CN108776328B - 一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，包括开启电路、关闭电路、脉冲变压器、真空管；开启电路包括双路MOS管并联，开启电路连接开启触发和脉冲变压器；关闭电路包括依次连接的隔离驱动电路、脉冲隔离变压器、第三MOS管驱动电路、关断‑高速MOS管；隔离驱动电路与关闭触发连接；关闭电路与开启电路连接脉冲变压器至真空管；本发明采用双路MOS管并联，完成分流并减小内阻，通过开启触发脉冲控制开启电路MOS管导通，控制MOS管开启时间；通过关闭触发脉冲控制脉冲变压器初级侧关闭，控制关闭电路MOS管导通，实现快速关闭，并精确控制脉冲宽度，实现不同脉冲宽度及不同重复频率控制。

Description

一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置及方法

技术领域

本发明涉及脉冲调制的研究领域，特别涉及一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置及方法。

背景技术

雷达脉冲调制器分两种，分别为线性调制器和刚性调制器。线性调制器的缺点是调制脉冲宽度有脉冲形成网络决定，也称为人工线和仿真线，这样在点真空最大工作比限制下，制约了脉冲宽度及重复频率的变化，难以满足现代雷达对发射机的要求。

目前，刚性调制器虽然在电真空管最大工作比限制下，脉冲宽度和重复频率可以灵活变化，但是调制器功率量级无法做大，也满足不了现代雷达对发射机的要求。且普通的刚性调制技术，依靠触发控制信号脉冲有效信号期间，控制调制器的开启和关闭，即一般情况下，关闭受限于MOS管的结电容放电时间，不能精确、快速的关闭调试。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，可实现发射脉冲宽度和重复频率灵活变化并，从而适应现代雷达对发射机的要求。

本发明的另一目的在于提供一种刚性固态快速关断雷达发射机调制方法，用于一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，包括开启电路、关闭电路、脉冲变压器、真空管，所述开启电路包括双路MOS管并联，开启电路的一端连接开启触发，另一端连接脉冲变压器；所述关闭电路包括依次连接的隔离驱动电路、脉冲隔离变压器、第三MOS管驱动电路、关断-高速MOS管；所述隔离驱动电路与关闭触发连接，关断-高速MOS管与脉冲变压器连接，所述脉冲隔离变压器由电源供电，所述第三MOS管驱动电路、关断-高速MOS管由隔离电源供电；关闭电路与开启电路连接脉冲变压器至真空管；

优选的，还包括真空管过流检测电路，真空管过流检测电路与真空管连接；所述真空管过流检测电路包括滤波器电路、放大电路、积分电路和放大跟随电路；所述滤波器电路由电阻R1、电容C1组成；所述放大电路由N1A和N1A外围电路组成的；所述积分电路由第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6组成；所述放大跟随电路由N2A和N2A外围电路组成的；所述N1A选用AD813；N1A的3脚连接第一电容C1至接地，N1A的2脚连接第二电阻R2、第三电阻R3，组成反向放大电路，N1A的1脚依次连接第一二极管V01、第四电阻R04、第六电容C06、第五电阻R5组成的积分网络，并连接N2A的3脚，N2A射随电路，电容C06与第五电阻R5并联至接地；当出现异常时，能快速关闭两路触发脉冲及高压电源，起保护作用。

优选的，开启电路中，双路MOS管至少由两路MOS管组成，其中第一路MOS管由电源供电的第一MOS管驱动电路和第一开启-高速MOS管串联组成，第二路由电源供电的第二MOS管驱动电路和第二开启-高速MOS管串联组成，第一路MOS管与第二路MOS管并联。

