CN113395056B - 一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器，该大电流脉冲调制器电路包括电流源单元、开关单元、储能单元和负载单元，所述的开关单元由一组或者多组半导体开关组成，所述得电流源可以为恒流源或者脉冲电流源，所述的电流源其峰值电流高于工作时的脉冲电流。本发明提出一种快前沿大电流脉冲调制器，其由电流源单元和开关单元所构成。电流源单元在主开关单元动作前在极短时间内对负载施加一较高幅值的脉冲电流，使负载两端电压快速提升至额定电压，从而获得快前沿脉冲，采用此种方法可以在负载两端获得远小于30ns的脉冲前沿。

Description

一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器，特别是用于固态微波功率放大器以及半导体激光器的快前沿脉冲调制器。

背景技术

脉冲调制器主要为固态微波功率放大器以及半导体激光器提供脉冲电源。在微波功率放大器领域，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。放大器脉冲前沿的时间常数为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，脉冲前沿上升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”，在放大器两端的调制脉冲上升沿也在200ns以上，难以满足使用要求。

另一方面随着半导体激光器技术的发展，高重复频率、快前沿、窄脉宽、高峰值功率的半导体激光器在工业、军事、科研等领域获得了广泛应用,尤其在激光雷达，激光通信、测距以及光导开关等领域。半导体激光器的稳定性、能量等性能与脉冲调制器输出的脉冲波形的幅值、脉宽以及脉冲波形前沿等电气参数相关。这就要求驱动半导体激光器的调制器所提供的驱动电流要满足前沿快、幅度大、脉宽窄、抖动小等要求。

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的研制要求以及半导体激光器调制器输出波形要求前沿快、电流幅值大以及脉宽窄等要求，提供了一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器，解决了脉冲调制器与半导体激光器以及微波功率放大器之间传输线电感对调制脉冲前沿的恶化问题，可将脉冲波形前沿陡化至远小于30ns内，具有重要的实用价值。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种快前沿大电流脉冲调制器电路，包括电流源单元、直流电压源E2、储能单元、开关单元以及负载单元，所述的开关单元包括半导体开关Q11、半导体开关Q12和切换开关管Q13，切换开关管Q13与半导体开关管Q11和半导体开关Q12组成半桥型结构的中间点HB相连；

所述的电流源单元由直流电压源E1和电流源I₁构成，电流源I₁的输入端与直流电压源E1的正极相连，其输出端与开关单元中半导体开关Q13的一端相连；

直流电压源E2的正极与储能单元的一端连接，储能单元的另一端与半导体开关Q11的一端连接，半导体开关Q11的另一端分别与切换开关Q13的另一端、负载单元(5)的一端以及半导体开关Q12的一端连接，负载单元的另一端以及半导体开关Q12的另一端接地，直流电压源E2的负极、直流电压源E1的负极接地。

本发明进一步的改进在于，所述的电流源单元的输出电流脉冲幅值高于储能单元放电时的最大电流。

本发明进一步的改进在于，所述电流源单元中直流电压源E1的输出电压高于直流电压源E2的输出电压；

或者，所述电流源单元中直流电压源E1的输出电压小于或者等于直流电压源E2的输出电压。

本发明进一步的改进在于，电流源单元由电压控制恒流源VCCS构成，通过控制电压实现对恒流源电流大小的控制，从而实现对输出脉冲前沿的调节，从而得到快前沿脉冲。

本发明进一步的改进在于，电流源单元由脉冲电流源构成。

本发明进一步的改进在于，该脉冲电流源由电感L₂所构成，电感L₂跨接在直流电压源E1和切换开关管Q13之间。

本发明进一步的改进在于，该脉冲电流源由电感L₂与电容C_r所构成，电感L₂与电容C_r串接在直流电压源E1和半导体开关管Q11和半导体开关管Q12组成半桥型结构中间点HB之间，切换开关管Q13的漏极与电感L₂与电容C_r串联的中间点相连，另一端接地。

本发明进一步的改进在于，该脉冲电流利用电感电流不能突变的特性，在储能单元对负载放电前，利用电感电流对负载进行充电从而获得快前沿。

本发明进一步的改进在于，该脉冲电流采用电感与电容共振，利用共振电流对负载进行充电从而获得快前沿。

一种快前沿大电流脉冲调制器，包括所述的电流源调制器电路。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

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，其中负载包括等效电感、等效电容以及电阻所构成。本发明在传统脉冲调制器基础上，增加了电流源单元，该单元可由压控恒流源或者脉冲电流源所构成。该单元包括直流电压源、压控恒流源或者由电感、电容等元件构成的脉冲电流源所构成。电流源与主电路之间通过开关进行切换。

快前沿大电流脉冲调制器的电源模块由两路组成，其中一路为辅助的电流源单元，另一路为直流电压源单元，辅助电流源单元主要用于将脉冲前沿快速拉升，在脉冲的上升沿，利用一较大的脉冲电流对负载进行充电，在10ns-20ns之内将放大器调制脉冲前沿迅速拉升至规定幅值；直流电压源单元用于产生调制脉冲维持电压，在脉内保持一定的电压幅值并将脉冲顶降控制在要求范围内。

