相控陣?yán)走_(dá)的分布式供電設(shè)計(jì)*

錢倩云　孫　超　張峻嶺

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所　揚(yáng)州　225001)

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相控陣?yán)走_(dá)的分布式供電設(shè)計(jì)*

錢倩云孫超張峻嶺

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所揚(yáng)州225001)

現(xiàn)代高性能相控陣?yán)走_(dá)多采用天線陣列后接TR組件布局,TR組件供電方式具有低電壓、大電流的特征,組件單元數(shù)目越多,供電電流越大,傳統(tǒng)的集中供電方式不能滿足TR組件對(duì)供電質(zhì)量的要求。分析了相控陣?yán)走_(dá)的分布式供電關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)特點(diǎn),闡述了相控陣?yán)走_(dá)的分布式供電設(shè)計(jì)方法。

分布式供電系統(tǒng); 開關(guān)電源控制模式; 雷達(dá)電源

Class NumberTN95

1　引言

現(xiàn)代高性能相控陣?yán)走_(dá)多采用天線陣列后接TR組件布局,TR組件供電方式具有低電壓、大電流的特征。傳統(tǒng)的集中供電方式在低電壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)合存在缺陷,主要集中在以下三個(gè)方面:首先,相同直徑的導(dǎo)體,導(dǎo)體熱損耗與電流的平方成正比,在傳輸大電流時(shí),集中供電方式引線導(dǎo)體發(fā)熱嚴(yán)重,損耗大;其次,集中供電方式傳輸大電流時(shí),引線導(dǎo)體的分布電感會(huì)導(dǎo)致負(fù)載端電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性變差,引起電壓超調(diào),損壞TR組件;再者,集中供電方式傳輸大功率時(shí),需要多塊電源并聯(lián),存在瞬態(tài)均流問(wèn)題,供電系統(tǒng)的可靠性差。相反,分布式供電布局采用了逐級(jí)變換方式,供電系統(tǒng)由多級(jí)DC-DC變換器組成,電壓逐級(jí)降低,電流逐級(jí)提升,避免了集中供電方式在低電壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)合的缺陷,提高了相控陣?yán)走_(dá)的供電質(zhì)量和可靠性。

2　分布式供電系統(tǒng)架構(gòu)

分布式供電系統(tǒng)由三相有源功率因素校正APFC部分、一次電源部分、二次電源部分組成。三相有源功率因素校正APFC部分的作用在于降低負(fù)載無(wú)功分量,提高相控陣?yán)走_(dá)對(duì)于發(fā)電機(jī)組的負(fù)載功率因數(shù);一次電源部分的作用在于將APFC部分輸出的630V直流高壓轉(zhuǎn)換為便于二次電源使用以及傳輸?shù)闹绷髂妇€電壓,通常為240V～320V之間的電壓或者36V～72V之間的電壓;二次電源部分的作用在于將直流母線電壓轉(zhuǎn)換為TR組件以及各個(gè)陣面分系統(tǒng)所需的直流電壓,通常為24V、12V、8V、5V、3.3V等,電壓值較低,電流值較大[1～3]。

依據(jù)不同的直流母線電壓和二次電源結(jié)構(gòu),陣面分布式供電系統(tǒng)有著多種架構(gòu)形式以適用于不同的相控陣體制。旋轉(zhuǎn)陣通常采用較高的直流母線電壓,一般為240V～320V之間,通過(guò)滑環(huán)等機(jī)械結(jié)構(gòu)為陣面提供電能。四面陣通常采用較低的直流母線電壓,一般為36V～72V之間,通過(guò)饋電系統(tǒng)為陣面提供電能。四面陣按照TR組件的類型,又有著不同的二次電源結(jié)構(gòu),砷化鎵組件采用8V供電,二次電源通常采用隔離式結(jié)構(gòu),單個(gè)二次電源的輸出電流高達(dá)50A,可以給8個(gè)TR通道供電;氮化鎵組件采用24V供電,二次電源通常采用非隔離式結(jié)構(gòu),以提高單個(gè)二次電源的功率密度。相控陣?yán)走_(dá)常用的分布式供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,采用這些供電系統(tǒng)架構(gòu)的目的在于降低電能傳輸過(guò)程中的電流值,以降低熱損耗,降低傳輸引線導(dǎo)體分布電感對(duì)電源動(dòng)態(tài)性能的影響,提高電源的供電質(zhì)量和可靠性。

