MOSFET技术在海航脉冲发生器中的应用

沈永东　胥飞　张元熙

摘 要：针对传统氢闸流管老式脉冲发生器体积大、精度低、效率低、故障率高等缺点，设计了一种以MOSFET为主开关的海航脉冲发生器。从海航脉冲发生器的主电路设计、控制中心、MOSFET驱动电路设计、关键技术等方面进行了研究。结果表明，该脉冲发生器体积较小，可靠性、精度较高。

关键词：脉冲发生器；MOSFET；驱动电路；控制中心

中图分类号：TN787 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.012

海航雷达在渔业生产、国际贸易、海洋搜救方面都起着至关重要的作用，而脉冲发生器是海航雷达的重要组成部分。脉冲发生器的主要作用是设计最优的信号形式（波形设计），以提供电压、功率、脉冲宽度和脉冲波形等都符合要求的射频脉冲，并且使输出信号具有大的时频宽乘积，从而不易被干扰、覆盖，具有更高的分辨率，更易识别目标。脉冲发生器主要由控制开关、储能元件、隔离元件和旁通元件等部分组成，其负载为微波源（磁控管）。脉冲发生器的工作原理如图 1所示。

目前，国内外的海航脉冲发生器仍旧以氢闸流管为主开关，以控制脉冲的发射和关闭。该类产品的特点是体积大、故障率高、输出波形差、精度低、效率低。鉴于此，本文设计了一种以MOSFET为主开关的海航脉冲发生器。

1 主电路设计

首先确定脉冲发生器主电路的拓扑结构。针对传统氢闸流管不能自关断的特点，本文采用MOSFET刚性开关管作为脉冲发生器的主开关。与另外一种刚性开关管IGBT相比，MOSFET刚性开关管更适合作为海航脉冲发生器的主开关，因为MOSFET开关速度更快，可获得更好的输出波形。

本文采用多个MOSFET串并联作为主开关。经过合理推导，多个MOSFET串并联作为控制开关的拓扑结构如图2所示。这种拓扑结构打破了以往高压电源的滤波电容向储能电容补充能量的常规结构，而将储能电容和高压滤波电容合二为一，成为脉冲电容。高压电源直接向储能电容充电，以串并联形式组合的调制开关串接在储能电容与负载之间，栅极驱动和控制电路在触发电路的激励下，控制所有的开关（MOSFET），以预置的脉冲宽度和重复频率同时导通和关断，从而在负载上得到已设定脉冲宽度和重复频率的调制脉冲。

2 控制中心

采用FPGA作为脉冲控制发生芯片，经过研究，完成了发射机中脉冲发生器的设计。图3所示为脉冲调制器的电路简图，其中，电容滤波电路、电压转换电路和FPGA 产生脉冲信号电路均被略去。在脉冲发生电路中，由 FPGA 产生的脉冲信号较弱，无法驱动功率开关管，因此需通过驱动芯片来转换电平，驱动功率开关管。脉冲发生器中的功率开关管是发射机正常工作的关键器件。仅用一路开关管，会存在极大的风险，而用多路参数相同、作用也完全相同的开关管，可降低发射机故障的概率。

采用 FPGA 产生脉冲信号，可保证脉冲信号输出特性近似相同。功率开关管的选择主要考虑其耐压值和脉冲信号的转换能力。直流高压 High Voltage 由直流电压模块将 24 V 的电压转换为 400 V 的直流高压。发射机为采用变压器耦合和有源开关阴极脉冲调制方式的磁控管发射机，因此，直流高压通过脉冲变压器的初级绕组加载在功率开关管上。当脉冲调制信号到来，开关管导通，直流高压经脉冲变压器耦合到次级负载，形成射频波形。

3 MOSFET驱动电路设计

MOSFET主电路能否安全、稳定的运行取决于多方面的因素，其中，驱动电路的设计是否合理，将直接决定MOSFET主电路能否可靠工作。MOSFET的开关特性和安全工作区会随栅极驱动电路的变化而变化，MOSFET的损坏往往是因驱动电路设计得不合理导致。

Power MOSFET驱动电路的设计要求主要有：①驱动电路能够提供足够的驱动功率。②在开通时，以低电阻对栅极电容充电；在关断时，为栅极电荷提供低电阻放电回路，以加快功率MOSFET的开关速度。 ③为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压。

当PWM驱动芯片的驱动电流不足以驱动一个大功率的MOSFET或多个MOSFET并联时，最简单的方法是加图腾柱驱动。本文将一个“N”型的MOSFET和一个“P”型的MOSFET串联作为图腾柱驱动电路。此电路既可以非常快速地导通关断，又可以瞬时提供足够的负载驱动力。

