CN111030652B - 一种快速前后沿脉冲调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速前后沿脉冲调制器，包括直流电压源单元、开关单元、负载单元、高电压源单元和后沿陡化电路单元；所述的高电压源单元包括高电压电源、高电压充电电阻、高电压储能电容和高压隔离二极管，所述的高电压电源的输出电压高于直流电源的输出电压。所述的后沿陡化电路单元包括后沿陡化电容、后沿陡化电阻和二极管，后沿陡化电容和后沿陡化电阻相并联，再与二极管串联后，跨接在半导体开关的源极S和地之间。本发明在传统脉冲调制器基础上，设计了前沿和后沿陡化电路单元，极大地改善了脉冲调制器性能，使得微波放大器端调制脉冲前沿小于30ns，后沿小于50ns。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种应用于脉冲功率技术领域的快速前后沿脉冲调制器，特别是用于固态微波功率放大器的快速前后沿脉冲调制器。
背景技术
脉冲调制器主要为固态微波功率放大器提供脉冲电源，为了保证放大器在大功率条件下高效率工作，要求脉冲调制器在放大器两端输出脉冲具有较快的前后沿、较小的过冲和顶降。脉冲调制器主要由直流电源、充电电阻、储能电容、半导体开关、开关控制模块及其负载组成，负载即为固态微波功率放大器。脉冲调制器的工作流程为：直流电源通过充电电阻将能量储存在储能电容；开关控制模块产生重复频率几十kHz、脉冲宽度几十ns～几十us连续可调的脉冲控制信号，控制半导体开关导通与关断；储能电容通过半导体开关通断，在负载端输出与控制信号同相的调制脉冲信号。
在脉冲调制器设计中，为了获得较快的脉冲前后沿及减小调制器热损耗，半导体开关一般选择导通与关断时间在ns量级、导通电阻在mΩ量级的GaN半导体NMOS管；储能电容容值一般设计在几百uF以上，以保持调制脉冲在高电压、大电流、us级脉宽输出时，具有较小的脉冲顶降。
在实际应用中，为了防止微波功率放大器输出微波耦合至脉冲调制器，通常在两者之间设计一段四分之一波长传输线，并在脉冲调制器端连接一个微波接地电容，使得放大器向调制器的微波传输通道阻抗为“开路”，以实现两者之间微波传输的有效隔离。微波接地电容主要用于微波传输接地，其集总电容值在pF量级，在脉冲调制器电路中可忽略。由于四分之一波长传输线的引入，增加了脉冲调制器与放大器之间的接线电感，该电感使得放大器端调制脉冲前沿和后沿严重恶化。以目前国内外普遍采用的GaN半导体微波功率放大器为例，其导通电阻约为700mΩ，工作于X波段时，四分之一波长传输线的引入电感约为40nH。放大器调制脉冲前沿和后沿的时间常数为τ＝L/R，其中L为传输线引入电感，R为放大器导通电阻，计算得到τ约为60ns，脉冲前后沿的上升和下降时间一般为时间常数τ的3～4倍。因此，即使调制器输出为理想的“方波”，在放大器两端调制脉冲上升沿和下降沿也均在200ns以上，难以满足使用要求。
发明内容
本发明针对目前X波段微波功率放大器调制脉冲前沿小于30ns、后沿小于50ns的研制要求，提出一种快速前后沿脉冲调制器，解决了脉冲调制器与微波功率放大器之间传输线电感对调制脉冲前后沿的恶化问题，可将脉冲前沿陡化至30ns、后沿陡化至50ns以内，具有重要的实用价值。
传统的脉冲调制器一般由直流电源、充电电阻、储能电容、半导体开关、开关控制模块及其负载组成，其中负载包括传输线电感、接地电容及放大器导通电阻(X波段微波接地电容的集总参数在亚pF量级，在脉冲调制器电路中可忽略)。本发明在传统脉冲调制器基础上增加了高电压源单元和后沿陡化电路单元，高电压源单元包括高电压电源、高电压充电电阻、高电压储能电容，后沿陡化电路单元包括后沿陡化电容和后沿陡化电阻。
本发明的技术方案如下：
一种快速前后沿脉冲调制器，包括直流电压源单元、开关单元和负载单元，所述的开关单元包括半导体开关；还包括高电压源单元和后沿陡化电路单元；
