CN101964646A - 一种浮动栅极调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了浮动栅极调制器，该浮动栅极调制器在隔离变压器和脉冲整形驱动模块之间增加漏感尖峰吸收单元，能够吸收隔离变压器输出信号中的漏感尖峰，从而避免使用制作相对复杂、体积大、成本较高的低漏感变压器，从而有利于降低了浮动栅极调制器的成本和体积。本发明不在主开关管外部连接额外的电容，而是利用大阻值的泄放电阻R9和主开关管中固有的分布电容相结合，维持主开关管的导通电平，从而减小了浮动栅极调制器的体积。本发明采用驱动器IR2110实现信号驱动，利用了器件本身的延时特性，从而减少主开关管和截尾开关管的共同导通时间，从而降低电路损耗，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于通信、制导和电子对抗设备应用的积木式功率组件的浮动栅极调制器，也可应用于其他电真空放大器的浮动栅极调制器。
背景技术
微波功率模块是一种主要用于微波数据链通信、雷达、电子对抗和制导仪器等电子系统设备中的积木式功率组件。在宽带微波功率模块中高功率放大器采用了微型行波管(VPB)，控制VPB工作的浮动栅极调制器就成为微波功率模块的重要组成部分，微波功率模块的主要技术指标与应用要求均与浮动栅极调制器的技术实现与技术指标相关。
图1为目前浮动栅极调制器包括信号产生单元、隔离变压器、脉冲整形单元、电阻1、电阻2、C1、电阻网络、电源单元，以及采用VDMOS实现的主开关管V5和截尾开关管V6；其中，
信号产生单元，从行波管栅极触发脉冲中提取触发脉冲的前沿和后沿，产生包括前沿脉冲和后沿脉冲的主开关管控制信号，主开关管控制信号中的前沿脉冲和后沿脉冲分别输出到隔离变压器T1的两输入端；产生包括后沿脉冲的截尾开关管控制信号，截尾开关管控制信号的后沿脉冲输出到隔离变压器T2的一输入端。
脉冲整形单元对来自隔离变压器T1进行整形处理后施加在主开关管V5的栅极和源极；主开关管的源极和漏极之间接电阻1。截尾开关管控制信号施加在截尾开关管V6的栅极和源极，截尾开关管的源极和漏极之间接电阻2。主开关管的源极和栅极之间并联电容C1。主开关管的源极和截尾开关管的漏极之间接电阻网络，令主开关管和截尾开关管同时导通时，将二者之间的能量消耗在电阻网络。主开关管的源极接行波管的栅控端g，进而提供行波管的栅控信号。电源模块加在主开关管的漏极和截尾开关管的源极之间。
该浮动栅极调制器的工作方式为：主开关管控制信号的前沿控制主开关管的导通，导通后通过电容C1保持高电平，以维持主开关管的导通，后沿控制主开关管的关断。截尾前沿控制主开关管的后沿脉冲控制截尾开关管的导通并在后沿脉冲结束后关断，截尾开关管的导通改善输出到行波管栅极的脉冲后沿，令其后沿变陡。
但是，从图1的结构中可以看出，如果没有特殊处理，主开关管控制信号的后沿和截尾开关管控制信号的后沿开始时刻相同，那么在施加到主开关管和截尾开关管时，主开关管和截尾开关管同时导通的时间大致相同且比较长，使得电路损耗变大。
其次，隔离变压器存在漏感，漏感的存在会使得输出信号产生漏感尖峰，如果漏感较大，且没有采取措施，则会导致开关管的误动作。为了减小漏感，可以使用采用常规减小漏感方式绕制的变压器，但这种变压器的制作相对复杂，会增加成本，且低漏感的变压器也会造成体积变大的缺陷，无法小型化集成。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种浮动栅极调制器，能够减小主开关管和截尾开关管的同时导通时间，在不增加体积和成本的前提下，避免漏感尖峰导致的开关管误动作。
该浮动栅极调制器包括：前后沿分离电路、驱动和延时电路1、驱动和延时电路2、隔离变压器T1、隔离变压器T2和调制电路；其中，
