基于相控阵雷达脉冲负载特性的电源系统设计及仿真研究

周 龙，郑和俊

（贵州航天林泉电机有限公司（国家精密微特电机工程技术研究中心），贵州 贵阳 550081）

0 引 言

相控阵雷达的发展对电源系统的供电品质提出了更高的要求，特别是雷达的工作模式更加多样化，工作特性也更加复杂[1]。为了给相控阵雷达提供稳定可靠的供电，要根据雷达不同部分和不同模式采取不同的电路拓扑，提供适合的供电方式和特性[2]。

雷达电源的电路部分包括了EMI电路、遥测电路、使能控制电路以及时序电路等多种电路，分别为雷达的阵面发射、阵面接收及信号处理等主要用电设备进行供电[3]。其中阵面发射用电负荷最大，大约占雷达系统供电总容量的60%以上，负载特性表现为低占空比脉冲负荷，而且其工作状态与雷达工作模式密切相关，因此本文重点对阵面发射的供电模式进行建模、分析并仿真。

1 开关电源的输出负载瞬变特性

阵面发射的负荷特性表现出脉冲性，且其脉冲负载重复周期相对较高，对供电性能指标要求较高，因此可能引起一系列供电系统稳定性问题[4]。下面从开关电源的工作原理上对脉冲负载带来的影响进行分析。

开关电源工作原理如图1所示，PWM控制器产生方波信号，驱动开关MOS管Q1将输入直流变成交流方波，方波电压通过变压器传递到副边，经D1、D2整流及L1滤波后形成直流电压，并通过取样、隔离反馈至PWM控的误差放大器端以调整PWM输出，从而控制脉冲宽度，实现输出电压稳定[5]。

图1 开关电源工作原理图

由以上电路特点可知，开关电源存在输出负载瞬变特性。图1中，L1给C1、C2提供稳定的电流，C1、C2为负载Ro提供所需工作电流。当负载瞬变时（如0A→满载、满载→0A），由于电感器中电流不能突变，当负载电流Ir突然增大后，电容充电电流Ic不会跟随Ir突变，此时C1、C2放电电流大于充电电流Ic，表现为C1、C2两端的电压Vo下降低于设定电压值，称之为电压下陷。待反馈环路响应调整Q1驱动脉宽后，输出电压才恢复设定值，反之当负载电流Ir突然减小后，表现为C1、C2两端的电压Vo上升超过设定电压值，称之为过冲[6]。

2 T/R电源工作等效电路建模

T/R组件具有低电压和大电流的特征，其供电回路包含DC/DC变换、电流传输导线、储能电容以及T组件，工作回路等效电路见图2[7]。图中Ct为储能电容，Rc为Ct的等效串联电阻，RL为电流传输线线阻，Rt为T组件等效电阻。电路中DC/DC为储能电容充电，储能电容为T组件提供瞬态工作电流，T组件的开通和关断受激励信号的控制。

图2 T/R电源工作等效电路

假设脉冲负载的工作周期为T，其占空比为D。此时T组件有带载和空载两种工作模式，电路在每种模式下各有两种工作状态。在一个周期时间内，设脉冲负载的工作时段为t1，则空载时长为T-t1，其中t1=DT。

根据TR组件的工作特点，在带载期间[0,t1]，T组件开通，脉冲负载工作，此时由电源和电容共同为T组件供电，电容放电，负载电流由电源的额定输出电流逐渐升高到T组件最大电流，然后电容持续放电，负载电流维持T组件最大电流，此时储能电容两端电压下跌[8]。

T组件开通时，由等效电路可得储能电容上的电流为：

由IC=ICt+It可以推得：

同理可得，在空载期间[t1，T]，此时T组件关断，脉冲负载停止工作，电源以额定输出电流为电容充电，待电容充满电，电源此时输出电流为0，并存在以下关系：

上述微分方程和等式构成了雷达阵面发射单元的供电关系数学模型[3]。

3 储能电容参数计算

通过对发射单元等效电路建模分析，在T组件开通和关断瞬间，其实际电压为VT=VO-VRc-VRl。其中，VO为DC/DC输出电压，VRc为储能电容损耗压降，VRl为线路传输损耗压降。由上式可知，影响电压突变值的是等效串联电阻Rc，而与电容容值无关。因此，选用低Rc的储能电容有利于降低脉冲负载的电压突变。

此外，为了满足发射单元工作时脉冲负载端电压的顶降要求，对储能电容的容值也有一定的要求。由第2章可知，T组件在开通工作模式下，是由电源与储能电容共同为其供电。取Pav为平均功率，Ppk为瞬态功率，t为脉宽，C为储能电容，U1为脉冲起始电压，U2为脉冲末端电压，分析储能电容上的能量变换，由电容储能公式可得：

阵面发射状态下的电源工作特性相对复杂，文献[9]中提出的一种算法为：

经验证，按本文计算方法所得容值能够满足上式不等式要求，且考虑在低温状态下电容容量下降及长期工作损耗，储能电容容量应比实际计算值选取更大[10]。

4 电路仿真验证

以某型号相控阵雷达为例进行仿真验证，电源输出电压为28.1 V，峰值电流为1 000 A，脉宽0.3 μs，最大占空比0.3。通过MATLAB软件的Simulink模块建立了含脉冲负载的电路仿真模型，由上述参数计算可得等效阻抗，再代入最小储能电容容值，在最大占空比工作模式下进行仿真，得到结果如图3、图4以及图5所示。其中图3、4、5的横坐标均为时间，单位为μs，图3纵坐标为电压值，单位为V，图4纵坐标为电流值，单位为A，图5纵坐标表示开通和关断的状态。

图3 仿真电压值

图4 仿真电流值

图5 仿真脉冲开关情况

由图3可知，电压跌落值约0.4 V，下跌后最小为27.7 V，与理论计算值接近。此时储能电容持续处于充放电状态，但电压精度始终保持在1.5%以内，脉冲负载适应性较好，不会造成系统震荡，能够满足雷达实际使用需要。

5 结 论

由于雷达阵面发射单元脉冲负载可能引起的一系列电源稳定性问题，本文针对相控阵雷达的负载脉冲特性进行攻关，从开关电源负载瞬变特性入手，对TR阵面发射单元进行等效建模，推导出储能电容计算公式，并通过数值模拟方法进行了电路仿真，验证了公式的准确性。该电源已完成了整机配试及验收工作，能够满足系统各项指标，且工作稳定可靠。文中对发射单元等效电路及储能电容的计算推导与验证工作，对后续型号及同类型产品具有参考意义。