3　分布式供電系統(tǒng)的建立

3.1直流母線電壓的選擇

直流母線電壓的選擇與相控陣的結(jié)構(gòu)、TR組件的類型、供電安全性有著直接聯(lián)系,母線電壓選擇的主要技術(shù)考量如下:

1) 相控陣的結(jié)構(gòu):旋轉(zhuǎn)陣受制于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,希望減少旋轉(zhuǎn)滑環(huán)連接部分的電流值,以提高旋轉(zhuǎn)滑環(huán)的壽命和可靠性,傳輸功率不變時(shí),電流的降低意味著電壓提高,結(jié)合考慮一、二次電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率開關(guān)器件、功率整流器件的選取,通常旋轉(zhuǎn)陣的直流母線電壓在240V～320V之間。四面陣沒有機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,更多考慮的是陣面收發(fā)單元的數(shù)目、TR組件的類型、供電安全性、以及二次電源的小型化和高功率密度,通常四面陣的直流母線電壓在36V～72V之間[4～6]。

2) TR組件的類型:氮化鎵組件采用24V供電,T單元通道電流在4A左右;砷化鎵組件采用8V供電,T單元通道電流在5A左右。大型四面陣追求二次電源的小型化和高功率密度,過(guò)高的直流母線電壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)二次電源的上述兩點(diǎn)要求,尤其當(dāng)直流母線電壓超過(guò)100V時(shí),二次電源的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、功率器件選擇變得十分困難,選擇較低的直流母線電壓可以使二次電源的小型化和高功率密度設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。不同母線電壓、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸出電壓值對(duì)應(yīng)二次電源的功率密度如表1所示。

表1　不同直流母線電壓、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸出電壓值對(duì)應(yīng)二次電源的功率密度

3) 供電安全性

依據(jù)IEC60950標(biāo)準(zhǔn),供電安全性主要由電源中電氣設(shè)備的工作環(huán)境和工作電壓等級(jí)決定。工作環(huán)境的惡劣程度通過(guò)電氣污染等級(jí)表示,Ⅰ類污染等級(jí)指無(wú)污染或僅有干燥的非導(dǎo)電性污染;Ⅱ類污染等級(jí)指一般僅有干燥的非導(dǎo)電性污染,但必須考慮到偶然的凝露造成的短暫導(dǎo)電性;Ⅲ類污染等級(jí)指有導(dǎo)電性污染,或由于預(yù)期的凝露使干燥的非導(dǎo)電性污染變?yōu)閷?dǎo)電性污染。相控陣?yán)走_(dá)的電氣設(shè)備及元件在不同母線電壓與電氣污染等級(jí)中的安全工作距離如表2所示。

表2　相控陣?yán)走_(dá)的電氣設(shè)備及元件在不同母線電壓與電氣污染等級(jí)中的安全工作距離

3.2電源功率拓?fù)涞倪x擇

大功率三相有源功率因素校正APFC部分常用拓?fù)溆腥嗔_關(guān)APFC拓?fù)洹⑷郪IENNA三電平APFC拓?fù)涞萚7];大功率一次電源部分常用拓?fù)溆袔秸饕葡嗳珮蛲負(fù)?、帶同步整流三電平全橋拓?fù)涞?中小功率二次電源部分常用拓?fù)溆袔秸饔性淬Q位正激拓?fù)洹秸靼霕蛑C振拓?fù)?、帶同步整流全橋拓?fù)?、帶同步整流BUCK降壓拓?fù)涞取＿@些電源功率拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　相控陣?yán)走_(dá)常用的電源功率拓?fù)?/p>