前后沿分离电路，从行波管栅极触发脉冲中提取触发脉冲的前沿和后沿，形成前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号；将前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号作为主开关管控制信号输入到驱动和延时电路1，将后沿负脉冲信号作为截尾开关管控制信号输入到驱动和延时电路2；
驱动和延时电路1，对前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号进行延时和驱动后，分别输出到隔离变压器T1的两输入端；
驱动和延时电路2，对后沿负脉冲信号进行延时和驱动后，输出到隔离变压器T2的一输入端。驱动和延时电路2对后沿负脉冲信号的延时时间稍长于驱动和延时电路1对后沿负脉冲信号的延时时间，但是两个延时时间之差不能大于后沿负脉冲的脉宽，使得主开关管的关断脉冲提前于截尾开关管的关断脉冲，且令主开关管和截尾开关管二者之间存在同时导通时间。
为了减小前后沿分离电路的信号延时，使用7个TTL与非门作为前后沿分离电路的主要元件。行波管栅极触发脉冲同时输入与非门D1D的两输入端，D1D输出端通过阻容网络接D1A的一输入端，还直接接D1C的两输入端以及D1B的一输入端；D1C的输出端通过阻容网络接D1B的另一输入端，还直接输入到D1A的另一输入端；D1A的输出端接D2A的两输入端；D2A的输出端输出前沿负脉冲给驱动和延时电路1；D1B的输出端分两路，一路接D2B的两输入端，另一路接D2C的两输入端；D2B的输出端输出后沿负脉冲给驱动和延时电路1；D2C的输出端输出后沿负脉冲给驱动和延时电路2。
驱动和延时电路1和驱动和延时电路2均采用驱动芯片IR2110，分别为N7和N8。一个IR2110芯片可以对两路信号进行驱动，但是两路输出端自身具有约100ns的传输延时差，本发明即可以利用给时差得到稍稍提前的主开关管控制信号的后沿脉冲，从而达到减小主开关管和截尾开关管同时导通时长的效果。
具体来说，前后沿分离电路分离出来的前沿负脉冲接入IR2110(N7)的高输入端Hin，后沿负脉冲接入IR2110(N7)的低输入端Lin；后沿负脉冲进一步接入IR2110(N8)的高输入端Hin。
IR2110N7的高输出端HO通过隔直电容C4接隔离变压器T1的一输入端，IR2110 N7的低输出端LO接隔离变压器T1的另一输入端。IR2110 N8的HO通过限流电阻R59接隔离变压器T2的一输入端，IR2110 N8的LO接隔离变压器T2的另一输入端。由于IR2110芯片从Hin端口输入的信号经处理后输出，其延时量大于从Lin端口输入的信号，其延时量为100ns。那么主开关管控制信号的后沿脉冲将提前于截尾开关管控制信号的后沿脉冲，从而减少主开关管和截尾开关管的共同导通时间。
调制电路包括漏感尖峰吸收电路、脉冲整形和快关断电路、泄放电阻R9和R7、主开关管V5、截尾开关管V6、电阻网络3和电源单元。
R1、R2和R3构成主开关管的漏感尖峰吸收电路。具体为：在隔离变压器T1两输出线路之间并联电阻R1和R2，隔离变压器T1其中一条输出线路通过串联电阻R3接入脉冲整形和快关断电路；隔离变压器T1的另一条输出线路直接接入脉冲整形和快关断电路。
脉冲整形和快关断电路中，相互串联的二极管V2和V3构成整形电路，二极管V1、三极管V4、电容C1*和电阻R8构成快关断电路。具体为：R3未连接T1的一端连接V2的阳极，V2的阴极连接V3的阳极，V3的阴极连接主开关管V5的栅极，V2阳极连接V1阴极，V1阴极连接V4发射极，V4集电极连接V3阴极，V4基极通过并联在一起的R8和C1*连接隔离变压器未连R3的一端和主开关管V5的源极；在主开关管V5的源极和栅极之间并联R9，R9为泄放电阻，阻值为兆欧级，从而与主开关管的输入电容(为主开关管的分布参数)结合维持主开关管开通高电平，而不需要另外增加电容。
