模块化组合式雷达直流应急电源研究

程光锋 徐绵起 王 青 王恒利

(空军94981部队 南昌 330200)

模块化组合式雷达直流应急电源研究

程光锋 徐绵起 王 青 王恒利

(空军94981部队 南昌 330200)

直流电源作为雷达的二次电源，不仅种类规格多、而且对可靠性、稳定性要求高。然而，由于负载、电网、自然环境等的影响和工作环境的电磁干扰，直流电源容易出现故障，这对雷达情报的正常传递造成致命的影响。本文提出了一种模块化组合式直流电源，作为故障情况下雷达的应急电源，保障直流电源连续不间断的工作，确保雷达直流供电的连续性和可靠性。通过模块化设计，降低了成本、减小了体积重量，提高了可维护性以及可靠性，通过组合式设计，可以适应不同型号雷达的应急供电需求，减少了直流电源数量，提高了通用性和全面性。

直流电源;模块化;组合式;应急电源

0 引言

雷达中的直流电源是一种利用功率半导体器件将交流电变成直流电，然后供配给雷达发射机和接收机直流负载的一种非标电源，作为雷达的二次电源，直流电源的种类繁多，根据实现方式的不同可以分为线性电源和开关电源等，根据输出电压规格可以分为24V、±15V、±12V、±10V、±5V、3.3V 等。雷达对直流电源的稳定性和可靠性要求很高，直流电源的良好运行，对雷达的安全运行和发挥应有效能十分重要。然而，由于负载、电网、自然环境的影响和周围电磁环境的干扰，直流电源容易出现故障，如果备件短缺或者现有保障力量不能解决的情况下，整部雷达可能陷入瘫痪状态，这对雷达情报的正常传递造成致命的影响。因此，有必要设计直流电源的应急电源，保障直流电源连续不间断的工作，确保设备直流供电的连续性和可靠性。除此之外，应急电源还能起到临时供电的作用，当雷达停机检修或者日常维护时，可以对检修部分进行供电，而不需要整部雷达开机运行。

雷达直流电源主要有线性电源和开关电源两类，线性电源功率小，输出直流的纹波小，抗电磁干扰能力强，电源纯净性度高，但是发热量大，效率低;开关电源功率大，输出直流的纹波大，发热量小，效率高。因此，对电源效率、电源功率和安装体积要求高的地方多选用开关电源，对电磁干扰和电源纯净度要求高的地方，多选用线性电源。

1 直流电源故障特性分析

实践证明大多数设备的故障曲线为浴盆曲线，故障率是时间的函数，如图1所示，曲线的形状呈两头高，中间低，划分为三个阶段:早期故障期，偶然故障期，损耗故障期［1－6］。然而，随着状态检修技术的发展，研究发现设备的健康状态对设备的故障率有着直接的影响，设备的状态劣化程度用健康指数HI(Health Index)来描述。雷达直流供电系统由多个直流电源组成，每个直流电源的运行状态往往由若干状态量共同决定，因此，直流供电系统的健康指数的获取涉及到各个直流电源状态量的采集和评估。

根据文献［7－9］，设备健康指数数值上升，故障率也随之上升，具有如式(1)的指数关系

式中:K为比例参数;C为曲率参数。只要按年统计设备的健康状态分类和年故障发生率，得到至少2年的统计样本数据，就可以采用反演法来求解比例系数K和曲率参数C，从而求得故障率模型。

首先，统计计算设备的年故障发生概率;其次，对设备进行状态评价并根据健康状态进行分类，确定各个分类设备的台数;最后，将每年的统计结果代入式(2)，联立求解得到模型参数K和C的值

表1为某型雷达2010年和2012年直流供电系统健康状态分类表，将表中数据代入式(2)中，即可通过反演法得K=0.0056，C=0.0488。

表1 某型雷达直流供电系统健康状态分类表

求得K、C后，带入式(1)，可得直流电源故障概率曲线如图2所示。

由图2可知，当状态评价分值处在区间(60，100)分内时，故障率超过10%，需要对直流系统的运行状态加以注意，也可以从表1的统计数据看出，该型雷达直流供电系统直流电源年故障发生概率小于10%，同一个时间段(比如一周)，直流电源故障发生概率将会更小，此统计数据对直流应急电源的设计具有指导意义。