所述的直流电压源单元包括直流电源、充电电阻、储能电容和隔离二极管，直流电源和充电电阻串联后，与储能电容并联后组成直流电压源供电模块，直流电压源供电模块与隔离二极管串联后跨接在半导体开关的漏极D和地之间；
所述的高电压源单元包括高电压电源、高电压充电电阻、高电压储能电容和高压隔离二极管，高电压电源和高电压充电电阻串联后，与高电压储能电容并联构成高电压源供电模块，高电压源供电模块与高压隔离二极管串联后跨接在半导体开关的漏极D和地之间；所述的高电压电源的输出电压高于直流电源的输出电压。
所述的后沿陡化电路单元包括后沿陡化电容、后沿陡化电阻和二极管，后沿陡化电容和后沿陡化电阻相并联，再与二极管串联后，跨接在半导体开关的源极S和地之间。
上述快速前后沿脉冲调制器中，高电压电源的输出电压是直流电源输出电压的1.5至10倍。
上述快速前后沿脉冲调制器中，高电压电源的输出电压是直流电源输出电压的3倍。
上述快速前后沿脉冲调制器中，所述的负载单元包括传输线电感、接地电容及放大器导通电阻；传输线电感和放大器导通电阻串联，再与接地电容并联构成负载单元，跨接在半导体开关的源极S和地之间。
上述快速前后沿脉冲调制器中，所述的开关单元还包括开关控制模块，开关控制模块设置在半导体开关的栅极G和源极S之间。
上述快速前后沿脉冲调制器中，开关控制模块由信号发生器、放大器和驱动器串接而成。
上述快速前后沿脉冲调制器中，半导体开关为N沟道MOSFET器件。
上述快速前后沿脉冲调制器中，所述的脉冲调制器的输出电压为80V。
上述快速前后沿脉冲调制器中，脉冲调制器的信号前沿为25ns。
上述快速前后沿脉冲调制器中，脉冲调制器的信号后沿为40ns。
本发明具有的技术效果如下：当半导体开关导通时，高电压源单元中高电压储能电容在半导体开关源极S端输出高电压，该高电压可将微波放大器两端调制脉冲前沿快速拉升，在几十ns之内将脉冲电压拉升至规定幅值。当半导体开关关断时，后沿陡化电路单元和传输线电感及放大器电阻构成LRC欠阻尼振荡回路(X波段微波接地电容的集总参数在亚pF量级，在脉冲调制器电路中可忽略)；在钳位二极管的单向导通限制下，在半导体开关源极S端产生一个半周期负电压脉冲；该负电压脉冲对微波放大器调制脉冲下降沿产生一个“下拉”效应，使其后沿迅速下降至几十ns之内。
附图说明
图1传统脉冲调制器组成示意图；
图2传统80V电压源脉冲调制器输出电压波形；
图3传统80V电压源脉冲调制器在放大器两端输出调制脉冲电压波形；
图4本发明快速前后沿脉冲调制器组成示意图；
图5本发明快速前后沿脉冲调制器输出电压波形；
图6本发明快速前后沿脉冲调制器在放大器两端输出调制脉冲电压波形；
附图标记如下：1—直流电源、2—充电电阻、3—储能电容、4—半导体开关、5—开关控制模块、6—接地电容、7—传输线电感、8—放大器导通电阻、9—二极管、10—地、11—高电压电源、12—高电压充电电阻、13—高电压储能电容、14—高压隔离二极管、15—隔离二极管、16—后沿陡化电容、17—后沿陡化电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，传统的脉冲调制器一般由直流电压源单元、开关单元和负载单元组成。其中直流电压源单元包括直流电源1、充电电阻2、储能电容3；开关单元包括半导体开关4和开关控制模块5；负载单元包括传输线电感7、接地电容6及放大器导通电阻8。直流电源1和充电电阻2串联，再与储能电容3并联构成直流电压源单元，跨接在半导体开关4的漏极D和地10之间。传输线电感7和放大器导通电阻8串联，再与接地电容6并联构成负载单元，跨接在半导体开关4的源极S和地10之间。半导体开关4采用N沟道MOSFET器件，型号为IPB060N15N5，输出电压达到数百伏、电流数百安。
半导体开关4的栅极G和源极S之间设置有开关控制模块5，开关控制模块由信号发生器、74LVC1G125型放大器和2EDF7235K型专用NMOS管栅极驱动器串接组成。信号发生器产生重复频率几十kHz、脉冲宽度几十ns～几十us连续可调的TTL脉冲控制信号，经放大器形成电压幅值为18V的脉冲控制信号，然后通过2EDF7235K型专用NMOS管栅极驱动器加载在半导体开关4的栅极G和源极S之间，控制半导体开关4快速导通与关断。