R4、R5和R6构成截尾开关管的漏感尖峰吸收电路。具体为：隔离变压器T2两输出线路之间并联电阻R4和R5，T2一端通过R6连接截尾开关管V6的栅极，T2另一端直接接入截尾开关管V6的源极。此外，截尾开关管的栅极和源极之间并联泄放电阻R7，R7的阻值较小，为欧姆级，例如可以选取几百欧姆。
主开关管V5的漏极和源极之间连接电阻网络1，电阻网络1由串联的多个电阻组成，用于形成电压偏置，该电阻网络1为可选组成部件。截尾开关管V6的漏极和源极之间连接电阻网络2，电阻网络2由串联的多个电阻组成，为可选组成部件。
主开关管V5的源极和截尾开关管V6的漏极之间连接电阻网络3，电阻网络3作为负载，在主开关管和截尾开关管共同导通时，限制二者之间的能量。电阻网络3的总阻值比较小，为欧姆级，不超过1K，本发明一实施例中采用9个电阻通过串联和并联组成，9个电阻平分为三组，每组内的三个电阻并联，三组相互串联。
主开关管V5的源极通过电阻R12连接行波管的栅极，R12可以采用无感电阻，能够承受瞬间大电流。
主开关管V5的源极还通过放电管连接行波管的阴极K，以保护行波管的栅极。
主开关管的漏极和截尾开关的源极分别连接电源单元的正负端。在一实施例中，电源单元包括两组电源，两组电源串联，两组电源的串联连接处与行波管阴极K相连。此外，还可以为每组电源设置滤波电容Cx1和Cx2。
上述浮动栅极调制器的工作方式为：
控制脉冲经过前后沿分离单元的处理后，得到前沿脉冲和后沿脉冲；前沿脉冲和后沿脉冲共同进入IR2110N7，后沿脉冲还进一步进入IR2110N8，经IR2110的处理后，主开关管控制信号的关断脉冲与截尾开关管的导通脉冲之间形成100ns的延时，且具有同时导通时间，由于IR2110的延迟处理，使得同时导通时间比现有技术所产生的共同导通时间短。
主开关管控制信号的前沿控制主开关管的导通，导通后通过主开关管的输入电容保持高电平，维持开关管的导通，后沿控制主开关管的关断。截尾开关管控制信号的后沿脉冲控制截尾开关管的导通并在后沿脉冲结束后关断，截尾开关管的导通能够改善输出到行波管栅极的脉冲后沿，令其后沿变陡。
在快关断电路部分，当T1输出关断脉冲时，加速电容C1*形成浪涌电流，加速V4的快速导通，令主开关管通过V4、V1、R3、T1形成回路，迅速泄放电荷，从而实现快速关断。
有益效果：
1、在隔离变压器和脉冲整形驱动模块之间增加漏感尖峰吸收单元，能够吸收隔离变压器输出信号中的漏感尖峰，从而避免使用制作相对复杂、体积大、成本较高的低漏感变压器，从而有利于降低浮动栅极调制器的成本和体积。
2、本发明不在主开关管外部连接额外的电容，而是利用大阻值的R9和主开关管中固有的分布电容(输入电容)相结合，维持主开关管的导通电平，从而减小了浮动栅极调制器的体积。
3、本发明采用驱动器IR2110实现信号驱动，利用了器件本身的延时特性，从而减少主开关管和截尾开关管的共同导通时间，从而降低电路损耗，提高效率。
附图说明
图1为现有技术中浮动栅极调制器的结构示意图。
图2为本发明浮动栅极调制器的结构示意图。
图3为本发明主开关管和截尾开关管控制信号的示意图。
图4为本发明前后沿分离电路、驱动和延时电路的电路图。
图5为本发明调制电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图2为本发明浮动栅极调制器的结构框图。如图2所示，该浮动栅极调制器包括：前后沿分离电路、驱动和延时电路1、驱动和延时电路2、隔离变压器T1、隔离变压器T2和调制电路；其中，
