相控阵雷达的分布式供电设计*

钱倩云　孙　超　张峻岭

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所　扬州　225001)



相控阵雷达的分布式供电设计*

钱倩云孙超张峻岭

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所扬州225001)

现代高性能相控阵雷达多采用天线阵列后接TR组件布局,TR组件供电方式具有低电压、大电流的特征,组件单元数目越多,供电电流越大,传统的集中供电方式不能满足TR组件对供电质量的要求。分析了相控阵雷达的分布式供电关键技术和技术特点,阐述了相控阵雷达的分布式供电设计方法。

分布式供电系统; 开关电源控制模式; 雷达电源

Class NumberTN95

1　引言

现代高性能相控阵雷达多采用天线阵列后接TR组件布局,TR组件供电方式具有低电压、大电流的特征。传统的集中供电方式在低电压、大电流的应用场合存在缺陷,主要集中在以下三个方面:首先,相同直径的导体,导体热损耗与电流的平方成正比,在传输大电流时,集中供电方式引线导体发热严重,损耗大;其次,集中供电方式传输大电流时,引线导体的分布电感会导致负载端电源的动态响应特性变差,引起电压超调,损坏TR组件;再者,集中供电方式传输大功率时,需要多块电源并联,存在瞬态均流问题,供电系统的可靠性差。相反,分布式供电布局采用了逐级变换方式,供电系统由多级DC-DC变换器组成,电压逐级降低,电流逐级提升,避免了集中供电方式在低电压、大电流的应用场合的缺陷,提高了相控阵雷达的供电质量和可靠性。

2　分布式供电系统架构

分布式供电系统由三相有源功率因素校正APFC部分、一次电源部分、二次电源部分组成。三相有源功率因素校正APFC部分的作用在于降低负载无功分量,提高相控阵雷达对于发电机组的负载功率因数;一次电源部分的作用在于将APFC部分输出的630V直流高压转换为便于二次电源使用以及传输的直流母线电压,通常为240V～320V之间的电压或者36V～72V之间的电压;二次电源部分的作用在于将直流母线电压转换为TR组件以及各个阵面分系统所需的直流电压,通常为24V、12V、8V、5V、3.3V等,电压值较低,电流值较大[1～3]。

依据不同的直流母线电压和二次电源结构,阵面分布式供电系统有着多种架构形式以适用于不同的相控阵体制。旋转阵通常采用较高的直流母线电压,一般为240V～320V之间,通过滑环等机械结构为阵面提供电能。四面阵通常采用较低的直流母线电压,一般为36V～72V之间,通过馈电系统为阵面提供电能。四面阵按照TR组件的类型,又有着不同的二次电源结构,砷化镓组件采用8V供电,二次电源通常采用隔离式结构,单个二次电源的输出电流高达50A,可以给8个TR通道供电;氮化镓组件采用24V供电,二次电源通常采用非隔离式结构,以提高单个二次电源的功率密度。相控阵雷达常用的分布式供电系统架构如图1所示,采用这些供电系统架构的目的在于降低电能传输过程中的电流值,以降低热损耗,降低传输引线导体分布电感对电源动态性能的影响,提高电源的供电质量和可靠性。

　

3　分布式供电系统的建立

3.1直流母线电压的选择

直流母线电压的选择与相控阵的结构、TR组件的类型、供电安全性有着直接联系,母线电压选择的主要技术考量如下:

1) 相控阵的结构:旋转阵受制于机械结构的限制,希望减少旋转滑环连接部分的电流值,以提高旋转滑环的寿命和可靠性,传输功率不变时,电流的降低意味着电压提高,结合考虑一、二次电源的拓扑结构、功率开关器件、功率整流器件的选取,通常旋转阵的直流母线电压在240V～320V之间。四面阵没有机械结构的限制,更多考虑的是阵面收发单元的数目、TR组件的类型、供电安全性、以及二次电源的小型化和高功率密度,通常四面阵的直流母线电压在36V～72V之间[4～6]。

