新型固定式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)研究

張 冰

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn)在于橫截面小、掃描方式靈活、目標(biāo)更新頻率快等，在傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的基礎(chǔ)上，以收發(fā)組件替代行波管，使得雷達(dá)掃描穩(wěn)定性顯著提高。收發(fā)組件的正常運(yùn)行需供應(yīng)穩(wěn)定的低壓直流電，發(fā)射瞬時(shí)電流較高。固定式相控陣?yán)走_(dá)為相控陣?yán)走_(dá)的主要類型之一，研究更加可靠的供電方式，可確保充分發(fā)揮固定式相控陣?yán)走_(dá)的性能優(yōu)勢(shì)。

1 固定式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 供電系統(tǒng)選型

固定式相控陣?yán)走_(dá)傳統(tǒng)供電系統(tǒng)采用集中供電的方式，存在如下供電弊端。第一，導(dǎo)體直徑相同時(shí)，熱損耗與電流的平方正相關(guān)，因此傳輸電流過大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱嚴(yán)重，產(chǎn)生額外損耗。第二，集中供電的方式在進(jìn)行大電流傳輸時(shí)，導(dǎo)線部分產(chǎn)生的電感會(huì)削弱負(fù)載端電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，引發(fā)電壓超調(diào)現(xiàn)象，易損壞T/R 組件。第三，傳輸功率較大時(shí)，集中式電源需并聯(lián)多個(gè)電源，產(chǎn)生的瞬態(tài)均流會(huì)降低供電穩(wěn)定性。

分布式供電系統(tǒng)包括多個(gè)DC-DC 變換器，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流的逐級(jí)變換，進(jìn)而有效解決傳統(tǒng)集中式電源無法很好地適應(yīng)大電流、大功率傳輸需求的問題。因此，本文研究的新型供電系統(tǒng)采用分布式電源。

1.2 供電系統(tǒng)規(guī)劃

分布式供電系統(tǒng)包括三相有源功率矯正APFC 模塊、一次電源模塊和二次電源模塊。其中，APFC 負(fù)責(zé)控制負(fù)載無功分量，提高固定式相控陣?yán)走_(dá)對(duì)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載功率因數(shù)；一次電源將來自APFC 模塊的直流高壓轉(zhuǎn)換為直流母線電壓，方便二次電源使用，通常處理后的電壓幅值在240～320 V 或36～72 V；二次電源模塊負(fù)責(zé)將來自一次電源的直流母線電壓轉(zhuǎn)化為可被收發(fā)組件及陣面電源直接使用的直流電壓，幅值包括24 V、8 V、3 V 等。

常見相控陣體系包括旋轉(zhuǎn)陣、四面陣等，不同相控陣可設(shè)計(jì)不同的分布式電源系統(tǒng)架構(gòu)。例如，四面陣一般使用小幅值直流母線電壓（36～72 V），以饋電系統(tǒng)作為供電媒介。按照收發(fā)組件類型不同，四面陣的二次電源結(jié)構(gòu)也可分別設(shè)計(jì)。表1 為分布式供電系統(tǒng)架構(gòu)與相控陣體制間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 分布式供電系統(tǒng)架構(gòu)與相控陣體制間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 固定式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)搭建

2.1 直流母線電壓

2.1.1 相控陣體制選擇

相控陣主要為旋轉(zhuǎn)陣和四面陣。其中，旋轉(zhuǎn)陣的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制較大，想要提高滑環(huán)機(jī)構(gòu)的靈活性并延長(zhǎng)使用壽命，需適當(dāng)降低電流幅值。但是，當(dāng)功率既定時(shí)，調(diào)低電流會(huì)導(dǎo)致電壓上升。四面陣不受機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，其選擇主要關(guān)注陣面收發(fā)單元數(shù)、T/R 組件類型、二次電源體積等，因此選擇該類型。

2.1.2 T/R 組件類型

結(jié)合表1 信息，T/R 組件分為砷化鎵和氮化鎵兩種類型，二者的T 通道電流分別在5 A 和4 A。若為大型四面陣，二次電源的體積需盡量小，且有較高的功率密度。若直流母線電壓過高，以上要求則無法實(shí)現(xiàn)。尤其是電壓幅值在100 V 以上的情況，需選擇較小的直流母線電壓，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程[1]。