前后沿分离电路，从行波管栅极触发脉冲中提取触发脉冲的前沿和后沿，形成前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号；将前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号作为主开关管控制信号输入到驱动和延时电路1，将后沿负脉冲信号作为截尾开关管控制信号输入到驱动和延时电路2；
驱动和延时电路1，对前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号进行延时和驱动后，分别输出到隔离变压器T1的两输入端；
驱动和延时电路2，对后沿负脉冲信号进行延时和驱动后，输出到隔离变压器T2的一输入端。如图3所示，驱动和延时电路2对后沿负脉冲信号的延时时间稍长于驱动和延时电路1对后沿负脉冲信号的延时时间，但是两个延时时间之差不能大于后沿负脉冲的脉宽，使得主开关管的关断脉冲提前于截尾开关管的关断脉冲，且令主开关管和截尾开关管二者之间存在同时导通时间。
为了减小前后沿分离电路的信号延时，使用7个TTL与非门作为前后沿分离电路的主要元件。如图4所示，行波管栅极触发脉冲同时输入与非门D1D的两输入端，D1D输出端通过阻容网络(图中该阻容网络由R58和C31构成)接D1A的一输入端，还直接接D1C的两输入端以及D1B的一输入端；D1C的输出端通过阻容网络(图中该阻容网络由R55和C30构成)接D1B的另一输入端，还直接输入到D1A的另一输入端；D1A的输出端接D2A的两输入端；D2A的输出端输出前沿负脉冲给驱动和延时电路1；D1B的输出端分两路，一路接D2B的两输入端，另一路接D2C的两输入端；D2B的输出端输出后沿负脉冲给驱动和延时电路1；D2C的输出端输出后沿负脉冲给驱动和延时电路2。
仍如图4所示，驱动和延时电路1和驱动和延时电路2均采用驱动芯片IR2110，分别为N7和N8。一个IR2110芯片可以对两路信号进行驱动，但是两路输出端自身具有约100ns的传输延时差，本发明即可以利用给时差得到稍稍提前的主开关管控制信号的后沿脉冲，从而达到减小主开关管和截尾开关管同时导通时长的效果。
具体来说，前后沿分离电路分离出来的前沿负脉冲接入IR2110(N7)的高输入端Hin，后沿负脉冲接入IR2110(N7)的低输入端Lin；后沿负脉冲进一步接入IR2110(N8)的高输入端Hin。
IR2110N7的高输出端HO通过隔直电容C4接隔离变压器T1的一输入端，IR2110N7的低输出端LO接隔离变压器T1的另一输入端。IR2110N8的HO通过限流电阻R59接隔离变压器T2的一输入端，IR2110N8的LO接隔离变压器T2的另一输入端。由于IR2110芯片从Hin端口输入的信号经处理后输出，其延时量大于从Lin端口输入的信号，其延时量为100ns。那么主开关管控制信号的后沿脉冲将提前于截尾开关管控制信号的后沿脉冲，从而减少主开关管和截尾开关管的共同导通时间。
此外，IR2110N7和N8的电源端VCC均接+12V，从而实现电平变换。
如果前后沿分离电路采用如图4所示的TTL门电路，那么，在IR2110的输入侧，D2A的输出端接IR2110(N7)的Hin，D2A的输出端还通过上拉电阻R57接+5V；D2B的输出端接IR2110(N7)的Lin，D2B的输出端还通过上拉电阻R56接+5V；D2C的输出端接IR2110(N8)的Hin，D2C的输出端还通过上拉电阻R56接+5V。
如图5所示，调制电路包括漏感尖峰吸收电路、脉冲整形和快关断电路、泄放电阻R9和R7、主开关管V5、截尾开关管V6、电阻网络1、电阻网络2、电阻网络3和电源单元。
R1、R2和R3构成主开关管的漏感尖峰吸收电路。具体为：在隔离变压器T1两输出线路之间连接并联R1和R2，隔离变压器T1其中一条输出线路通过串联电阻R3接入脉冲整形和快关断电路；隔离变压器T1的另一条输出线路直接接入脉冲整形和快关断电路。
