艦載相控陣?yán)走_(dá)電源系統(tǒng)技術(shù)研究

李 剛，陳 潔，吳 珩，周 鑫

(1.海軍裝備部 信息系統(tǒng)局，北京 100841；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

現(xiàn)代高性能相控陣?yán)走_(dá)以其獨(dú)特特性得到廣泛應(yīng)用。雷達(dá)根據(jù)不同需要可裝載在艦艇、汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星等平臺(tái)上，其中裝載在艦艇上的各種雷達(dá)總稱為艦載雷達(dá)。采用天線陣列后接T/R組件的相控陣系統(tǒng)使雷達(dá)系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大提高。天線面陣有低電壓大電流的供電需求。對(duì)于艦載相控陣?yán)走_(dá)，天線面陣都高高地裝在桅桿頂部。由于受到體積、質(zhì)量和海上特殊的工作環(huán)境條件等諸多因素的限制，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須做到高可靠性、高功率密度和高效率。高功率密度、高可靠的低壓大電流電源供電系統(tǒng)已成為相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 電源架構(gòu)

艦載雷達(dá)電源系統(tǒng)將艦載供電電壓變換成各種不同的直流電壓，通過(guò)輸電線路傳送到不同的用電負(fù)載處，以保證整個(gè)雷達(dá)正常工作。艦載雷達(dá)電源系統(tǒng)框圖如圖1。電源系統(tǒng)是雷達(dá)的重要組成，而艦載相控陣?yán)走_(dá)電源是給天線面陣的T/R組件供電。相控陣?yán)走_(dá)電源基本電源架構(gòu)有集中式供電和分布式供電兩種，而在兩種基本電源架構(gòu)的結(jié)合基礎(chǔ)上產(chǎn)生了混合式供電。

1.1 集中式供電

集中式供電是指在一套艦載相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備中，作為一個(gè)獨(dú)立的整件，電源系統(tǒng)采用AC-DC功率變換將艦載輸入源電壓變換成負(fù)載所需的直流電壓，通過(guò)直流輸電線路將電壓傳送到負(fù)載處。

集中式供電實(shí)現(xiàn)方式的工作原理圖如圖2所示。集中式供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于方便實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)，可靠性高，架構(gòu)簡(jiǎn)單，方便統(tǒng)一控制和管理供電。對(duì)于艦載相控陣?yán)走_(dá)而言，選用集中式供電可以相對(duì)減輕桅桿頂部天線面陣的體積和質(zhì)量。集中式供電系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：

(1) 熱損耗大。面陣所需的電壓低，總功率大，在大電流的情況下直流輸電線路熱損耗嚴(yán)重，線上壓降較大，降低電源系統(tǒng)效率。

(2) 線纜布線復(fù)雜。整個(gè)供電都集中在一起，輸入總功率大，低壓輸出電流大，輸出線路多，線纜粗，走線復(fù)雜，而且線纜的質(zhì)量大大地增加了整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的質(zhì)量。

(3) 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)差。動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性變差，容易引起電壓超調(diào)，損壞T/R組件。從靜態(tài)角度來(lái)看，傳輸線纜有一定的等效電阻，負(fù)載電流流經(jīng)會(huì)產(chǎn)生壓降。當(dāng)壓降大到一定量值時(shí)負(fù)載端電壓過(guò)低。為了使負(fù)載電路能正常工作，需要調(diào)高電源的輸出電壓來(lái)補(bǔ)償，降低了系統(tǒng)效率，對(duì)散熱裝置的要求也更加苛刻。從動(dòng)態(tài)角度來(lái)看，傳輸線纜有一定的等效電感，若負(fù)載電流發(fā)生躍變，輸出端將產(chǎn)生電壓偏差，有時(shí)偏差過(guò)大，負(fù)載端電壓無(wú)法通過(guò)供電電源及時(shí)調(diào)整。