优选的，关闭电路中，包括依次连接的隔离驱动电路U5、脉冲隔离变压器T3、第三MOS管驱动电路U4、关断-高速MOS管Q6，隔离驱动电路U5包含U5A和U5B,隔离驱动电路U5的5、6、7、8脚相连，并连接至脉冲隔离变压器的1脚，隔离驱动电路的2、4脚相连，连接第15电阻R15、第16电阻R16，脉冲隔离变压器的4脚连接第13电阻R13、第22电容C22至电源，第13电阻R13与第22电容C22并联,脉冲隔离变压器T3的5脚连接至第三MOS管驱动电路，第三MOS管驱动电路U4的5、6、7、8脚相连，并连接第12电阻R12至关断-高速MOS管Q6，第三MOS管驱动电路U4的2、4脚相连。

优选的，关断-高速MOS管、第一开启-高速MOS管和第二开启-高速MOS管中的高速MOS管为APT10050L。

优选的，关断-高速MOS管、第一开启-高速MOS管和第二开启-高速MOS管中的高速MOS管的MOS管驱动芯片为PHC21025。

优选的，脉冲变压器的变比为13:1。

优选的，脉冲隔离变压器的变比为1:1，起到电气隔离作用。

优选的，输入高压为680V，脉冲变压器次级侧的高压为8000V～8500V。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种刚性固态快速关断雷达发射机调制方法，在脉冲变压器的初级侧产生低压脉冲，通过变压器的变比生成高压脉冲；整个装置的输入包括高压电源、两路互为隔离的电源、开启触发脉冲和关闭触发脉冲；

其中，开启触发脉冲控制着脉冲变压器初级侧的开启，开启触发脉冲作用开启电路，经多路并联的MOS管驱动电路作用于MOS栅极侧，使其产生低压脉冲，且实现分流及减小内阻，并控制了第一开启-高速MOS管和第二开启-高速MOS管导通，即开启触发脉冲的上升沿控制MOS管开启时间。

关闭电路在关闭触发脉冲的作用下，通过关闭触发脉冲的前沿控制脉冲变压器的初级侧关闭，即前沿脉冲导通时，关断-高速MOS管快速导通，使脉冲变压器得初级侧短路，即可快速关闭关断-高速MOS管；

关闭电路的第一级为隔离驱动电路，用于驱动脉冲隔离变压器；脉冲隔离变压器对关闭触发脉冲进行隔离处理，隔离处理后的关闭触发脉冲与隔离电源进行供电；第三MOS管驱动电路用于驱动关断-高速MOS管，关断-高速MOS管在关闭触发脉冲作用下快速导通，关闭脉冲变压器初级侧。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用多路MOS管并联，完成分流，并减小内阻，并通过开启触发脉冲控制开启-高速MOS管的导通，从而控制MOS管开启时间；通过关闭触发脉冲的前沿控制脉冲变压器的初级侧关闭，从而控制关闭-高速MOS管导通，使脉冲变压器初级侧短路，实现快速关闭关断-高速MOS管。

2、本发明中，开启触发脉冲控制着脉冲变压器初级侧的开启，而关闭触发脉冲的前沿控制着脉冲变压器的关闭，因此开启触发脉冲的前沿与关闭触发脉冲的前沿间隔，即能控制着脉冲变压器初级测脉冲的宽度，从而控制着高压脉冲宽度，能够精确的控制高压脉冲的宽度，可实现40ns～1000ns不同脉冲宽度及不同重复频率的控制。

3、本发明设计了过流检测电路，当出现异常时，快速关闭两路触发脉冲及高压电源，防止过流烧毁调制器，起到保护调制器作用。

附图说明

图1为本发明一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置的结构框图。

图2为本发明一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置的关断隔离驱动电路的电路图。

图3为本发明一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置的真空管过流检测电路的电路图。

图4为本发明一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置的开启电路的电路图。

图5为本发明一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置的长脉冲时脉冲变压器初级侧及次级侧波形。

图6为本发明一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置的中脉冲时脉冲变压器初级侧及次级侧波形。