脉冲整形和快关断电路中，相互串联的二极管V2和V3构成整形电路，二极管V1、三极管V4、C1*和R8构成快关断电路。具体为：R3未连接T1的一端连接V2的阳极，V2的阴极连接V3的阳极，V3的阴极连接主开关管V5的栅极，V2阳极连接V1阴极，V1阴极连接V4发射极，V4集电极连接V3阴极，V4基极通过并联在一起的R8和C1*连接隔离变压器未连R3的一端和主开关管V5的源极；在主开关管V5的源极和栅极之间并联R9，R9为泄放电阻，阻值为兆欧级，从而与主开关管的输入电容(分布参数)结合维持主开关管开通高电平，而不需要另外增加电容。
R4、R5和R6构成截尾开关管的漏感尖峰吸收电路。具体为：隔离变压器T2两输出线路之间连接并联电阻R4和并联电阻R5，T2一端通过R6连接截尾开关管V6的栅极，T2另一端直接接入截尾开关管V6的源极。此外，截尾开关管的栅极和源极之间并联泄放电阻R7，R7的阻值较小，为欧姆级，例如可以选取几百欧姆。
主开关管V5的漏极和源极之间连接电阻网络1，电阻网络1由串联的多个电阻组成，用于形成电压偏置，该电阻网络1为可选组成部件。截尾开关管V6的漏极和源极之间连接电阻网络2，电阻网络2由串联的多个电阻组成，为可选组成部件。
主开关管V5的源极和截尾开关管V6的漏极之间连接电阻网络3，电阻网络3作为负载，在主开关管和截尾开关管共同导通时，限制二者之间的能量。电阻网络3的总阻值比较小，为欧姆级，不超过1K，本实施例中采用多个电阻通过串联和并联组成，如图所示，9个电阻平分为三组，每组内的三个电阻并联，三组相互串联。
主开关管V5的源极通过电阻R12连接行波管的栅极g，R12可以采用无感电阻，能够承受瞬间大电流。
主开关管V5的源极还通过放电管连接行波管的阴极K，以保护行波管的栅极。
电源单元的正负端(+Eg，-Eg)分别连接主开关管的漏极和截尾开关的源极，电源单元包括两组电源，两组电源串联，两组电源的串联连接处与行波管阴极K相连。此外，还可以为每组电源设置滤波电容Cx1和Cx2。
上述浮动栅极调制器的工作方式为：
控制脉冲经过前后沿分离单元的处理后，得到前沿脉冲和后沿脉冲；前沿脉冲和后沿脉冲共同进入IR2110N7，后沿脉冲还进一步进入IR2110N8，经IR2110的处理后，主开关管控制信号的关断脉冲与截尾开关管的导通脉冲之间形成100ns的延时，且具有同时导通时间，由于IR2110的延迟处理，使得同时导通时间比现有技术所产生的共同导通时间短。
主开关管控制信号的前沿控制主开关管的导通，导通后通过主开关管的输入电容保持高电平，维持开关管的导通，后沿控制主开关管的关断。截尾开关管控制信号的后沿脉冲控制截尾开关管的导通并在后沿脉冲结束后关断，截尾开关管的导通能够改善输出到行波管栅极的脉冲后沿，令其后沿变陡。
在快关断电路部分，当T1输出关断脉冲时，加速电容C1*形成浪涌电流，加速V4的快速导通，令主开关管通过V4、V1、R3、T1形成回路，迅速泄放电荷，从而实现快速关断。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种浮动栅极调制器，其特征在于，包括前后沿分离电路、驱动和延时电路1、驱动和延时电路2、隔离变压器T1、隔离变压器T2和调制电路；
前后沿分离电路，从行波管栅极触发脉冲中提取触发脉冲的前沿和后沿，形成前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号；将前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号作为主开关管控制信号输入到驱动和延时电路1，将后沿负脉冲信号作为截尾开关管控制信号输入到驱动和延时电路2；