附图说明

图1为传统脉冲调制器组成示意图；

图2为传统脉冲调制器在等效负载端输出电压波形；

图3为本发明快前沿大电流脉冲调制器组成功能示意图及具体实现图，其中图3(a)为本发明的调制器组成功能示意图，图3(b)为采用半导体开关的具体实现图；

图4为本发明快前沿大电流脉冲调制器在负载两端输出电压波形；

图5为本发明采用压控恒流源辅助实现的快前沿大电流脉冲调制器示例之一；

图6为本发明采用电感产生大电流脉冲对负载充电实现的快前沿大电流脉冲调制器示例之二；

图7为本发明采用电感与电容共振，利用共振电流对负载充电实现的快前沿大电流脉冲调制器示例之三；

附图标记如下：E1—辅助直流电源、E2—直流电源、R₁—充电电阻、C_S—储能电容、Q11,Q12—半导体开关、Q13—切换开关管、I₁—电流源、R_eq—等效电阻、L₁—等效电感、C_L—负载等效电容、R_L—负载等效电阻。

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E2、充电电阻R₁、储能电容C_S；开关单元包括半导体开关Q11和Q12以及开关控制模块等(在此省略)；负载单元包括封装引线电感以及系统中存在的杂散电感L₁、负载等效电容C_L及等效电阻R_L。R_eq为等效电阻，包含PCB走线电阻、开关管的导通电阻等。半导体开关Q11,Q12以半桥形式连接，Q11的漏极与充电电阻R₁和储能电容C_S的中间点相连接；储能电容C_S的一端接地，另一端通过充电电阻R₁与直流电压源E2的正极相连；负载等效电阻R_L与等效电容C_L并联后再与等效电感L₁串联，跨接在由半导体开关Q11,Q12组成板桥结构的中间点与地之间。必须说明的是，在某些应用场合，上述半导体开关Q12可以采用肖特基二极管来代替。半导体开关的驱动采用半桥式驱动控制器，该控制器依据输入的TTL电平信号控制半导体开关Q11,Q12的导通与关断，其详细的描述在此省略。在Q11关断期间，直流电源E2通过充电电阻R₁对储能电容C_S进行充电，当开关管Q11导通时，储能电容C_S对负载电阻R_L放电，能量传递至负载。

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，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E2输出电压80V，充电电阻R₁阻值1Ω，储能电容C_S为500uF，半导体开关型号为IPB060N15N5，驱动器采用2EDF7235K，负载为GaN微波功率放大器，导通电阻R_L阻值约为0.7Ω。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以及PCB走线的引线电感之和L₁约为50nH，等效负载电容C_L主要用于微波传输接地，其电容值在pF量级，在脉冲调制器电路中可忽略。微波放大器端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R_L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等效负载电阻R_L两端的调制脉冲波形。从图中可以看出即便是在半桥中间点V_HB输出脉冲上升沿和下降沿小于20ns的情况下，在负载电阻R_L两端的调制脉冲V_RL前后沿也在200ns以上，很难获得较快的前沿。

本发明在传统脉冲调制器基础之上，增加了一组辅助电流源单元，该单元包含辅助直流电源E1，电流源I₁和半导体切换开关Q13，用以实现电流源的切换，如图3所示。其连接关系为电流源I₁与电压源E1串联，通过切换开关Q13与开关单元半导体开关Q11,Q12构成的半桥结构中间点相连接。电压源E1为电流源I₁供电，其幅值可以略大于电压源E2或者小于等于电压源E2的输出电压，需要在具体设计中优化，电流值太大可能会导致开关器件的损坏。

图3(b)为本发明的具体实施例。图中开关Q11,Q12,Q13均采用N型MOSFET作为单向开关器件，但是本发明并不限定于此，亦可采用PMOS或者采用双NMOS构成的单向或者双向开关。本发明的动作过程如下：

在主开关管Q11未完全导通前，利用辅助电流源单元提供的电流源I₁对负载进行充电，由于I₁幅值较大且为恒流源，在该电流的作用下，负载两端的电压会迅速升高至电源电压E2，此时主开关Q11完全导通，切换开关Q13断开，由储能单元3对负载进行放电，维持正常的工作电流及电压，在一定脉宽后，断开Q11,闭合Q12，对负载进行放电，负载两端电压维持为零电位。

图4为本发明快前沿大电流脉冲调制器在负载两端输出电压波形。从图中可以看出，随着电流源充电电流的增大，负载两端波形的上升时间逐渐降低，当电流源电流为200A时(正常工作电流为160A时)，其上升时间缩短了40ns。

图5为本发明采用压控恒流源作为辅助电流源的示例。对照图4可以看出，随着电流源I₁幅值的增加，负载两端波形的上升时间逐渐减小，因而采用压控恒流源代替电流源I₁，通过电压设定便能实现对上升沿的调节。

