新型固定式相控阵雷达供电系统

2016-10-19李善庆汪邦照尹华桥王顺喜

雷达与对抗 2016年3期

关键词：相控阵直流组件

李善庆，汪邦照，尹华桥，王顺喜

(1．合肥华耀电子工业有限公司，合肥 230088；2．中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；3．总参三部南京军事代表室，南京 210018)

新型固定式相控阵雷达供电系统

李善庆1，汪邦照1，尹华桥2，王顺喜3

(1．合肥华耀电子工业有限公司，合肥 230088；2．中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；3．总参三部南京军事代表室，南京 210018)

介绍了一种新型固定式相控阵雷达供电系统。详细论述了供电系统需要解决的输入谐波和功率因数、阵面电源的体积和质量、电源传输电缆的损耗，以及安全性和热设计等方面的问题，并提出了具体解决方案。本供电系统主要包括地面整流电源、阵面DC/DC电源两部分。地面整流电源的输出直流通过电缆传输到雷达阵面上，作为阵面DC/DC电源的输入，其中地面整流电源采用18脉冲整流技术，阵面DC/DC电源采用高频开关电源技术。最后通过实际产品的波形测试证明了该新型雷达电源供电系统的可行性。

雷达供电系统；直流母线；多脉冲整流；阵面电源

0　引　言

相控阵技术已广泛应用于各种雷达中，发挥了重要作用，成为备受关注的雷达体制。相对于传统的机械扫描天线，相控阵雷达的横截面大幅减小，其扫描模式灵活，可以有效提高目标更新频率。将传统发射部分的行波管改为收发组件(T/R)，可靠性大大提升。T/R组件需要稳定的低压直流供电，在发射时需要提供很大的电流用于发射功率输出，在接收时则仅需要较小的电流维持接收功率。随着雷达超远距离探测、高扫描精确度的要求，雷达需要的发射功率越来越大，要求电源系统的功率容量也越来越大，体积和质量却越来越小。因此，作为相控阵雷达的重要组成部分，相控阵雷达供电系统需要实现高功率密度、高可靠性及良好的动态特性。

根据雷达探测目标和用途的不同，相控阵雷达可以划分为机动式和固定式两种。本文重点介绍某大型固定式相控阵雷达供电系统的研究与实现。

1　主要技术指标

某新型固定式相控阵雷达用电总功率近6 MW。

供电输入要求：三相三线380 VAC±10%，50 Hz±10%，THD<10%，PF>0.99。

阵面DAM(T/R组件)用电需求：直流28 V、10 V、5 V等。

2　供电系统的研究与实现

2.1供电系统方案设计

本雷达项目供电系统输出功率大，要求复杂，使用环境恶劣。为保证电源系统技术指标满足要求，需要解决输入谐波和功率因数、阵面电源的体积和质量、电源传输电缆的损耗，以及安全性和热设计等方面的问题。

2.1.1整流电路网侧谐波电流(THD)和功率因数(PF)

整流电路网侧的谐波电流(THD)较大，不仅污染电网，还会导致用电设备之间的相互干扰，使前端电站功率容量增大，并会引起电站发电机发热较严重。功率因数较低将造成部分功率在电站和电源的输入端空转，既使前端电站供电容量增大又影响电能使用效率。因此，在系统设计时谐波电流应越小越好，功率因数应越大越好。

整流电路有传统的三相6脉冲不控全桥整流、多脉冲整流(多脉冲变压器+不控整流桥)、PWM整流3种方案。3种方案的主要性能指标比较如表1所示。

表1　3种整流电路方案的主要性能指标比较

结合本供电系统应用于固定站的实际情况，地面设备的质量因素权重不大，故综合可靠性指标和技术指标要求，整流电路选择多脉冲整流方案。

多脉冲整流就是利用不同的绕组联结方式(如三角形联结和星形等等)构造得到相位不同的电压矢量，使得网侧电流由不同相位的电流矢量叠加而成，最终使得常规三相桥式整流电路网侧的方波电流变为叠加而成的阶梯波电流。与阶梯波合成逆变器的道理相同，根据阶梯波抵消原理，当合成电流波形的阶梯数越多，即相位不同的电压矢量数增加、整流脉冲数增多，则对应的电流波形中谐波成份越少，THD越小。不同脉冲数输入电流谐波分析结果如表2所示。由于变压器中存在漏抗，阶梯波边沿变缓，实际的THD会略小于理论分析结果。