驱动和延时电路1，对前沿负脉冲信号和后沿负脉冲信号进行延时和驱动后，分别输出到隔离变压器T1的两输入端；
驱动和延时电路2，对后沿负脉冲信号进行延时和驱动后，输出到隔离变压器T2的一输入端；驱动和延时电路2对后沿负脉冲信号的延时时间长于驱动和延时电路1对后沿负脉冲信号的延时时间，两个延时时间之差不大于后沿负脉冲的脉宽；
调制电路包括：由电阻R1、R2和R3构成的主开关管的漏感尖峰吸收电路、由二极管V2和V3构成的整形电路、由二极管V1、三极管V4、电容C1*和电阻R8构成的快关断电路、由电阻R4、R5和R6构成的截尾开关管的漏感尖峰吸收电路、电阻网络3、泄放电阻R9和R7、主开关管V5、尾开关管V6和电源单元；
隔离变压器T1两输出线路之间并联R1和R2，隔离变压器T1其中一条输出线路通过串联的R3接入V2的阳极，V2的阴极连接二极管V3的阳极，V3的阴极连接主开关管V5的栅极，V2的阳极连接V1阴极，V1阴极连接三极管V4发射极，V4集电极连接V3阴极，V4基极通过并联在一起的R8和C1*连接隔离变压器T1未连R3的一端和主开关管V5的源极；在主开关管V5的源极和栅极之间并联R9，R9的阻值为兆欧级；
隔离变压器T2两输出线路之间并联R4和R5，T2一端通过R6连接截尾开关管V6的栅极，T2另一端直接接入截尾开关管V6的源极，截尾开关管6V 的栅极和源极之间并联泄放电阻R7，R7的阻值为欧姆级；
主开关管V5的源极和截尾开关管V6的漏极之间连接电阻网络3，电阻网络3的总阻值为欧姆级；
主开关管V5的源极通过电阻R12连接行波管的栅极g；
主开关管的漏极和截尾开关的源极分别连接电源单元的正负端。
2.如权利要求1所述的浮动栅极调制器，其特征在于，驱动和延时电路1和驱动和延时电路2采用驱动芯片IR2110N7和驱动芯片IR2110N8实现；
所述前后沿分离电路分离出来的前沿负脉冲接入N7的高输入端Hin，后沿负脉冲接入N7的低输入端Lin；后沿负脉冲进一步接入N8的高输入端Hin；
N7的高输出端HO通过隔直电容C4接隔离变压器T1的一输入端，N7的低输出端LO接T1的另一输入端；N8的HO通过限流电阻R59接隔离变压器T2的一输入端，N8的LO接T2的另一输入端。
3.如权利要求1或2所述的浮动栅极调制器，其特征在于，所述前后沿分离电路使用TTL与非门实现；
行波管栅极触发脉冲同时输入与非门D1D的两输入端，D1D输出端通过阻容网络接D1A的一输入端，还直接接D1C的两输入端以及D1B的一输入端；D1C的输出端通过阻容网络接D1B的另一输入端，还直接输入到D1A的另一输入端；D1A的输出端接D2A的两输入端；D2A的输出端输出前沿负脉冲给所述驱动和延时电路1；D1B的输出端分两路，一路接D2B的两输入端，另一路接D2C的两输入端；D2B的输出端输出后沿负脉冲给所述驱动和延时电路1；D2C的输出端输出后沿负脉冲给所述驱动和延时电路2。
4.如权利要求1所述的浮动栅极调制器，其特征在于，该浮动栅极调制器进一步包括电阻网络1和电阻网络2；主开关管V5的漏极和源极之间连接电阻网络1，电阻网络1由串联的多个电阻组成；截尾开关管V6的漏极和源极之间连接电阻网络2，电阻网络2由串联的多个电阻组成。
5.如权利要求1所述的浮动栅极调制器，其特征在于，所述电阻网络3采用9个电阻通过串联和并联组成，9个电阻平分为三组，每组内的三个电阻 并联，三组相互串联。
6.如权利要求1所述的浮动栅极调制器，其特征在于，R12为无感电阻。
7.如权利要求1所述的浮动栅极调制器，其特征在于，主开关管V5的源极通过放电管连接行波管的阴极K。
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