在具体设计中，为了防止半导体开关4快速关断时，在传输线电感7感应的反向高电压对电路造成损坏，一般在半导体开关4的源极S和地10之间跨接一个钳位二极管9，以消除传输线电感7产生的反向电压。
以某课题要求研制的80V、120A脉冲调制器为例，其主要技术指标要求为：调制脉冲电压80V，脉冲峰值电流120A，脉冲前沿小于30ns，脉冲后沿小于50ns，前沿过冲小于10％，脉宽100ns～5us，脉冲顶降小于2％。传统的脉冲调制器参数可设计为：直流电源1输出电压80V，充电电阻2阻值1Ω，储能电容3容值500uF，半导体开关4导通与关断时间约4ns，微波功率放大器为GaN半导体器件，其导通电阻8阻值R约为700mΩ。工作于X波段时，脉冲调制器与放大器之间四分之一波长传输线的引入电感7电感值L约为40nH，接地电容6主要用于微波传输接地，其集总电容值在pF量级，在脉冲调制器电路中可忽略。放大器调制脉冲前沿和后沿的时间常数L/R约为60ns，脉冲前沿和后沿一般为时间常数τ的3～4倍。因此，即使调制器输出为比较理想的方波，在放大器电阻8两端的调制脉冲前后沿也在200ns以上，很难达到技术指标要求。图2给出了传统脉冲调制器在半导体开关4源极S端输出电压波形，图3给出了放大器电阻8两端的调制脉冲波形。
本发明在传统脉冲调制器基础上，增加了高电压源单元和后沿陡化电路单元，其中高电压源单元为相互隔离的双电源供电模式，包括高压电源供电模块和原有的直流电源供电模块。
如图4所示。高电压电源11和高电压充电电阻12串联，再与高电压储能电容13并联构成高电压源单元，与高压隔离二极管14串联后跨接在半导体开关4的漏极D和地10之间。后沿陡化电容16和后沿陡化电阻17并联，再与二极管9串联构成后沿陡化电路单元，跨接在半导体开关4的源极S和地10之间。直流电压源单元与半导体开关4的漏极D之间串接隔离二极管15，高压隔离二极管14和隔离二极管15的作用在于对直流电压源单元与高电压源单元进行隔离。
通常高电压电源10的输出电压是直流电源1的输出电压的1.5至10倍，优选3倍，在满足前沿要求的同时，尽可能降低电压值，避免器件或电路避免击穿。在本设计中，高电压电源11输出电压设计为240V，高电压储能电容13容值设计一般在几十nF，需要在具体设计中优化，容值太大会使储能过剩而在脉冲前沿产生过冲；容值太小会使储能欠缺而使前沿变缓。半导体开关4接收到开关控制模块5的脉冲触发信号后迅速导通，高电压源单元在半导体开关4源极S端输出240V电压，由于微波接地电容6可忽略，因此在放大器电阻8端调制脉冲幅值达到240V的前沿上升时间约为200ns(负载时间常数L/R约为60ns，脉冲前沿上升时间一般为时间常数τ的3～4倍)，达到80V的前沿上升时间约为24ns。在具体参数设计时，高电压储能电容13容值须优化选取：放大器电阻8端调制脉冲前沿在0～80V上升过程中，高电压储能电容13电压随着电流泄放而降低，当放大器电阻8端脉冲前沿电压升至80V时，高电压储能电容13电压也恰好降至80V，满足此条件的高电压储能电容13容值设计为最佳。通过理论与仿真，高电压储能电容13容值设计为25nF。储能电容3容值则越大越好，有利于保持脉内电压恒定，提高脉冲峰值电压稳定性。高电压源单元将调制脉冲前沿拉升至80V后，直流电压源单元产生的80V电压对脉冲平顶进行维持。
当半导体开关4快速关断时，后沿陡化电路单元和传输线电感7及放大器电阻8构成LRC欠阻尼振荡回路(X波段微波接地电容6的集总参数在亚pF量级，在脉冲调制器电路中可忽略)，在钳位二极管9的单向导通限制下，在半导体开关4源极S端产生一个半周期负电压脉冲波形，对微波放大器电阻8两端调制脉冲下降沿产生一个“下拉”效应，使调制脉冲后沿迅速下降。理论上，后沿陡化电容16容值越小，半导体开关4关断时其源极S端产生的半周期负电压脉冲峰值越大，放大器电阻8两端调制脉冲下降沿也就会越快。但在具体参数设计过程中，在满足调制脉冲下降沿技术指标情况下，半导体开关4源极S端产生的半周期负电压峰值越小，半导体开关4越安全，综合考虑后本案例将后沿陡化电容16容值设计为20nF。后沿陡化电阻17的取值在很宽范围内对调制脉冲下降沿影响效果不明显，主要用于对后沿陡化电容11进行放电，本案例将其设计为100Ω。