4 关键技术

4.1 MOSFET串联均压

应用MOSFET串联均压技术时，需注意以下三点：①尽量选用型号、特性一致的MOSFET，并且MOSFET吸收电路、驱动电路的结构和参数也应保持一致；②系统设计要科学、合理，以避免电路分布参数不合理带来的影响；③设计合理、有效的动态和静态均压电路，以确保串联MOSFET 开关的动态和静态电压均衡。

4.2 MOSFET并联均流

应用MOSFET并联均流技术时，需注意以下几点：①选择器件时，尽量选择均流参数一致的器件；②电路布局尽量对称，栅极驱动输入阻抗必须匹配，所有引线尽量短而粗；③源极电感应尽量一致，这样可使电流上升、下降速度一致；④加强各并联器件之间的热耦合，将并联MOSFET放置在同一块散热装置上；⑤在栅极上串联磁珠或小电阻，在漏极与栅极之间接入数百微法的电容，以抑制寄生振荡。

5 实验与分析

根据上述原理，制作、调试了该电路。基于 MOSFET 技术的脉冲发生器的实验结果如下：0.075 μs（窄脉冲）射频输出波形的技术指标为上升沿8 ns，下降沿60 ns，脉冲宽度为0.100 μs，如图4（a）所示；0.25 μs （中脉冲）输出波形的技术指标为上升沿8 ns，下降沿70 ns，脉冲宽度为0.317 μs，如图4（b）所示；0.75 μs（长脉冲）输出波形的技术指标为上升沿8 ns，下降沿80 ns，脉冲宽度为0.816 μs， 如图4（c）所示；1.2 μs（超长脉冲）输出波形的技术指标为上升沿8 ns，下降沿80 ns，脉冲宽度为1.26 μs，如图4（d）所示。

将所得实验数据与国内外研究机构的相关数据进行了比较，现对比较结果作如下介绍。

西安科技大学硕士研究生袁银奇在硕士论文《船用导航雷达发射机的研究》中，将 MOSFET 应用到脉冲发生器中，该脉冲发生器获得了较好的波形参数，其窄脉冲的射频输出波形的技术指标为上升沿20 ns，下降沿80 ns，脉冲宽度为0.18 μs；中脉冲的射频输出波形的技术指标为上升沿20 ns，下降沿80 ns，脉冲宽度为0.46 μs；长脉冲的射频输出波形的技术指标为上升沿20 ns，下降沿100 ns，脉冲宽度为1.28 μs。

国际上海航脉冲发生器的领导者为日本古野，其相关海航脉冲发生器几乎属于市场垄断性产品，同样也是采用了刚性开关管脉冲发生器。同类型先进产品古野 25 kW/S1 脉冲发生器的射频输出波形数据为：0.12 μs（窄脉冲）的射频输出波形的技术指标为上升沿20 ns，下降沿80 ns，脉冲宽度为0.18 μs；0.4 μs（中脉冲）的射频输出波形的技术指标为上升沿20 ns，下降沿80 ns ，脉冲宽度为0.50 μs；1.2 μs（长脉冲）的射频输出波形的技术指标为上升沿 20 ns，下降沿160 ns，脉冲宽度为1.32 μs。

当前，无论是国内，还是国外的脉冲发生器，体积都比较大，笨重的外形和复杂的结构必然导致元器件成本上升、可靠性和效率降低、后期维护不便。

6 结束语

本文设计了一种以MOSFET为主开关的海航脉冲发生器。该类产品可靠性高、体积小、效率高、技术参数突出，可广泛替代原有的以氢闸流管为主开关的海航脉冲发生器，在未来的海用导航、内河导航中的应用更为广泛。

参考文献

[1]袁银奇.船用导航雷达发射机的研究[D].西安：西安科技大学，2013.

[2]魏智.发射机高压脉冲发生器的设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3]任德龙.IGBT串联型雷达脉冲调制器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[4]于仕财，马强，李建华，等.基于IGBT的固态脉冲调制器设计[J].电子设计工程，2011（09）.

[5]卢豫曾.功率MOSFET的应用[M].南京：东南大学出版社，1995.

[6]张良.高重复频率MOSFET脉冲调制技术研究[D].绵阳：中国工程物理研究院，2007.

[7]苏娟.高频功率MOSFET驱动电路及并联特性研究[D].西安：西安理工大学，2003.

〔编辑：刘晓芳〕