2.2 電源功率拓?fù)?/h3>

大功率三相有源功率矯正APFC 模塊電源功率拓?fù)渲饕侨嗔_關(guān)APFC 拓?fù)浜腿郪IENNA 三電平APFC 拓?fù)洌灰淮坞娫茨K主要為帶同步整流移動(dòng)全橋拓?fù)浜腿娖饺珮蛲負(fù)洌欢坞娫茨K主要為帶同步整流有源鉗位正激拓?fù)浜桶霕蛑C振拓?fù)洹＞唧w拓?fù)湫杞Y(jié)合電源性能、功率、輸入電壓等參數(shù)進(jìn)行選擇。但需注意，APFC模塊的拓?fù)湫铻锽OOST升壓電路結(jié)構(gòu)，一次電源與二次電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需為BUCK 降壓電路結(jié)構(gòu)。若電源對(duì)轉(zhuǎn)換功率要求較高，則優(yōu)先選擇半橋拓?fù)浠蛘ね負(fù)洌源藴p少對(duì)功率開關(guān)的需求；若電源輸入電壓較高，則優(yōu)先選擇自帶變壓器的拓?fù)洹?/p>

2.3 電源控制方式

控制方式與電源供電穩(wěn)定運(yùn)行有關(guān)，主要包括電源應(yīng)對(duì)電壓突變或負(fù)載突變的能力。固定式相控陣?yán)走_(dá)電源控制方式主要包括電壓控制和電流控制兩種。其中，電壓控制模式存在串聯(lián)分壓取樣電阻，取樣輸出電壓后得到反饋電壓，經(jīng)過放大器處理后進(jìn)行誤差比較。在比較器完成放大器輸出電壓小信號(hào)與定頻鋸齒波信號(hào)對(duì)比后得到PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，運(yùn)行功率開關(guān)。電流控制模式中存在兩個(gè)控制環(huán)路，其與電壓控制的區(qū)別在于對(duì)比對(duì)象的不同。在該控制模式中，放大器輸出電壓信號(hào)與電感采集到的電流與電阻阻值的乘積進(jìn)行對(duì)比。控制模式的選擇需結(jié)合電源運(yùn)行環(huán)境。總結(jié)而言，電壓控制的優(yōu)勢(shì)在于單環(huán)路、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)、負(fù)載影響程度低等。若負(fù)載恒定，則優(yōu)先選擇電壓控制模式；若環(huán)境中存在脈動(dòng)負(fù)載，則需選擇電流控制模式。

2.4 一次電源控制保護(hù)電路

2.4.1 控制保護(hù)電路

控制保護(hù)電路的核心構(gòu)件為UC1935 型控制器，配合過壓、欠壓、過流、溫度保護(hù)等電路，形成完整的保護(hù)系統(tǒng)。UC1935 控制器專門針對(duì)相控陣設(shè)計(jì)，可同時(shí)提供翻譯、解碼、保護(hù)等多種功能。控制器為四路驅(qū)動(dòng)輸出，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)半橋，可獨(dú)立控制死區(qū)時(shí)域，確保時(shí)域內(nèi)下一連通軌道順利完成放電過程。

UC1935 控制器對(duì)電源控制方式無嚴(yán)格要求，在電壓或電流控制模式下均可正常運(yùn)行，對(duì)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。該控制器具備如下優(yōu)勢(shì)：第一，占比控制范圍在0%～100%；第二，開關(guān)頻率在100 MHz，可滿足多種供電系統(tǒng)的運(yùn)行需求；第三，控制器自帶欠壓鎖定，可保證輸出電壓低幅值；第四，自帶軟啟動(dòng)控制；第五，死區(qū)時(shí)域控制為獨(dú)立進(jìn)行；第六，誤差放大器有效范圍為0～10 MHz；第七，可提供電流峰值為6 A；第八，適用于多種電源控制模式；第九，在鎖定狀態(tài)下，利用電流比較器可完成重啟，為電路提供保護(hù)作用。

2.4.2 濾波電路

濾波電路主要負(fù)責(zé)二相交流電源的合流和過濾，得到幅值為280 V 的交流電壓，滿足電路使用需求。電磁干擾過濾器可削弱電源噪音信號(hào)和被污染電網(wǎng)對(duì)電路的干擾。二相合流橋模塊中帶有輸出控流線圈，用以穩(wěn)定輸出電流，提高功率。