2) TR组件的类型:氮化镓组件采用24V供电,T单元通道电流在4A左右;砷化镓组件采用8V供电,T单元通道电流在5A左右。大型四面阵追求二次电源的小型化和高功率密度,过高的直流母线电压无法实现二次电源的上述两点要求,尤其当直流母线电压超过100V时,二次电源的驱动电路设计、功率器件选择变得十分困难,选择较低的直流母线电压可以使二次电源的小型化和高功率密度设计变得简单。不同母线电压、拓扑结构和输出电压值对应二次电源的功率密度如表1所示。

表1　不同直流母线电压、拓扑结构和输出电压值对应二次电源的功率密度

3) 供电安全性

依据IEC60950标准,供电安全性主要由电源中电气设备的工作环境和工作电压等级决定。工作环境的恶劣程度通过电气污染等级表示,Ⅰ类污染等级指无污染或仅有干燥的非导电性污染;Ⅱ类污染等级指一般仅有干燥的非导电性污染,但必须考虑到偶然的凝露造成的短暂导电性;Ⅲ类污染等级指有导电性污染,或由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性污染。相控阵雷达的电气设备及元件在不同母线电压与电气污染等级中的安全工作距离如表2所示。

表2　相控阵雷达的电气设备及元件在不同母线电压与电气污染等级中的安全工作距离

3.2电源功率拓扑的选择

大功率三相有源功率因素校正APFC部分常用拓扑有三相六开关APFC拓扑、三相VIENNA三电平APFC拓扑等[7];大功率一次电源部分常用拓扑有带同步整流移相全桥拓扑、带同步整流三电平全桥拓扑等;中小功率二次电源部分常用拓扑有带同步整流有源钳位正激拓扑、带同步整流半桥谐振拓扑、带同步整流全桥拓扑、带同步整流BUCK降压拓扑等。这些电源功率拓扑基本结构如图2所示。

图2　相控阵雷达常用的电源功率拓扑

电源功率拓扑的选择与电源的功能、转换功率、输入电压有着直接联系。有源功率因素校正APFC部分和一次、二次电源转换部分的功能存在差异,有源功率因素校正APFC部分按功能必须采用基于BOOST升压电路结构的拓扑,一次、二次电源转换部分按功能必须采用基于BUCK降压电路结构的拓扑;电源的转换功率也影响着电源拓扑的选择,转换功率越大,需要的功率开关器件越多,大功率电源通常选择全桥结构的拓扑,中小功率电源通常选择半桥、正激结构的拓扑以减少功率开关器件的数量,降低电源成本;输入电压越高,电源就必须选择带有变压器隔离结构的拓扑,在输入电压不超过80V的情况下,电源可以直接选择带同步整流非隔离BUCK降压拓扑。

3.3电源控制模式的选择

电源的控制模式决定了电源的线性稳定度和负载稳定度[8]。电源的线性稳定度用来描述电源输入电压突变时,电源输出电压的反应;电源的负载稳定度用来描述电源负载突变时,电源输出电压的反应。开关电源的控制模式分为电压控制模式和电流控制模式[9]。电压控制模式和电流控制模式的控制环路方框图如图3所示。电压控制模式通过串联的分压取样电阻R1和R2对输出Vout取样得到反馈电压Vfb,反馈电压Vfb和参考电压Vref通过误差放大器EA进行比较,误差放大器EA的输出信号Vx通过比较器CA与定频的锯齿波信号进行比较得到一定占空比的PWM驱动信号,进而驱动功率开关器件工作。电流控制模式实际有两个控制环路,前半部分与电压控制模式一致,不同的地方在于误差放大器EA的输出信号Vx通过比较器与流过电感L的电流取样IL×Rsense进行比较得到一定占空比的PWM驱动信号,进而驱动功率开关器件工作。