图5给出了快速前后沿脉冲调制器在半导体开关4源极S端输出电压波形，图6给出了快速前后沿脉冲调制器在放大器电阻8两端输出调制脉冲电压波形。通过对图6和图3波形比较可以看出，快速前后沿脉冲调制器在微波放大器上的脉冲前沿和后沿均得到很大改善，脉冲前沿约25ns，后沿约40ns，达到了技术指标要求。
Claims (10)
1.一种快速前后沿脉冲调制器，包括直流电压源单元、开关单元和负载单元，所述的开关单元包括半导体开关(4)；其特征在于：还包括高电压源单元和后沿陡化电路单元；
所述的直流电压源单元包括直流电源(1)、充电电阻(2)、储能电容(3)和隔离二极管(15)，直流电源(1)和充电电阻(2)串联后，与储能电容(3)并联后组成直流电压源供电模块，直流电压源供电模块与隔离二极管(15)串联后跨接在半导体开关(4)的漏极D和地(10)之间；
所述的高电压源单元包括高电压电源(11)、高电压充电电阻(12)、高电压储能电容(13)和高压隔离二极管(14)，高电压电源(11)和高电压充电电阻(12)串联后，与高电压储能电容(13)并联构成高电压源供电模块，高电压源供电模块与高压隔离二极管(14)串联后跨接在半导体开关(4)的漏极D和地(10)之间；所述的高电压电源(11 )的输出电压高于直流电源(1)的输出电压；
所述的后沿陡化电路单元包括后沿陡化电容(16)、后沿陡化电阻(17)和二极管(9)，后沿陡化电容(16)和后沿陡化电阻(17)相并联，再与二极管(9)串联后，跨接在半导体开关(4)的源极S和地(10)之间。
2.根据权利要求1所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：高电压电源(11)的输出电压是直流电源(1)输出电压的1.5至10倍。
3.根据权利要求2所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：高电压电源(11)的输出电压是直流电源(1)输出电压的3倍。
4.根据权利要求1所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：所述的负载单元包括传输线电感(7)、接地电容(6)及放大器导通电阻(8)；传输线电感(7)和放大器导通电阻(8)串联，再与接地电容(6)并联构成负载单元，跨接在半导体开关(4)的源极S和地(10)之间。
5.根据权利要求1所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：所述的开关单元还包括开关控制模块(5)，开关控制模块(5)设置在半导体开关(4)的栅极G和源极S之间。
6.根据权利要求5所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：开关控制模块(5)由信号发生器、放大器和驱动器串接而成。
7.根据权利要求1所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：半导体开关(4)为N沟道MOSFET器件。
8.根据权利要求1所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：所述的脉冲调制器的输出电压为80V。
9.根据权利要求1所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：脉冲调制器的信号前沿为25ns。
10.根据权利要求1所述的快速前后沿脉冲调制器，其特征在于：脉冲调制器的信号后沿为40ns。
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