图6为本发明利用电感产生大电流脉冲对负载充电实现快前沿的示例。该电路的动作过程如下：

在某个时刻t₀，开关管Q11断开，Q12导通，一段时间后，Q13也随之导通，电感两端的电压为电源电压E1，此时电感电流线性增加，其值可表示为：

式中I_t0为初始t₀时刻电感中的电流值，从上式可以看出，通过调节Q13的导通时间便可以控制电感的电流。t₁时刻当电感电流增加至某个设定值时，开关管Q12断开，由于电感电流不能突变且电感L₂的电感量远大于电路中等效电感L₁(杂散电感以及引线电感的总和)，因而可被认为恒流源对负载充电，充电电流值大小等于t₁时刻电感的峰值电流，即：

在充电电流的作用下，负载两端的电流线性上升(恒流作用下，电感两端电压恒定)，一段时间后，Q11导通，储能单元3对负载放电，用以提供维持电压和电流，此后Q13断开，电感L₂的电流逐渐线性降低，此后Q12导通，Q11断开对负载进行放电，负载两端的电压逐渐降低至0。再经过一定时间间隔，Q13再次导通，电感电流线性增加，积累能量。

上述动作过程交替循环，便可在负载端产生一定脉宽的具有快前沿的大电流脉冲。

图7为本发明采用电感与电容共振。该结构采用电感L₂与电容C_r代替电流源单元1。电感L₂与电容C_r级联，串接于辅助电源E1的正极以及开关管Q11,Q12构成的半桥结构中间点，开关管Q13的漏极与电感L₂与电容C_r级联的中间点相连接，源极与地相连接。整个电路的动作过程如下：

起始时刻，开关管Q12,Q13导通，Q11断开，此时电感电容C_r两端的电压差为0，电感L₂的电流按照公式(1)线性增加，一段时间后Q12,Q13断开，电感L₂与电容C_r共振，利用共振电流对负载充电实现的快前沿大电流脉冲。通过调节L₂与电容C_r的值，使其满足：

式中t_r为脉冲上升时间。当共振电流降低至0时，Q11导通，随后Q13导通，上述动作过程循环。

必须说明的是，本发明并不限定于此，任何具有电子线路基础的人员，都能对上述结构加以修改，但是任何采用辅助电流源来产生快前沿大电流脉冲均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，包括电流源单元(1)、直流电压源E2、储能单元(3)、开关单元(4)以及负载单元(5)，所述的开关单元(4)包括半导体开关管Q11、半导体开关管Q12和切换开关管Q13，切换开关管Q13与半导体开关管Q11和半导体开关管Q12组成半桥型结构的中间点HB相连；

所述的电流源单元(1)由直流电压源E1和电流源I₁构成，电流源I₁的输入端与直流电压源E1的正极相连，其输出端与开关单元中切换开关管Q13的漏极相连；

直流电压源E2的正极与储能单元(3)的一端连接，储能单元(3)的另一端与半导体开关管Q11的漏极连接，半导体开关管Q11的源极分别与切换开关管Q13的源极、负载单元(5)的一端以及半导体开关管Q12的漏极连接，负载单元(5)的另一端以及半导体开关管Q12的源极接地，直流电压源E2的负极、直流电压源E1的负极接地。

2.根据权利要求1所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，所述的电流源单元(1)的输出电流脉冲幅值高于储能单元(3)放电时的最大电流。

3.根据权利要求1所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，所述电流源单元(1)中直流电压源E1的输出电压高于直流电压源E2的输出电压；

或者，所述电流源单元(1)中直流电压源E1的输出电压小于或者等于直流电压源E2的输出电压。

4.根据权利要求1所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，电流源单元(1)由电压控制恒流源VCCS构成，通过控制电压实现对恒流源电流大小的控制，从而实现对输出脉冲前沿的调节，从而得到快前沿脉冲。

5.根据权利要求1所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，电流源单元(1)由脉冲电流源构成。

6.根据权利要求5所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，该脉冲电流源由电感L₂所构成，电感L₂跨接在直流电压源E1和切换开关管Q13之间。

7.根据权利要求5所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，该脉冲电流源由电感L₂与电容C_r所构成，电感L₂与电容C_r串接在直流电压源E1和半导体开关管Q11和半导体开关管Q12组成半桥型结构中间点HB之间，切换开关管Q13的漏极与电感L₂与电容C_r串联的中间点相连，切换开关管Q13的源极接地。

8.根据权利要求6所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，该脉冲电流利用电感电流不能突变的特性，在储能单元(3)对负载放电前，利用电感电流对负载进行充电从而获得快前沿。

9.根据权利要求6所述的快前沿大电流脉冲调制器电路，其特征在于，该脉冲电流采用电感与电容共振，利用共振电流对负载进行充电从而获得快前沿。

10.一种快前沿大电流脉冲调制器，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电流源调制器电路。