波形顶部抖动、后沿拖长。
况且真空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且体积庞大的高压电源。调制器导通时的管压降较大，调制器效率较低。电子管极间电容的存在很难实现窄脉冲调制。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，也制约着电子管在调制器中的使用。
全固态调制器与电子管调制器相比具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、维修费用低等优点。因此，研究固态调制器是一个极为重要的发展方向。
3.2 固态脉冲调制器
固态脉冲调制器就是以固态开关管IGBT替代电真空管的调制器。IGBT模块采用10只IGBT串联成网络使用，单片机驱动模块利用单片机形成统一的触发脉冲，经驱动模块M57962L同步触发IGBT网络。其结构如图3所示。
该调制器采用充电电感，属于直流谐振充电，其自然谐振周期为：
其中：C0是仿真线的静电容
Tch等于调制器脉冲重复周期T0两倍，即调制器的脉冲重复频率是固定的。因此为了适应雷达工作于多种重复频率的要求，可在充电电路中串入一只二极管，称为充电二极管或保持二极管。这时只要充电电路的Tch值小于最小的脉冲重复周期就行了。
VD2和R1称为过电压保护电路，它的作用是防止仿真线上出现过高的电压而损坏功率管。当仿真线向接近短路的负载放电时，其上的电压会变成负极性，由于 功率管不能反向导电，这个负极性的电压不会消失，在下一个脉冲重复周期充电时，这个电压与电源电压的极性一致，所以仿真线将会充电到一个较高的电压值。如 果这时负载打火并未消失，那么这一过程将会继续下去。在理论上可以证明，仿真线上的电压将会达到电源电压的6倍之多。当电路中接入VD2和R1之后，只要 仿真线上出现负极性电压，就可以通过VD2放掉，从而防止了仿真线上过电压的产生。
R2C2称为反肩峰电路。当仿真线向不匹配的负载放电会在脉冲的前沿引起显著的肩峰。R2C2电路就是为了减小这种肩峰的，其电阻通常选择和负载阻抗相等，而电容的大小可按电路时间常数与脉冲前沿时间大致相当来确定。
功率开关管IGBT采用高速型MG400Q1US41，其参数为1 200V／400A，其参数如图4所示。工程中采用十管串联的方法以适应高电压的要求。驱动模块采用M57962L，其参数为1 200 V／400 A。
十管串联需要保证串联的10个管子同时导通、同时截止，否则先导通或者后截止的管子就因为要承受高电压而击穿，进一步击穿所有的管子，而形成调制器故 障，造成不必要的损失。解决的办法是用单片机产生一路触发脉冲，同时触发驱动模块。因为驱动模块具有较高的输入阻抗，因此单片机的输出电流足够同时触发驱 动模块。10个驱动模块被同时触发，因其延迟的一致性，会使单片机的触发脉冲同时加到10个IGBT的栅极。
根据调制器的要求，由单片机输出一定重复频率的触发脉冲经接口保护电路转换后驱动IGBT的栅极。IGBT在栅极有驱动时接通，无驱动时关断，实现了可控的开关功能。IGBT的动态开关曲线如图5所示。
根据图4所示IGBT参数可知，在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2.4 Ω、TC=25℃、IC=400 A时，ton=0.25μs，toff=0.7μs。从图5的UCE-t曲线图看，IGBT的开关曲线比氢闸流管的开关曲线更好，更适合于作为脉冲调制器的开关管使用。
由于单片机的采用，就可以使调制器的保护采用软件保护，这在减少调制器的体积与重量方面可以做出重大贡献。
单个固态调制器的制造成本比氢闸流管调制器稍高，但是其使用寿命长，也就是说性价比高，况且在性能、构造、可维性及可靠性方面远远胜于氢闸流管调制器。
4 仿真过程及结果
仿真软件使用流行的SIMNLINK。
设触发脉冲周期为2 ms，脉冲宽度为2μs，如图6中的第一示波器（图 的下部），仿真线前端的波形如图6中的第二示波器（图的上部）。由第二示波器可见，当触发脉冲到来时，即IGBT网络导通时，仿真线迅速放电，放电速率为 5 000 V／6μs（即从满电压5 000 V至放电完成时间约为6μs），并且无反冲。当触发脉冲过去时，即IGBT网络断开时，仿真线迅速充电，放电速率为5 000 V／3μs（即从充电开始至满电压5 000 V的时间约为3μs），并且无反冲。
由此可见，由IGBT网络替代的脉冲开关，完全能满足脉冲调制器的要求，其指标远远超过了氢闸流管脉冲调制器。
5 结论
器件固态化是系统发展的趋势，固态脉冲调制器正是在这一趋势的启发下提出来的。所设计的固态脉冲调制器具有结构简单、性价比高的特点，可以快速、方便地对现有雷达的脉冲调制器进行改装。改装成本低、周期短，具有很高的实用价值。
使用电阻控制IGBT开关的方法剖析：
1 前言