通道定義方案設(shè)計(jì)如下：CHI-V1 漏源電壓衰減倍數(shù)為500；CHZ-V1 源頭電壓衰減倍數(shù)為50；CH3-電阻3 兩側(cè)電壓衰減倍數(shù)為50。若發(fā)生電路瞬間中斷現(xiàn)象，需立即關(guān)閉源電壓，通過電阻向兩側(cè)充電，得到電路兩側(cè)電壓為UC2=E×et·RDS。式中，E、et、RDS分別代表電路實(shí)時(shí)電流、電流最大輸出值和輸出電阻阻值。電路初步充電階段，若源電壓發(fā)生短路，兩側(cè)電阻發(fā)揮分壓作用，開關(guān)承受反向壓力，通電瞬間電阻上的電流達(dá)到最大值。兩側(cè)電壓逐漸下降后，開關(guān)承受的反壓轉(zhuǎn)化為正壓，通過電阻器對(duì)電路充電。以上過程中，柵極電壓逐步提高，當(dāng)其達(dá)到3.5 V 時(shí)，開關(guān)1 閉合，由開關(guān)1 和兩側(cè)電阻同時(shí)對(duì)電路充電[2]。電流流經(jīng)電阻在單級(jí)管兩側(cè)形成正壓，壓力值達(dá)到0.7 V后，聯(lián)通作業(yè)開始，可有效限制電容器充電電流。若正壓力值無法供應(yīng)開關(guān)聯(lián)通需求，兩側(cè)電壓繼續(xù)上升，直至達(dá)到安全范圍，促使開關(guān)狀態(tài)恢復(fù)正常。

3 固定式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)優(yōu)化

固定式相控陣?yán)走_(dá)傳統(tǒng)供電系統(tǒng)在安全性、傳輸損耗、陣面電源體積等方面還存在較大的優(yōu)化空間，因此針對(duì)以上問題，在分布式供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)其做針對(duì)性優(yōu)化。

3.1 安全性優(yōu)化

雷達(dá)供電系統(tǒng)輸入電壓高、輸出電流大，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需要在供電系統(tǒng)中添加安全保護(hù)機(jī)制，避免故障發(fā)生時(shí)影響人員和設(shè)備的安全。安全性優(yōu)化主要考慮電氣絕緣、防止帶電體直接接觸、安全載流量及電擊防護(hù)。其中，電氣絕緣即保持配電線路與電氣設(shè)備間良好的絕緣性；防止帶電體直接接觸即避免人員觸碰帶電體而引發(fā)觸電事故；安全載流量可被用于導(dǎo)線截面及設(shè)備型號(hào)的優(yōu)化選擇，要求供電系統(tǒng)內(nèi)外連接線均依照安全安全載流量進(jìn)行設(shè)置，溫度變化范圍不超過20 ℃。安裝直流母線浮地系統(tǒng)，母線正負(fù)端均對(duì)地絕緣，負(fù)端與設(shè)備外殼聯(lián)合接地，確保母線與人員操作電路相互獨(dú)立。同時(shí)，安裝母線漏電保護(hù)裝置和絕緣監(jiān)測(cè)裝置，嚴(yán)格防范安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 傳輸損耗優(yōu)化

傳輸損耗的常規(guī)控制方法為將陣面電源設(shè)置在同一機(jī)柜中，電源機(jī)柜與負(fù)載組件機(jī)柜間緊密排布，使用電纜連接。設(shè)連接電纜長(zhǎng)度為3 m、截面為20 mm2，單個(gè)陣面電源的功率為3 kW，若達(dá)到雷達(dá)供電需求，需安裝2 000 個(gè)陣面電源。計(jì)算可得，各陣面電源與連接電纜間阻抗為2.625×10-3Ω，傳輸損耗為60.26×103W，傳輸損耗較大，且容易引發(fā)走線、散熱等問題。

因此，決定對(duì)陣面電源與T/R 組件設(shè)計(jì)為一體化結(jié)構(gòu)，盡可能縮短電源與負(fù)載之間的傳輸距離[3]。經(jīng)處理后，連接電纜的長(zhǎng)度約在30 mm，因此傳輸損耗也將降低至原來的1%左右，傳輸損耗控制效果明顯。一體化結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式為：將陣面電源設(shè)置在T/R 組件中，形成結(jié)構(gòu)整體。

3.3 陣面電源體積優(yōu)化

陣面電源體系與電源系統(tǒng)供電方式直接相關(guān)。當(dāng)采用三相交流電直接傳送的供電方式時(shí)，通過一次電源將電源轉(zhuǎn)化為可供陣面電源直接使用的直流電。該種供電方式需要在陣面上設(shè)置整流電路，從而導(dǎo)致陣面電源體積增加。若采用市電-整流電源-陣面電源的供電方式，則無需安裝交流濾波器和電解電容，可進(jìn)一步降低陣面電源體積，同時(shí)保證電源功率不變。經(jīng)計(jì)算，新的供電方式較傳統(tǒng)供電方式相比，陣面電源的體積可降低80%左右。

4 結(jié) 論

分布式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)在供電穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性方面，均較傳統(tǒng)供電方式有明顯的提升。在系統(tǒng)優(yōu)化上，陣面電源與T/R 組件間空間關(guān)系的確認(rèn)還需做進(jìn)一步研究，以在降低傳輸損耗的同時(shí)，確保供電系統(tǒng)各模塊的正常運(yùn)行。