表2　多脉冲整流器电流谐波分析结果

本供电系统中，综合考虑设计指标和变压器结构的复杂性，选择18脉冲整流电路，可以提高功率因数，减少无功功率损耗，有效降低电流谐波，实现绿色用电。其中网侧电流谐波可以实现<10%，功率因数可以实现>0.99。

2.1.2天线阵面电源的体积、质量控制

天线阵面电源的体积、质量与电源系统的供电方式密切相关。图1所示的供电方式是将市电或电站的三相380VAC/50Hz交流电直接传送到天线阵面，经天线阵面上的一次电源AC/DC转换成阵面设备所需的直流电源。

图1　传统雷达供电方式

图2所示的供电方式是先将市电或电站的三相380VAC/50Hz交流电通过放置于地面平台的整流电源进行整流，其输出的直流电压520VDC传送到天线阵面，再由阵面DC/DC电源二次转换成阵面设备所需的多种直流电源。

图2　新型雷达供电方式

图1所示的供电方式，其整流电路置于天线阵面上，增加了天线阵面上电源的体积与质量。图2所示的供电方式，其阵面电源是DC/DC转换，没有输入交流滤波器和高压大容量电解电容器，易于采用微组装工艺，可进一步减小阵面DC/DC电源的体积和质量。

根据本项目电源系统技术指标的要求，图2供电方式中阵面电源与图1传统供电方式中阵面AC/DC电源体积和质量比较如表3所示，而两种阵面电源的功率均以3 kW为例。

表3　图2供电方式中阵面电源与图1传统供电方式

经表3对比可知，图2供电方式中阵面电源体积仅为图1传统供电方式中阵面电源的21.9%，质量仅为26.7%，故采用图2所示的供电方式可大大减小雷达天线阵面电源的体积和质量。因此，本供电系统采用图2所示的供电方式。

2.1.3传输线缆损耗控制

阵面上近6 MW的低压直流电(主要是28VDC)传输到负载。常规做法是将阵面电源全部放在一个机柜中，阵面电源机柜与负载组件机柜(DAM)间结构布置方式如图3所示，电源机柜与负载组件机柜紧邻，电源与负载之间用线缆连接，供电电缆总长度按3 m计算。

按每个阵面电源3 kW，6 MW功率需要2000个3 kW电源。每个电源的传输线缆截面积取20 mm2时则每只电源与负载线缆之间线缆阻抗为

总的阵面低压直流输电线缆总损耗为

=60.26×103W

低压直流输电线缆总损耗为60多千瓦。这么大的损耗白白浪费在电源输出传输电缆上，既浪费电能，还带来诸如走线、散热等问题。

如果将阵面电源与负载T/R组件进行一体化结构设计(如图4所示)，由于电源和负载之间的传输线缆最大长度小于30mm，其输电线缆的损耗最多只有常规做法的1%，使阵面低压直流输电线缆损耗控制方面优势明显。当然，结构一体化设计也存在其他问题。通过技术的优化，这些问题都可以解决。因此，本供电系统中阵面电源置于在负载T/R组件中，结构实行一体化设计，如图4所示。

图3　传统供电系统DAM组件与阵面电源连线图

图4　新型供电系统DAM组件与阵面电源结构装配图

2.1.4安全性设计

由于供电系统具有功率大、输入电压高、输出电流大等特点，因此需要特别注意安全性设计。在发生故障时要启动保护机制，避免设备损坏和人身伤害。

本供电系统中，安全性设计主要有以下4个方面考虑：

(a) 电气绝缘。保持配电线路和电气设备的绝缘良好，保证人身安全和电气设备正常运行。

(b) 防直接接触。防止人体、物体等直接接触带电体而发生危险的措施或留有足够安全可靠的距离。

(d) 电击防护。当系统因绝缘损坏等异常情况下而采取的如过载、漏电保护等措施。

本供电系统从供电安全和设备运行稳定性两个方面综合考虑，阵面供电采用直流母线供电且对地绝缘，即直流母线浮地系统。直流供电母线浮地系统采用供电母线正负端对地绝缘，负载端外壳安全接地，将供电母线和人员操作接触电路完全分离开，防止人员接触高压部分，保障设备和人员的安全性。