图7为本发明一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置的短脉冲时脉冲变压器初级侧及次级侧波形。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，如图1所示，包括开启电路、关闭电路、脉冲变压器、真空管，所述开启电路包括双路MOS管并联，开启电路的一端连接开启触发，另一端连接脉冲变压器；所述关闭电路包括依次连接的隔离驱动电路、脉冲隔离变压器、第三MOS管驱动电路、关断-高速MOS管；所述隔离驱动电路与关闭触发连接，所述脉冲隔离变压器由电源供电，所述第三MOS管驱动电路、关断-高速MOS管由隔离电源供电；关闭电路与开启电路连接脉冲变压器至真空管。

为了保护电路，在真空管后面，增加一个真空管过流检测电路与真空管连接，在出现异常情况时，能实现快速关闭两路触发脉冲及高压电源；

真空管过流检测电路如图2所示,包括依次连接的滤波器电路、放大电路、积分电路和放大跟随电路；所述滤波器电路由依次连接的电阻R1、电容C1组成，电容C1另一端连接至地；所述放大电路由N1A和N1A外围电路组成的；所述积分电路由R04、R05、C06组成；所述放大跟随电路由N2A和N2A外围电路组成的；所述N1选用AD813,N1A的3脚连接R1、C1，N1A的2脚连接R2、R3，组成反向放大电路，N1A1脚连接V01、R04、C06、R5组成的积分网络，并连接N2A的3脚，N2A射随电路。

开启电路中，双路MOS管至少由两路MOS管组成，其中第一路MOS管由电源供电的第一MOS管驱动电路和第一开启-高速MOS管串联组成，第二路由电源供电的第二MOS管驱动电路和第二开启-高速MOS管串联组成，第一路MOS管与第二路MOS管并联,如图3所示。

其中，关断-高速MOS管、第一开启-高速MOS管和第二开启-高速MOS管中的高速MOS管均选择为APT10050L；且高速MOS管的MOS管驱动芯片为PHC21025。

根据脉冲变压器的工作要求，输入高压为680V，脉冲变压器次级测的高压为8000V～8500V，考虑到脉冲变压器的效率等因素，脉冲变压器的变比为13，脉冲变压器初级侧的峰值电流应为103A。

再根据脉冲变压器两侧电压电流关系，以及对开关时间的要求，选用高速MOS管为APT10050L；APT10050L为高速、大功率功率管，典型的导通时间为16ns，单管最大耐压为1000V，满足对初级测耐压要求，并预留35％左右的余量；另外该单管峰值电流最大为84A，根据理论计算初级测最大峰值电流为103A，因此开启电路设计了两路MOS管并联，理论上最大耐电流为168A，满足初级侧对电流的要求。

根据选定的MOS管参数，设计MOS管驱动电路，由于MOS管存在栅源极电容Cgs和米勒电容Cgd，当MOS管开通瞬时，驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅、源极间电压迅速上升到所需值，保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡；当驱动电流不足时，由于栅极电容的存在，无法快速对栅极电容充电，引起栅极电容上升缓慢，则MOS管切换功耗增大，易烧坏MOS管，因此MOS管驱动电路需要足够的电流。

在t_r时间内栅极驱动电压达到V_d，所需的电流平均值i₁为：

其中，i₁为流过MOS管G、S的电流，C_gs为Mos管栅源极电容，V_d为GS开启电压。

当栅极驱动电压达到V_d时，漏极导通，漏源极间的电压由供电电压V_cc下降到导通压降V_ds。为了简化，可认为V_ds足够小。此时，C_gd的上端电压下降了V_cc，它的上端电压上升了V_d，故i₂为：

其中，i₂为流过MOS管G、D的电流，C_gd为Mos管GD极电容，V_d为GS开启电压,V_cc为供电电压。

根据公式(1)和公式(2)得到，驱动MOS管APT10050L所需要的电流至少为2.8A

因此MOS管驱动芯片选用了PHC21025，该芯片最大驱动电流可达3.5A，可满足设计要求，开启电路和关闭电路中的第一开启-高速MOS管、第二开启-高速MOS管与关断-高速MOS管，均采用了APT10050L，且三路MOS管驱动芯片均采用PHC21025芯片。

