舰载相控阵雷达电源系统技术研究

李 刚，陈 洁，吴 珩，周 鑫

(1.海军装备部 信息系统局，北京 100841；2. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

现代高性能相控阵雷达以其独特特性得到广泛应用。雷达根据不同需要可装载在舰艇、汽车、飞机、卫星等平台上，其中装载在舰艇上的各种雷达总称为舰载雷达。采用天线阵列后接T/R组件的相控阵系统使雷达系统的灵活性和可靠性大大提高。天线面阵有低电压大电流的供电需求。对于舰载相控阵雷达，天线面阵都高高地装在桅杆顶部。由于受到体积、质量和海上特殊的工作环境条件等诸多因素的限制，电源系统的设计必须做到高可靠性、高功率密度和高效率。高功率密度、高可靠的低压大电流电源供电系统已成为相控阵雷达的关键技术之一。

1 电源架构

舰载雷达电源系统将舰载供电电压变换成各种不同的直流电压，通过输电线路传送到不同的用电负载处，以保证整个雷达正常工作。舰载雷达电源系统框图如图1。电源系统是雷达的重要组成，而舰载相控阵雷达电源是给天线面阵的T/R组件供电。相控阵雷达电源基本电源架构有集中式供电和分布式供电两种，而在两种基本电源架构的结合基础上产生了混合式供电。

1.1 集中式供电

集中式供电是指在一套舰载相控阵雷达设备中，作为一个独立的整件，电源系统采用AC-DC功率变换将舰载输入源电压变换成负载所需的直流电压，通过直流输电线路将电压传送到负载处。

集中式供电实现方式的工作原理图如图2所示。集中式供电系统的优点在于方便实现冗余技术，可靠性高，架构简单，方便统一控制和管理供电。对于舰载相控阵雷达而言，选用集中式供电可以相对减轻桅杆顶部天线面阵的体积和质量。集中式供电系统的缺点如下：

(1) 热损耗大。面阵所需的电压低，总功率大，在大电流的情况下直流输电线路热损耗严重，线上压降较大，降低电源系统效率。

(2) 线缆布线复杂。整个供电都集中在一起，输入总功率大，低压输出电流大，输出线路多，线缆粗，走线复杂，而且线缆的质量大大地增加了整个雷达系统的质量。

(3) 负载瞬态响应差。动态响应特性变差，容易引起电压超调，损坏T/R组件。从静态角度来看，传输线缆有一定的等效电阻，负载电流流经会产生压降。当压降大到一定量值时负载端电压过低。为了使负载电路能正常工作，需要调高电源的输出电压来补偿，降低了系统效率，对散热装置的要求也更加苛刻。从动态角度来看，传输线缆有一定的等效电感，若负载电流发生跃变，输出端将产生电压偏差，有时偏差过大，负载端电压无法通过供电电源及时调整。

1.2 分布式供电

分布式供电系统典型应用架构如图3所示。

系统各电路的电源相对独立，减少了大电流传输线路，使系统的总效率有一定的提高。架构内通常包含一个AC-DC电源靠近配电。中间母线匹配一定的储能电容提高一次侧电源的动态响应。另用DC-DC模块放置在PCB板上或者靠近负载点。隔离的DC-DC模块配合负载工作。每个模块与周边器件组合能完成EMI滤波、输入保护、隔离、稳压和变压等功能。与集中式供电系统相比，分布式供电系统具有以下优点：

(1) 输出电压稳定性好，系统效率有一定的提高。由于减少了低电压、大电流直流输出线路，线路损耗低，系统效率必然提高。各个负载所需要的电源能就近产生，负载与电源距离近，减少了线路阻抗对调整性能的影响，也减少了干扰信号对负载的影响，因而输出电压稳定性较好。

(2) 适应性强，减少产品种类，便于标准化。由于将整个电源系统化整为零，各部分电源选择比较灵活，容易实现最佳配置。而且，同一设计方案稍加调整可用于其他系统。

(3) 电磁兼容性能优越。由于电源比较分散，抑制电磁干扰的方案比较容易实现。

由于分布式供电的一对一的方式，一旦某个DC-DC模块故障，直接导致后部负载无法工作，所以分布式供电的冗余技术难以实现，任务可靠性不高。

1.3 混合式供电

由于集中式和分布式供电各有利弊，在实际舰载雷达供电系统设计应用中选择集中式与分布式相结合的方式来得到最优供电方案，为天线面阵提供高品质电能。图4所示为集中分布相结合的混合式供电方式。在舰载配电附近(舱室内)将交流电进行一次变换成高压直流进行电能输送，降低了输电线路传输的损耗，提高系统效率。在桅杆顶部的天线面阵上进行二次功率变换，将高压直流转换成低压直流给T/R组件供电。