本供电系统允许电源母线中的一极(正极或负极)长期破损并触碰到设备外壳而不造成人员伤亡。经试验，当人体触及带电外壳时，通过人体的电流约为7.87mA，远小于人体允许的安全电流300mA(当通过人体直流电流300mA、时间0.75s时发生心室纤维性颤动的概率大于50%，造成休克或者死亡)。

本供电系统在采用供电母线浮地系统的同时设计了母线漏电流告警保护装置和母线绝缘监测装置。漏电流告警保护装置采用直流微小电流传感器监测输出正负母线的电流差，判断对地泄露电流的情况。当泄露值在一定时间内超过阈值，告警电路将电源断开，为后级设备提供保护。母线绝缘监测装置利用绝缘传感器周期性地检测母线对地阻值是否满足要求。当对地电阻值小于设定值(一般为10kΩ量级)时，进行告警，电源保护性断开输出。

2.1.5热设计

本相控阵雷达供电系统的输出功率大，功率密度高，故系统散热问题的处理及实现难度也相应增加。综合考虑设备安装位置、使用环境要求、建设成本及可靠性问题，本系统选用间接强迫风冷加强迫液冷的冷却方式。系统各单元的热设计采用理论计算加计算机辅助仿真的方式进行，结合实验验证，保证全温度范围内系统整机稳定可靠工作。同时，本供电系统对热量较集中的部分采用热管集中导热的方式进行热量转移，再经由风机带走热量，对关键部件(如整流管、变压器、开关管等)的温度进行实时监控，一旦超过温度阈值会自动关闭电源，待温度恢复至正常工作范围时可重新开机，有效地提高了供电系统工作的可靠性。

2.2供电系统的组成框图

新型相控阵雷达供电系统主要由地面整流电源和阵面DAM组件电源两部分组成。每个整流电源输出功率为220kW，每个DAM组件中有2只3kW集中式DC/DC电源模块、16只分布式DC/DC电源模块及1只辅助电源模块。具体组成结构框图如图5所示。

图5　新型相控阵雷达供电系统结构框图

2.3供电系统的关键部件

2.3.1整流电源

整流电源的硬件系统主要由18脉冲整流电路、开机软启动电路、检测控制电路等部分组成，结构框图如图6所示。整流电源的软件系统可以实现对整流电源的自动控制和状态检测，并提供本地触摸液晶屏监控界面，用于监控其工作状态和工作参数。

图6　地面(平台)整流电源系统结构框图

主要性能指标如下：

(a) 输入：380VAC±15%/50Hz，三相三线；

(b) 输出：520VDC±15%，200kW；

(d) 总谐波畸变量：≤10%；

(e) 功率因数：≥0.95；

(f) 整机效率：≥0.95；

(g) 冷却方式：风冷；

(h) 保护功能：输入过欠压、输出过流保护；

(i) 通信接口：使用RS422信号通讯。

2.3.23 kW集中式DC/DC电源

3kW集中式DC/DC电源，其输入为直流母线的520VDC，输出为28VDC/3kW。它采用移相全桥软开关拓扑，可实现功率开关管的零电压开关(ZVS)，从而提高电源的效率、可靠性，减小EMI。该电源还具有输入输出纹波电流小、EMI干扰小、效率高、功率密度大等优点，可以实现多台电源并联均流输出，主要由输入滤波电路、主功率电路、输出滤波电路、PWM控制保护电路、辅助电源等部分组成。电源结构框图如图7所示。