電源功率拓?fù)涞倪x擇與電源的功能、轉(zhuǎn)換功率、輸入電壓有著直接聯(lián)系。有源功率因素校正APFC部分和一次、二次電源轉(zhuǎn)換部分的功能存在差異,有源功率因素校正APFC部分按功能必須采用基于BOOST升壓電路結(jié)構(gòu)的拓?fù)?一次、二次電源轉(zhuǎn)換部分按功能必須采用基于BUCK降壓電路結(jié)構(gòu)的拓?fù)?電源的轉(zhuǎn)換功率也影響著電源拓?fù)涞倪x擇,轉(zhuǎn)換功率越大,需要的功率開關(guān)器件越多,大功率電源通常選擇全橋結(jié)構(gòu)的拓?fù)?中小功率電源通常選擇半橋、正激結(jié)構(gòu)的拓?fù)湟詼p少功率開關(guān)器件的數(shù)量,降低電源成本;輸入電壓越高,電源就必須選擇帶有變壓器隔離結(jié)構(gòu)的拓?fù)?在輸入電壓不超過(guò)80V的情況下,電源可以直接選擇帶同步整流非隔離BUCK降壓拓?fù)洹?/p>

3.3電源控制模式的選擇

電源的控制模式?jīng)Q定了電源的線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度[8]。電源的線性穩(wěn)定度用來(lái)描述電源輸入電壓突變時(shí),電源輸出電壓的反應(yīng);電源的負(fù)載穩(wěn)定度用來(lái)描述電源負(fù)載突變時(shí),電源輸出電壓的反應(yīng)。開關(guān)電源的控制模式分為電壓控制模式和電流控制模式[9]。電壓控制模式和電流控制模式的控制環(huán)路方框圖如圖3所示。電壓控制模式通過(guò)串聯(lián)的分壓取樣電阻R1和R2對(duì)輸出Vout取樣得到反饋電壓Vfb,反饋電壓Vfb和參考電壓Vref通過(guò)誤差放大器EA進(jìn)行比較,誤差放大器EA的輸出信號(hào)Vx通過(guò)比較器CA與定頻的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較得到一定占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件工作。電流控制模式實(shí)際有兩個(gè)控制環(huán)路,前半部分與電壓控制模式一致,不同的地方在于誤差放大器EA的輸出信號(hào)Vx通過(guò)比較器與流過(guò)電感L的電流取樣IL×Rsense進(jìn)行比較得到一定占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件工作。

圖3　電壓控制模式和電流控制模式的控制環(huán)路方框圖

電源依據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的控制模式,電壓控制模式的特點(diǎn)主要為:單反饋環(huán)路、具有一定的抗擾動(dòng)能力、無(wú)需檢測(cè)電流、無(wú)需斜坡補(bǔ)償、對(duì)負(fù)載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力低下;電流控制模式的特點(diǎn)主要為:雙反饋環(huán)路、抗擾動(dòng)能力低下、需要檢測(cè)電流、占空比大于50%時(shí)不穩(wěn)定需要斜坡補(bǔ)償、對(duì)負(fù)載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好[10]。在恒定負(fù)載的環(huán)境下,電壓控制模式的開關(guān)電源占主導(dǎo)地位,有利于提高電源的抗干擾能力,降低電源的器件復(fù)雜度;在脈動(dòng)負(fù)載的環(huán)境下,電流控制模式的開關(guān)電源占主導(dǎo)地位,有利于提高電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng),降低輸出電壓脈動(dòng)。