供电系统一次、二次功率变换都可以进行一定程度的冗余设计。一次电压变换采用通用电源机柜。电源机柜放置在舱室内，由多台AC/DC电源组件并联冗余输出。根据舰载雷达功率量级不同可以灵活增减电源组件的个数。二次电压变换中一台DC/DC组件电源由多个DC/DC电源模块并联冗余输出，给多台T/R组件供电，提高了整个供电系统的可靠性、灵活性和通用性。单台AC/DC电源组件包含有源功率因数校正电路设计，提高整个供电系统的电磁兼容性。舱室内环境相比舱室外要好很多，电源机柜可以实现高效电能质量管理、实时状态监控和显示，以及全面功能保护和安全防护。

2 关键技术分析

2.1 一次电源系统的谐波电流(THD)和功率因数校正(PFC)

舰载三相交流供电进入一次电源后首先经过电磁滤波和三相整流，高次谐波丰富，谐波电流(THD)较大。这不仅污染整个舰载的电网，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。因此，为保证舰载供电系统质量，更有效地利用电能，使得供电系统中的其他用电设备安全可靠地运行，必须采取途径抑制或消除AC/DC变换器交流侧的谐波电流，提高功率因数。

目前，已实际应用的功率因数校正拓扑主要包括多脉冲整流和有源功率因数校正。

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)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。

有源PFC技术是在整流桥和输出负载之间接入有源电路拓扑，通过控制拓扑中开关管的动作使得输入电流波形(幅值和相位)跟踪输入电压，从而达到提升输入功率因数的效果。目前，实际应用中有源功率因数校正一般采用智能编程DSP三相有源功率校正控制电路。此电路具有高PFC值、低THD 值、具有效率高，以及电磁干扰小的特点，同时零件应力较小，质量相对较轻，可以减轻电源的整体质量。某型舰载雷达供电为三相三线制交流380 V，实际电路设计中采用了三相PFC整流桥全桥整流电路结合软件控制，如图5所示。

以A相桥臂为例，当双向MOSFET管开关SW1开通时，整流器的输入端电压被钳位于直流母线中点，电感电流绝对值上升。当双向MOSFET管开关SW1关断时，整流器的输入端电压为+Vdc/2或-Vdc/2，电压极性由A相电流的极性决定，电感电流绝对值下降。因此，A相桥臂有3个开关状态“1”、“0”、“-1”， 对应整流器的输入端被分别钳位于直流母线的正极、中点和负极，并由此控制输入电流的幅值大小，使其电流形状与输入电压形状相同并相位一致。依次类推，可以对B、C相进行相应分析。PFC软件控制框图见图6。

2.2 脉冲负载的供电

T/R组件负载特性为脉冲负载，而且脉宽和重复周期均可变。射频脉冲发射期间，若以负载电流的有效值来设计电源是不合理的。通常的做法是该峰值电流由储能电容器提供，并且应尽量靠近功放组件安装(最好放在功放组件内部)，以减小电路引线电阻和电感的影响。储能电容器和功放组件作为电源的负载可以用一个电容器C和一个串联的电阻R与开关S相并联来等效，其等效电路如图7所示。在脉冲期间，开关S是闭合的，负载R所需的很高峰值电流由储能电容C提供，电容C上产生电压降。在脉冲间隙内，开关S断开，电源对C进行再充电。在下一个脉冲到来前，电容器C上电压又重新被充电到原来的值，等待下一个脉冲到来。

相控阵雷达对于射频信号脉冲的顶降是有要求的，顶降不能过大，如图8所示。

顶降定义为

(1)

定义脉冲电流的峰值为Ip，T/R供电电源电压为U0，脉冲宽度为τ，顶降要求为d，则有

C·d·U0≥τ·Ip

(2)

为保证最大脉宽τmax时的顶降，则有

(3)

公式(3)表明，充电电容器容量能有效改善射频信号脉冲的顶降，当然实际选用时会受到体积及质量等限制。

3 结束语

电源系统是整个雷达系统正常工作的基础。雷达辐射的是脉冲电磁波。脉冲负载要求电源有较快的动态响应。同时，舰载雷达系统设备量大，工作环境复杂。复杂的电磁环境中，电源要进行良好的电磁兼容设计。总之，整个舰载相控阵供电电源要解决的技术难题很多。雷达天线阵面阵对电源的体积、质量提出了严格要求，电源设计必须合理，达到高可靠性、高功率密度和高效率目的。