图7　3kW集中式DC/DC电源转换系统结构框图

主要性能指标如下：

(a) 输入：500VDC±15%；

(b) 输出：28VDC/3kW(分8路输出)；

(d) 源效应：< 0.2%；

(e) 负载效应：<0.5%；

(f) 整机效率：≥ 92%；

(g) 冷却方式：外置冷板；

(h) 保护功能：输入过欠压、输出过欠压、输出过流及过温保护；

(i) 通信接口：使用RS422信号通讯。

2.3.3分布式DC/DC电源

分布式DC/DC电源输入为28VDC，输出两路，分别为10VDC/5A和5VDC/0.6A。由于3kW集中式DC/DC电源已经实现了原副边隔离，因此分布式DC/DC电源可以采用非隔离方案。电源结构框图如图8所示，整个电源可分为输入滤波、功率变换、输出整流滤波等部分。

图8　分布式DC/DC电源结构框图

主要性能指标如下：

(a) 输入：28VDC±15%；

(b) 输出：10VDC/5A，5VDC/0.6A；

(d) 源效应：< 0.5%；

(e) 负载效应：< 1%；

(f) 整机效率：≥ 85%；

(g) 冷却方式：外置冷板；

(h) 保护功能：输入过欠压、输出过欠压、输出过流和过温保护。

3　实验结果

根据上述方案，研制了1套新型相控阵雷达供电系统。经过测试及各种环境试验，该系统最后与雷达整机系统进行联试，性能稳定可靠，满足了整机系统的供电需要，达到了预期的效果。

图9为联机测试时整流电源的网侧三相电流波形。图10、图11、图12分别为地面整流电源、阵面3kW集中式DC/DC电源和分布式DC/DC电源的照片。

图9联机测试时整流电源网侧输入三相电流波形

图10　地面(平台)整流电源

图11　阵面3kW集中式DC/DC电源

图12　分布式DC/DC电源

4　结束语

本文中的新型雷达供电系统采用了18脉冲整流技术，大大降低了供电网侧的电流谐波，提高了功率因数。通过隔离变压器也可以轻易实现输入/输出隔离，从而提高系统安全性。把整流电源放置在地面上，大大减小天线阵面的质量和体积。地面整流电源和阵面DAM组件电源系统之间采用直流母线进行连接，阵面DC/DC电源和DAM组件进行一体化结构设计，有效减小了传输线的损耗。采用高频开关电源技术，进一步实现了阵面电源组件的小型化、高效率和高可靠性。该雷达供电系统已经批量生产并投入使用，验证了该新型雷达供电系统方案的可行性和可靠性，对今后类似相控阵雷达的供电系统设计具有重要的借鉴意义。

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A new power supply system for fixed phased array radar

LI Shan-qing1, WANG Bang-zhao1, YIN Hua-qiao2, WANG Shun-xi3

(1．ECU Electronics Industrial Co., Ltd., Hefei 230088；2．No. 38 Research Institute of CETC，230088；3．Military Representatives of Technical Reconnaissance Department of the Headquarters of the General Staff in Nanjing, Nanjing 210018)

A new power supply system of the fixed phased array radar is introduced. The problems of the power supply system that need to be solved are discussed in detail, including the input harmonic and power factor, size and quality of the power supply of arrays, loss of power transmission cables, safety, and thermal design. In addition, a specific solution is proposed. The power supply system mainly comprises the ground rectified power supply and the array DC/DC power supply. The output DC of the ground rectified power supply is transmitted to the arrays as the input of the array DC/DC power supply via the cables. The ground rectified power supply adopts the 18-pulse rectification technology, and the array DC/DC power supply uses the HF switch power supply technology. Finally, the feasibility of the new power supply system of the fixed phased array radar is verified through the waveform test of the actual product.

radar power supply system; DC bus; multi-pulse rectification; array power supply

2016-05-30

李善庆(1966-)，男，研究员，研究方向：军用中、大功率高频开关电源、电源模块及雷达供电系统；汪邦照(1982-)，男，工程师，研究方向：军用开关电源和雷达供电系统设计工作；尹华桥(1966-)，男，高级工程师，研究方向：雷达系统的研究设计；王顺喜(1978-)，男，高级工程师，研究方向：雷达系统的研究设计。

TN952

1009-0401(2016)03-0019-06

项目支持：安徽省115产业创新团队项目