应用于雷达发射机的小型化三相变频电源设计

2018-10-23杨亮

舰船电子工程 2018年10期

杨亮

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所扬州 225100）

1 引言

传统的雷达发射机中行波管必须要在高压下才能工作，高压可由旋转变频机组与中频变压器产生，长时间运行时，存在体积大、效率低、噪音大、故障率高及影响船电质量等问题，已满足不了目前的使用要求，而改造为固态发射机的成本造价较高，所以选择对行波管的器件和供电系统进行优化，以延长雷达的使用时间，增加系统的可靠性。

本文设计介绍一种小型化三相变频电源，将单相交流电转换为谐波含量低、频率固定的三相交流400Hz。该变频电源可直接替换原有变频机组，并安装于发射机内部，具有体积小、保护功能全与可靠性高等优点，可适用于工业、国防、航海等场合。

下面从雷达发射机供电架构、变频电源的工作原理、电路设计和实验等方面进行介绍。

2 雷达发射机供电架构

雷达发射机通常分为固态与真空管两大类［1］，固态发射机的供电架构如图1所示，一种是接收方式与真空管发射机类似，发射端用固态功率放大器替代真空管，通常采用多模块并联的隔离DC-DC电源供电；另一种是应用于相控阵雷达的固态T/R组件［2］，单个组件电源由两级式DC-DC模块构成，根据阵面类型的不同，中间级直流母线可分为高电压或低电压。

而真空管雷达发射机中以行波管的应用较为广泛，其供电架构如图2所示，行波管除配有钛泵电源、灯丝电源及调制器电源［3］外，还需有关键的阴极电源和收集极电源，其供电方式有两种，一种是三相交流电经整流后直接进行DC-DC变换，输出稳压式和非稳压式的高电压，为降低变换器的匝比，输入电压一般为三相380V的交流电；另一种是首先将单相/三相50Hz交流电变换成三相中频400Hz交流电，可采用变频机组或三相变频电源方式得到，再经高压隔离变压器油箱得到不稳压的收集极电源，低压稳压开关电源浮在高压端给阴极供电，在中小功率场合，采用三相变频电源方式不需要输入三相交流电，供电方式较为灵活。

从供电架构方式比较两种雷达发射机，可以得到：固态发射机属于低电压大电流类型，对电源的纹波电压、功率密度、时序控制、散热设计及可靠性要求较高，具有体积小、重量轻、效率高及可维修性高等特点；行波管发射机属于高电压小电流类型，对电源的高压绝缘、抗打火性能及安全防护要求较高，存在占用体积大、效率低及预热时间长等缺点，造价相比固态发射机较低。

图1 固态发射机的供电架构框图

图2 行波管发射机的供电架构框图

3 变频电源工作原理

结合上节的供电架构分析，本节重点介绍替代变频机组的三相变频电源的工作原理。该变频电源主电路为两级式拓扑结构。其中，前级整流（AC-DC）采用单相有源功率因数校正（PFC）技术［4～5］，有利于降低输入电流总谐波含量（THD）；后级逆变（DC-AC）为三相桥式非隔离型拓扑［6］，有利于减小整个电源体积，可安装于发射机内部。

整个变频电源的原理框图如图3所示。单相交流电220V/50Hz先通过EMI滤波器，滤除电网中的干扰，再经过强电控制部分控制加电时序，来减小开机时的浪涌电流；处理控制部分通过信号采集与算法处理，实现对电源加断电、PFC以及逆变器的控制；功率变换电路输出三相三线制115V/400Hz的交流电。

图3 变频电源原理框图

4 变频电源电路设计

4.1 功率变换电路设计

功率变换电路主要完成AC-DC-AC的转换，包含前级PFC、后级逆变器和滤波器等三个方面，详细原理框图如图4所示。

图4 功率变换电路原理框图

基于小型化设计考虑，选择高功率密度谐波电流抑制（PFHC）模块作为前级整流。模块输入为单相交流220V/50Hz，输出的直流360V作为三相桥式逆变器的母线电压。由于本文设计电源功率为2kW，选择3个1kW的PFHC模块并联冗余运行，其具有高度低、体积小、重量轻等优点，方便装入电源内部贴底散热。

三相桥式逆变器选用将功率管和驱动电路集于一起的IPM模块［7］，其有耐压高、导通电流大、输入阻抗高、保护功能全以及驱动功率低等优点，增强了电源的可靠性。控制电路发出的正弦脉宽调制（SPWM）信号经光耦隔离电路进行处理后送入IPM模块，其中四路小型DC-DC电源分别给驱动电路供电，IPM模块输出接三相LC低通滤波器，输出三相115V/400Hz的交流电。

4.2 控制电路设计

控制电路包含强电控制、处理控制与信号采集等三个方面。

强电控制部分通过控制与保护电路控制其内部的继电器和交流接触器，从而实现强电从输入到功率变换电路的通断。

信号采集部分所要采集的信号有单相交流输入电压与电流、中间母线电容电压、逆变器输出电感电流以及输出三相电压。

处理控制是整个电源的控制核心，其原理框图如图5所示，工作原理如下。

图5 处理控制原理框图

输入信号调理电路对所采集的电压、电流信号进行处理，送入单片微处理器（MCU）；MCU实时监测电源工作状态，通过控制与保护电路实施电源的加断电控制与故障保护，并支持对关键参数进行显示与线设置输出电压值；复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为三相400Hz正弦波和12kHz方波基准发生器，正弦波发出幅值受输入信号反馈值控制；控制与保护电路依据MCU控制指令控制PFC、CPLD与强电控制模块是否使能。

图6 逆变器控制系统框图

其中，Varef指A相设定基准电压；Varms、Iarms分别指A相输出电压、电流有效值；Iaref指A相基准电流；Ia表示A相输出电感电流；k1、k2分别为比例系数。

三相桥式逆变器采用电压外环、电流内环的平均电流控制方式［8～10］，以A相为例，控制系统框图如图6所示。驱动信号发生电路将基准电压Varef与反馈电压Va进行硬件PI调节得到电流基准Iaref，并与反馈电流Ia进行硬件PI调节，所得信号与12kHz方波转变成的三角波信号比较，生成SPWM脉冲信号，完成逆变器闭环控制［11］，电压前馈k1Varms增加负载的动态响应［12］，带冲击性负载时，通过电流前馈（k2Iarms）实现限流功能。

5 实验与结果分析

前面详细介绍了电源的工作原理、功率电路与控制电路的设计，本节结合实验验证方法的可行性。

本文设计参数如下：输入单相电压Vin=220V，输出功率Po=2kW，输出电压Vo=115V，输出频率fo=400Hz。

考虑到留有余量，带阻性负载2.5kW进行测试，图7为空载启动与关断的A相输出电压波形，软启动时间约2s，输出电压在关断时无过冲，图8为满载下的A相输出电压波形，测得电压谐波含量低至1.5%，频率为400.1Hz。图9为满载下的输入电压与电流波，受输入电网电压畸变影响，测得电流谐波含量为5.5%，功率因数可达0.99，相比原有旋转变频机组在工作时的输入谐波含量达到30%，谐波抑制效果明显，实验结果满足设计指标。