第一MOS管驱动电路U1、第二MOS管驱动电路U2使用两级驱动，所述第一开启-高速MOS管Q1、第二开启-高速MOS管Q4采用并联驱动；所述第一MOS管驱动电路U1、第二MOS管驱动电路U2选用PHC21025，所述第一开启-高速MOS管Q1、第二开启-高速MOS管Q4选用APT10050L,第二MOS管驱动电路U2的5、6、7、8脚相连，2、4脚相连，第一MOS管驱动电路U1与U3连接方式相同，第一MOS管驱动电路U1的5、6、7、8脚通过第三二极管D3、第三电阻R3连接至Q1再接地，第三二极管D3与第三电阻R3并联，U3的5、6、7、8脚通过第十二极管D10、第七电阻R7连接至Q4再接地，第十二极管D10与第七电阻R7并联。

关闭电路中的隔离驱动电路同样采用PHC21025，脉冲隔离变压器变比为1:1，起到电气隔离作用,如图4所示。

开启触发脉冲控制着脉冲变压器初级侧的开启，而关闭触发脉冲的前沿控制着脉冲变压器的关闭，因此开启触发脉冲的前沿与关闭触发脉冲的前沿间隔，即能控制着脉冲变压器初级侧脉冲的宽度，从而控制着高压脉冲宽度，能够精确的控制高压脉冲的宽度，可实现40ns～1000ns不同脉冲宽度及不同重复频率的控制。

调制器的设计重点是控制脉冲变压器的波形，使其产生前后沿足够陡峭、脉冲足够窄的波形，本实施例中，长脉冲时脉冲变压器初级侧及次级侧波形如图5所示，中脉冲时脉冲变压器初级侧及次级侧波形如图6所示，短脉冲时脉冲变压器初级侧及次级侧波形如图7所示，调制器的输入包括高压电源、两路互为隔离的电源、开启触发脉冲和关闭触发脉冲。

一种刚性固态快速关断雷达发射机装置的工作原理如下：

为实现低压脉冲生成高压脉冲，以脉冲变压器作为核心，在脉冲变压器的初级侧产生低压脉冲，通过变压器的变比生成高压脉冲；整个装置的输入包括高压电源、两路互为隔离的电源、开启触发脉冲和关闭触发脉冲；

其中，开启触发脉冲控制着脉冲变压器初级侧的开启，开启触发脉冲作用开启电路，经多路并联的MOS管驱动电路作用于MOS栅极侧，使其产生低压脉冲，且实现分流及减小内阻，并控制了第一开启-高速MOS管和第二开启-高速MOS管导通，即开启触发脉冲的上升沿控制MOS管开启时间。

关闭电路在关闭触发脉冲的作用下，通过关闭触发脉冲的前沿控制脉冲变压器的初级侧关闭，即前沿脉冲导通时，关断-高速MOS管快速导通，使脉冲变压器得初级侧短路，即可快速关闭关断-高速MOS管；

关闭电路的第一级为隔离驱动电路，用于驱动脉冲隔离变压器；脉冲隔离变压器对关闭触发脉冲进行隔离处理，隔离处理后的关闭触发脉冲与隔离电源进行供电；第三MOS管驱动电路用于驱动关断-高速MOS管，关断-高速MOS管在关闭触发脉冲作用下快速导通，关闭脉冲变压器初级侧。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，包括开启电路、关闭电路、脉冲变压器、真空管，所述开启电路包括双路MOS管并联，开启电路的一端连接开启触发，另一端连接脉冲变压器，所述双路MOS管由两路MOS管组成，包括第一路MOS管和第二路MOS管，所述第一路MOS管与所述第二路MOS管并联；所述关闭电路包括依次连接的隔离驱动电路、脉冲隔离变压器、第三MOS管驱动电路、关断-高速MOS管，连接方法具体如下：隔离驱动电路包含U5A和U5B,隔离驱动电路的5、6、7、8脚相连，并连接至脉冲隔离变压器电路的1脚，隔离驱动电路的2、4脚相连，连接第十五电阻、第十六电阻，脉冲隔离变压器的4脚连接第十三电阻、第二十二电容至电源，第十三电阻与第二十二电容并联，脉冲隔离变压器的5脚连接至第三MOS管驱动电路，第三MOS管驱动电路的5、6、7、8脚相连，并连接第十二电阻至关断-高速MOS管，第三MOS管驱动电路的2、4脚相连；所述隔离驱动电路与关闭触发连接，关断-高速MOS管与脉冲变压器连接，所述脉冲隔离变压器由电源供电，所述第三MOS管驱动电路、关断-高速MOS管由隔离电源供电；关闭电路与开启电路连接脉冲变压器至真空管。