图3　电压控制模式和电流控制模式的控制环路方框图

电源依据不同的使用环境选择不同的控制模式,电压控制模式的特点主要为:单反馈环路、具有一定的抗扰动能力、无需检测电流、无需斜坡补偿、对负载的动态响应能力低下;电流控制模式的特点主要为:双反馈环路、抗扰动能力低下、需要检测电流、占空比大于50%时不稳定需要斜坡补偿、对负载的动态响应良好[10]。在恒定负载的环境下,电压控制模式的开关电源占主导地位,有利于提高电源的抗干扰能力,降低电源的器件复杂度;在脉动负载的环境下,电流控制模式的开关电源占主导地位,有利于提高电源的动态响应,降低输出电压脉动。

4　分布式供电系统负载端供电性能分析

假设某相控阵雷达阵面具有1024个24V供电的氮化镓T单元通道,单个通道最大平均工作电流4A,通道最大工作频率为2kHz,最大工作占空比为100%。根据T单元通道数目和工作电流,得到阵面的最大供电功率约为100kW,现采用分布式供电系统设计,为了使阵面内部电源的体积最小、功率密度最高,选择直流母线电压为48V,二次电源采用带同步整流非隔离BUCK降压拓扑,一次电源选择11个10kW级48V通讯电源模块进行母线电压转换,供电系统的结构如图1(c)低母线电压非隔离供电结构所示。

设计单块二次电源的输出功率定在450W,每块电源负责给4个氮化镓T单元通道供电。为了降低负载以2KHz频率空载满载切换时电源的输出电压脉动,二次电源选择电流控制模式。选择二次电源的其它参数如下:开关频率fs=250kHz,输出电感L=2μH,输出电容C=96μF,输出电容的串联电阻Resr=0.6mΩ,输入电压范围43V

(1)

式(1)中分别令输入v^g(s)=0、控制i^L(s)=0,可以求得控制-输出的传递函数Gvi(s)以及输入-输出的传递函数Gvg(s)如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

由式(2)可知,电流控制模式二次电源的输出电压仅受控于电流指令i^L(S),而输入电压v^g(s)的波动对输出电压没有影响。依据控制-输出的传递函数模型,采用二型补偿电路对控制环路性能进行改善,如图4所示。

图4　电流控制模式二次电源环路二型补偿电路

二型补偿电路的传递函数见式(4),电流控制模式二次电源的开环传递函数见式(5),通过设定二型补偿电路的电阻电容参数,可以控制二次电源输出电压的负载特性,使电源输出具有低纹波和高动态响应的特性,满足组件负载的供电需求,而这是集中供电方式无法达到的。现设定R1=4.75kΩ,Rb=680Ω,R2=59kΩ,C1=180pF,C2=0.047μF,电流控制模式二次电源的功率级Bode图见图5,二次电源输出的纹波,负载以1kHz为周期50%占空比空载有载切换时的动态性能见图6。

(4)

(5)

图5　二次电源功率级Bode图

图6　二次电源输出的纹波和动态响应性能

5　结语

本文讨论了现代相控阵雷达分布式供电系统的建立方法,介绍了分布式供电系统建立过程中在直流母线电压的选择、电源功率拓扑选择、电源控制方式选择时的考量点,并通过设计实例展示了分布供电系统在组件负载端的供电性能。相控阵雷达分布式供电系统能够有效避免集中供电系统的缺陷,在满足负载电性能的同时,提高相控阵雷达的供电质量和可靠性,具有极高的应用价值。

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Design of Distributed Power System for Phased Array Radar

QIAN QianyunSUN ChaoZHANG Junling

(723 Research Institute, CSIC, Yangzhou225001)

Modern high performance phased array radar always takes the TR module followed the Antenna array, the TR module power supply has a low voltage, high current characteristics. The more number of the TR modules, the greater current is required. The traditional centralized power system cannot meet the power quality requirements of the TR modules. The key technology and technical features of the distributed power system application in phased array radar are analyzed, and the design process of the distributed power system is elaborated.

distributed power system, switch power supply control mode, power for radar

2016年4月7日,

2016年5月17日

钱倩云,女,硕士研究生,工程师,研究方向:雷达发射和电源设计。孙超,男,硕士研究生,工程师,研究方向:雷达发射和电源设计。张峻岭,男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:雷达发射和电源设计。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.044