2 直流应急电源研究思路

2.1 直流应急电源设计思路

雷达直流电源种类多、功率等级大小不一，虽然可以设计一款具有全部输出电压种类，按最大功率等级的单独式电源，但是，这样会造成电源体积大、重量大、成本高。为了实现直流应急电源可靠性高、维护方便、便携性好的特点，本文采用了“模块化”设计理念，所设计的应急电源主要由功率单元模块和电源框架两部分组成，功率单元模块主要实现电能变换，满足负载需要，既可以单独运行，又可以并联运行，结构设计具有互换性和通用性，并具有热插拔功能，实现了N+1冗余。电源框架主要包括保护动作电路、辅助电源、指示电路等几个部分，交流电引入电源框架，经滤波、保护电路后，再送到功率单元模块。

图3为模块化组合式直流应急电源的外形图，其结构为组合插件式，通过导轨和导向销将功率单元模块插入电源框架内，接插件安装于电源后部，输入输出均通过插箱后板上插座转接，开关、保险丝、指示灯、测试插孔安装于面板正面，采用风冷散热方式。

2.2 模块化设计的好处

采用模块化设计的好处主要有:

(1)种类少

单独式设计的产品不能满足直流电源种类多样，功率等级多样的需求，模块化电源可以根据不同的需求选定功率单元模块进行灵活的组合，从而实现不同的功能，在设计时只需考虑设计几种通用性好的功率单元模块即可。

(2)保障全

面对多种型号雷达的应急供电需要，每型雷达可以根据自身的需求，选择不同的功率单元模块，插入到电源框架中，组合成自己需要的电源，这样不仅节约了成本，而且能够实现更全面的保障。

(3)成本省

由于功率单元模块具有很好的通用性，可以组合形成不同需求的直流电源，相比以往单独式的直流电源，能大幅度的降低研发成本。

(4)质量好

如果研发单独式直流电源，可能需要几十种直流电源，种类越多，发生故障的概率就将成几何倍数增长，而采用模块化设计后，每个模块都是标准模块，种类少、质量好、可靠性高。

(5)维修便

模块化电源具有很强的可维护性，功率单元模块出现问题时，可以在不影响整体系统的情况下对其更换或者维修，保证电源供电正常，而且模块具有良好的通用性，因此电源的可维修性也大幅度提升。

3 直流应急电源模块化设计

直流应急电源电气原理如图4所示，220V交流电压引入电源框架后，经过滤波模块、变压器、整流滤波、DC/DC电路得到需要的直流电压，控制保护电路主要有过压、欠压和过载、过温保护，用来实现对直流电压的输出控制。

3.1 变压器

变压器的作用是通过电磁场原理将交流高压单相220VAC或三相380VAC变成不同负载所需要的低压交流电，并可根据负载的数量分为单路输出和多路输出。变压器(变压器组件)的原理框图如图5所示。

3.2 DC/DC线性电源

(1)采用集成三端稳压器

线性电源为模拟器件提供低纹波的电压，其稳压电路中的调整器件工作在线性放大状态。可采用大功率可调集成三端稳压器(以下简称三端稳压器)和LM723多端可调集成稳压器电路，三端稳压器工作原理如图6所示。

其内部稳压采用悬浮方式，调整端和输出端电压差稳定在1.25V，由于其调整端电流很小(典型值50μA，漂移0.2μA)，使得输出电压由调整端到输出端的电阻R1与调整端到地的电阻R2决定，即:

三端稳压器内部有过流、过热保护和调整管安全区保护电路，用三端稳压器组成的电路原理如图7所示。

交流电源经由变压器组件降压后加到整流稳压板的输入端，经整流桥整流滤波后成直流电压，经过可调三端稳压器调整成稳定的输出电压，其中二极管D1、D2、D3用于保护稳压器不被意外的反向电压击穿，D3还用于在电压串联时提供电流通路。

电源的过压保护功能由集成过压保护器实现，当输出电压超过额定值时，过压保护器动作，使输出短路，熔断器FU2熔断，输出电压为零，达到了过压保护目的。过压保护器的门限电压可由电阻R3调整，RP1用于微调输出电压。