用于控制、调节和开关目的的功率半导体器件需要更高的电压和更大的电流。功率半导体器件的开关动作受栅极电容的充放电控制。而栅极电容的充放电通常又受栅极电阻的控制。通过使用典型的+15V控制电压（VG（on）），IGBT导通，负输出电压为-5V～-15V时，IGBT关断。IGBT的动态性能可通过栅极电阻值来调节。栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗及各种其他参数，从电磁干扰EMI到电压和电流的变化率。因此，栅极电阻必须根据具体应用的参数非常仔细地选择和优化。
2 栅极电阻RG对IGBT开关特性的影响
IGBT开关特性的设定可受外部电阻RG的影响。由于IGBT的输入电容在开关期间是变化的，必须被充放电，栅极电阻通过限制导通和关断期间栅极电流（IG）脉冲的幅值来决定充放电时间（见图1）。由于栅极峰值电流的增加，导通和关断的时间将会缩短且开关损耗也会减少。减小RG（on）和RG（off）的阻值会增大栅极峰值电流。当减小栅极电阻的阻值时，需要考虑的是当大电流被过快地切换时所产生的电流上升率di/dt。电路中存在杂散电感在IGBT上产生大的电压尖峰，这一效果可在图2所示的IGBT关断时波形图中观察到。图中的阴影部分显示了关断损耗的相对值。集电极-发射极电压上的瞬间电压尖峰可能会损坏IGBT，特别是在短路关断操作的情况下，因为di/dt比较大。可通过增加栅极电阻的值来减小Vstray。因此，消除了由于过电压而带来的IGBT被损毁的风险。快速的导通和关断会分别带来较高的dv/dt和di/dt，因此会产生更多的电磁干扰（EMI），从而可能导致电路故障。表1显示不同的栅极电阻值对di/dt的影响。
3 对续流二极管开关特性的影响
续流二极管的开关特性也受栅极电阻的影响，并限制栅极阻抗的最小值。这意味着IGBT的导通开关速度只能提高到一个与所用续流二极管反向恢复特性相兼容的水平。栅极电阻的减小不仅增大了IGBT的过电压应力，而且由于IGBT模块中diC/dt的增大，也增大了续流二极管的过压极限。通过使用特殊设计和优化的带软恢复功能的CAL（可控轴向寿命）二极管，使得反向峰值电流减小，从而使桥路中IGBT的导通电流减小。
4 驱动器输出级的设计
栅极驱动电路的驱动器输出级是一种典型的设计，采用了两个按图腾柱形式配置的MOSFET，如图3所示。两个MOSFET的栅极由相同的信号驱动。当信号为高电平时，N通道MOSFET导通，当信号为低电平时，P通道MOSFET导通，从而产生了两个器件推挽输出的配置。MOSFET的输出级可有一路或两路输出。据此可实现具有一个或两个栅极电阻（导通，关断）的用于对称或不对称栅极控制的解决方案。
5 栅极电阻的计算
对于低开关损耗，无IGBT模块振荡，低二极管反向恢复峰值电流和最大dv/dt限制，栅极电阻必须体现出最佳的开关特性。通常在应用中，额定电流大的IGBT模块将采用较小的栅极电阻驱动；同样的，额定电流小的IGBT模块，将需要较大的栅极电阻。也就是说，IGBT数据手册中所给的电阻值必须为每个设计而优化。IGBT数据手册指定了栅极电阻值。然而，最优的栅极电阻值一般介于数据手册所列值和其两倍之间。IGBT数据手册中所指定的值是最小值。在指定条件下，两倍于额定电流可被安全地关断。在实际中，由于测试电路和各个应用参数的差异，IGBT数据手册中的栅极电阻值往往不一定是最佳值。上面提到的大概的电阻值（即两倍的数据表值）可被作为优化的起点，以相应地减少栅级电阻值。确定最优值的唯一途径是测试和衡量最终系统，使应用中的寄生电感最小很重要。这对于保持IGBT的关断过电压在数据手册的指定范围内是必要的，特别是在短路情况下。栅极电阻决定栅极峰值电流IGM。增大栅极峰值电流将减少导通和关断时间，以及开关损耗。栅极峰值电流的最大值和栅极电阻的最小值分别由驱动器输出级的性能决定。
6 设计、布局和疑难解答
为了能够经受住应用中出现的大负载，栅极电阻必须满足一定的性能要求并具有一定的特性。由于栅极电阻上的大负载，建议使用电阻并联的形式。这将产生一个冗余，如果一个栅极电阻损坏，系统可临时运行，但开关损耗较大。选择错误的栅极电阻，可能会导致问题和不希望的结果。所选的栅极电阻值太大，将导致损耗过大，应减小栅极电阻值。过高的栅极电阻值可能会导致IGBT在开关期间长时间运行在线性模式下，最终导致栅极振荡。然而，万一电阻的功耗和峰值功率能力不够，或者使用了非防浪涌电阻，都会导致栅极电阻过热或烧毁。运行期间，栅极电阻不得不承受连续的脉冲电流，因此，栅极电阻必须具有一定的峰值功率能力。使用非常小的栅极电阻，会带来更高的dv/dt 或di/dt，但也可能会导致EMI噪声。
应用（直流环节）中的电感过大或者使用的栅极电阻小，将导致更大的di/dt，从而产生过大的IGBT电压尖峰。因此，应尽量减小电感或者增大栅极电阻值。为减小短路时的电压尖峰，可使用软关断电路，它可以更缓慢地关断IGBT。栅极电阻和IGBT模块之间的距离应尽可能短。如果栅极电阻和IGBT模块之间的连线过长，将会在栅极-发射极的通道上产生较大的电感。结合IGBT的输入电容，该线路电感将形成一个LC振荡电路。可简单地通过缩短连线或者用比最小栅极电阻值RG（min）≥2√Lwire/Cies大的栅极电阻来衰减这种振荡。