4　分布式供電系統(tǒng)負(fù)載端供電性能分析

假設(shè)某相控陣?yán)走_(dá)陣面具有1024個(gè)24V供電的氮化鎵T單元通道,單個(gè)通道最大平均工作電流4A,通道最大工作頻率為2kHz,最大工作占空比為100%。根據(jù)T單元通道數(shù)目和工作電流,得到陣面的最大供電功率約為100kW,現(xiàn)采用分布式供電系統(tǒng)設(shè)計(jì),為了使陣面內(nèi)部電源的體積最小、功率密度最高,選擇直流母線電壓為48V,二次電源采用帶同步整流非隔離BUCK降壓拓?fù)?一次電源選擇11個(gè)10kW級(jí)48V通訊電源模塊進(jìn)行母線電壓轉(zhuǎn)換,供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1(c)低母線電壓非隔離供電結(jié)構(gòu)所示。

設(shè)計(jì)單塊二次電源的輸出功率定在450W,每塊電源負(fù)責(zé)給4個(gè)氮化鎵T單元通道供電。為了降低負(fù)載以2KHz頻率空載滿載切換時(shí)電源的輸出電壓脈動(dòng),二次電源選擇電流控制模式。選擇二次電源的其它參數(shù)如下:開關(guān)頻率fs=250kHz,輸出電感L=2μH,輸出電容C=96μF,輸出電容的串聯(lián)電阻Resr=0.6mΩ,輸入電壓范圍43V

(1)

式(1)中分別令輸入v^g(s)=0、控制i^L(s)=0,可以求得控制-輸出的傳遞函數(shù)Gvi(s)以及輸入-輸出的傳遞函數(shù)Gvg(s)如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

由式(2)可知,電流控制模式二次電源的輸出電壓僅受控于電流指令i^L(S),而輸入電壓v^g(s)的波動(dòng)對(duì)輸出電壓沒有影響。依據(jù)控制-輸出的傳遞函數(shù)模型,采用二型補(bǔ)償電路對(duì)控制環(huán)路性能進(jìn)行改善,如圖4所示。

圖4　電流控制模式二次電源環(huán)路二型補(bǔ)償電路

二型補(bǔ)償電路的傳遞函數(shù)見式(4),電流控制模式二次電源的開環(huán)傳遞函數(shù)見式(5),通過(guò)設(shè)定二型補(bǔ)償電路的電阻電容參數(shù),可以控制二次電源輸出電壓的負(fù)載特性,使電源輸出具有低紋波和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特性,滿足組件負(fù)載的供電需求,而這是集中供電方式無(wú)法達(dá)到的?，F(xiàn)設(shè)定R1=4.75kΩ,Rb=680Ω,R2=59kΩ,C1=180pF,C2=0.047μF,電流控制模式二次電源的功率級(jí)Bode圖見圖5,二次電源輸出的紋波,負(fù)載以1kHz為周期50%占空比空載有載切換時(shí)的動(dòng)態(tài)性能見圖6。

(4)

(5)

圖5　二次電源功率級(jí)Bode圖

圖6　二次電源輸出的紋波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

5　結(jié)語(yǔ)

本文討論了現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)分布式供電系統(tǒng)的建立方法,介紹了分布式供電系統(tǒng)建立過(guò)程中在直流母線電壓的選擇、電源功率拓?fù)溥x擇、電源控制方式選擇時(shí)的考量點(diǎn),并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例展示了分布供電系統(tǒng)在組件負(fù)載端的供電性能。相控陣?yán)走_(dá)分布式供電系統(tǒng)能夠有效避免集中供電系統(tǒng)的缺陷,在滿足負(fù)載電性能的同時(shí),提高相控陣?yán)走_(dá)的供電質(zhì)量和可靠性,具有極高的應(yīng)用價(jià)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

錢倩云,女,碩士研究生,工程師,研究方向:雷達(dá)發(fā)射和電源設(shè)計(jì)。孫超,男,碩士研究生,工程師,研究方向:雷達(dá)發(fā)射和電源設(shè)計(jì)。張峻嶺,男,碩士研究生,高級(jí)工程師,研究方向:雷達(dá)發(fā)射和電源設(shè)計(jì)。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.044