(2)采用低压差线性稳压模块

低压差线性稳压模块内部电原理框图如图8所示。该低压差线性稳压模块包括了调整管、误差放大部分、反馈取样部分和基准电压部分，采用了低RDS(on)值的MOSFET作为线性稳压器的调整管，其最低管压降在0.5V以内就能稳定工作，因此也就提高了电源的效率，该低压差线性稳压模块内部还设有限流、过压及过热保护电路，模块只需要接一只电阻就可以方便地确定输出电压，其输出压可由公式(2)得到:

其中:R的单位为kΩ，Uo的单位为V。

用低压差线性稳压模块组成的线性电源电路原理如图9所示。

交流电源经由变压器降压后加到整流桥的输入端，经整流滤波后变成脉动直流电压，再经过低压差线性稳压模块调整成稳定的直流输出电压。电源的过流、过压及过热保护功能均由低压差线性稳压模块内部实现。当电源输出出现过流或者短路故障时，模块内的限流电路将电源的输出/输入短路，熔断器FU2熔断，输出电压变为零，达到了过压保护的目的;当模块出现过热故障时，模块内的过热保护电路将关闭模块的输出以达到过热保护的目的。

3.3 DC/DC开关电源

开关稳压电源为数字电路提供稳定电压，其稳压电路中的功率管工作于开关状态，开关稳压电源具有效率高、体积小、重量轻的特点。开关电源采用Vicor公司出品的DC/DC模块作为稳压元件，电源模块采用谐振软开关技术作为模块的技术核心，操作频率可达1MHz以上，效率超过80%，体积小，功率密度高，功能完善，内部集成了过压、过流、过热保护功能，提供外部电压微调、并联接口及四线制遥测端，其原理框图如图10所示。

(1)Vicor模块电压的外部微调

Vicor模块提供外部调压端子，如图11所示，其输出电压由内置电阻 R5及外接电阻R6、R7、R8决定，输出电压调高时应降低使用功率，同时最高输出电压不能调高于模块内部过压保护点。

Vicor模块的使用如图12所示，其中电阻R9为假负载，主要是为了解决空载振荡，因为在空载情况下，开关电源在某些工作点处会发生振荡现象，表现为变压器的啸叫或者输出的不稳定，发生这种现象是由于空载或轻载时，开关瞬时开通时间过大造成输出能量太大，因此电压过冲也很大。

(2)Vicor模块的功率扩展

Vicor模块可用一个驱动模块和多个功率倍增模块并联进行功率扩展，扩展方式如图13，驱动模块的Gate out端接到倍增模块的Gate in端，输出直接并联，输出电压调整在主模块侧进行。

其中电位器RP1用于电压的微调，电容C1～C6用于降低电源的电磁干扰。

4 结论

模块化设计技术是产品系列化、组合化、通用化和标准化的设计方向。模块化设计以功能块为单位进行电路设计，根据不同的应用需求，将各个直流电源设计成独立的功率单元，辅助电路则设计成框架结构。在实际使用中，可以根据设备用电的不同需求，选择合适的功率单元个数，将其插入到电源框架内，形成一个组合式电源，从而满足紧急情况下不同型号雷达，或者同一部雷达内不同直流电源的应急需求。

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Research on Modular Combined DC Emergency Power Supply of Radar

Cheng Guangfeng，Xu Mianqi，Wang Qing，Wang Hengli
(Unit 94981 of PLA Air Force，Nanchang 330200)

DC power supply is generally used as the secondary power supply of radar;there are high requirements to stability and reliability of DC power supply.However，DC power supply is prone to be failure because of impact of load，power net，natural environment and electromagnetic interference at the working place，which will affect fatally to transmission of radar intelligence.A modular combined DC power supply which can be used as emergency power supply of radar in case of power failure is proposed.The DC emergency power supply can ensure continuous operation of DC power supply and apply DC power supply to radar continuously and reliably.Based on modular design，the DC emergency power supply features lower cost，small volume and less weight，maintainability and reliability are also improved.Through the combined design，it can meet emergency power supply requirement of different types of radar，therefore number of DC power supplies is reduced，and universality get improved.

DC power supply;modular;combined;emergency power supply

TN86

A

1008-8652(2017)01-041-06

2016-10-21

程光锋(1977－)，男，工程师。主要研究方向为雷达装备保障技术。