2.根据权利要求1所述的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，还包括真空管过流检测电路，所述真空管过流检测电路与真空管连接；所述真空管过流检测电路包括依次连接的滤波器电路、放大电路、积分电路和放大跟随电路；所述滤波器电路由依次连接的第一电阻、第一电容组成，第一电容另一端连接至地；所述放大电路由N1A和N1A外围电路组成的；所述积分电路由第四电阻、第五电阻、第六电阻组成；所述放大跟随电路由N2A和N2A外围电路组成的；所述N1A选用AD813；N1A的3脚连接第一电容至接地，N1A的2脚连接第二电阻、第三电阻，组成反向放大电路，N1A的1脚依次连接第一二极管、第四电阻、第六电容、第五电阻组成的积分网络，并连接N2A的3脚，N2A射随电路，第六电容与第五电阻并联至接地。

3.根据权利要求1所述的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，所述关断-高速MOS管选用APT10050L。

4.根据权利要求1所述的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，所述脉冲隔离变压器选用变压器变比为1:1。

5.根据权利要求1所述的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，所述开启电路中，双路MOS管由两路MOS管组成，其中第一路MOS管由电源供电的第一MOS管驱动电路和第一开启-高速MOS管串联组成，第二路由电源供电的第二MOS管驱动电路和第二开启-高速MOS管串联组成，第一路MOS管与第二路MOS管并联。

6.根据权利要求5所述的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，所述第一MOS管驱动电路、第二MOS管驱动电路使用两级驱动，所述第一开启-高速MOS管、第二开启-高速MOS管采用并联驱动；所述第一MOS管驱动电路、第二MOS管驱动电路选用PHC21025，所述第一开启-高速MOS管、第二开启-高速MOS管选用APT10050L。

7.根据权利要求1所述的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，所述脉冲变压器变比为13。

8.根据权利要求1所述的一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，其特征在于，输入高压为680V，脉冲变压器次级侧的高压为8000V～8500V。

9.一种刚性固态快速关断雷达发射机调制方法，其特征在于，用于一种刚性固态快速关断雷达发射机调制装置，整个装置的输入包括高压电源、两路互为隔离的电源、开启触发脉冲和关闭触发脉冲；在脉冲变压器的初级侧产生低压脉冲，通过变压器的变比生成高压脉冲；

具体过程为：开启触发脉冲控制着脉冲变压器初级侧的开启，开启触发脉冲作用开启电路，经多路并联的MOS管驱动电路作用于MOS栅极侧，使其产生低压脉冲，且实现分流及减小内阻，并控制了第一开启-高速MOS管和第二开启-高速MOS管导通，即开启触发脉冲的上升沿控制MOS管开启时间；

关闭电路在关闭触发脉冲的作用下，通过关闭触发脉冲的前沿控制脉冲变压器的初级侧关闭，即前沿脉冲导通时，关断-高速MOS管快速导通，使脉冲变压器得初级侧短路，即可快速关闭关断-高速MOS管；

关闭电路的第一级为隔离驱动电路，用于驱动脉冲隔离变压器；脉冲隔离变压器对关闭触发脉冲进行隔离处理，隔离处理后的关闭触发脉冲与隔离电源进行供电；第三MOS管驱动电路用于驱动关断-高速MOS管，关断-高速MOS管在关闭触发脉冲作用下快速导通，关闭脉冲变压器初级侧。

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