1.2 分布式供電

分布式供電系統(tǒng)典型應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)各電路的電源相對(duì)獨(dú)立，減少了大電流傳輸線路，使系統(tǒng)的總效率有一定的提高。架構(gòu)內(nèi)通常包含一個(gè)AC-DC電源靠近配電。中間母線匹配一定的儲(chǔ)能電容提高一次側(cè)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。另用DC-DC模塊放置在PCB板上或者靠近負(fù)載點(diǎn)。隔離的DC-DC模塊配合負(fù)載工作。每個(gè)模塊與周邊器件組合能完成EMI濾波、輸入保護(hù)、隔離、穩(wěn)壓和變壓等功能。與集中式供電系統(tǒng)相比，分布式供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 輸出電壓穩(wěn)定性好，系統(tǒng)效率有一定的提高。由于減少了低電壓、大電流直流輸出線路，線路損耗低，系統(tǒng)效率必然提高。各個(gè)負(fù)載所需要的電源能就近產(chǎn)生，負(fù)載與電源距離近，減少了線路阻抗對(duì)調(diào)整性能的影響，也減少了干擾信號(hào)對(duì)負(fù)載的影響，因而輸出電壓穩(wěn)定性較好。

(2) 適應(yīng)性強(qiáng)，減少產(chǎn)品種類，便于標(biāo)準(zhǔn)化。由于將整個(gè)電源系統(tǒng)化整為零，各部分電源選擇比較靈活，容易實(shí)現(xiàn)最佳配置。而且，同一設(shè)計(jì)方案稍加調(diào)整可用于其他系統(tǒng)。

(3) 電磁兼容性能優(yōu)越。由于電源比較分散，抑制電磁干擾的方案比較容易實(shí)現(xiàn)。

由于分布式供電的一對(duì)一的方式，一旦某個(gè)DC-DC模塊故障，直接導(dǎo)致后部負(fù)載無(wú)法工作，所以分布式供電的冗余技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，任務(wù)可靠性不高。

1.3 混合式供電

由于集中式和分布式供電各有利弊，在實(shí)際艦載雷達(dá)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中選擇集中式與分布式相結(jié)合的方式來(lái)得到最優(yōu)供電方案，為天線面陣提供高品質(zhì)電能。圖4所示為集中分布相結(jié)合的混合式供電方式。在艦載配電附近(艙室內(nèi))將交流電進(jìn)行一次變換成高壓直流進(jìn)行電能輸送，降低了輸電線路傳輸?shù)膿p耗，提高系統(tǒng)效率。在桅桿頂部的天線面陣上進(jìn)行二次功率變換，將高壓直流轉(zhuǎn)換成低壓直流給T/R組件供電。

供電系統(tǒng)一次、二次功率變換都可以進(jìn)行一定程度的冗余設(shè)計(jì)。一次電壓變換采用通用電源機(jī)柜。電源機(jī)柜放置在艙室內(nèi)，由多臺(tái)AC/DC電源組件并聯(lián)冗余輸出。根據(jù)艦載雷達(dá)功率量級(jí)不同可以靈活增減電源組件的個(gè)數(shù)。二次電壓變換中一臺(tái)DC/DC組件電源由多個(gè)DC/DC電源模塊并聯(lián)冗余輸出，給多臺(tái)T/R組件供電，提高了整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性、靈活性和通用性。單臺(tái)AC/DC電源組件包含有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)，提高整個(gè)供電系統(tǒng)的電磁兼容性。艙室內(nèi)環(huán)境相比艙室外要好很多，電源機(jī)柜可以實(shí)現(xiàn)高效電能質(zhì)量管理、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和顯示，以及全面功能保護(hù)和安全防護(hù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 一次電源系統(tǒng)的諧波電流(THD)和功率因數(shù)校正(PFC)

艦載三相交流供電進(jìn)入一次電源后首先經(jīng)過(guò)電磁濾波和三相整流，高次諧波豐富，諧波電流(THD)較大。這不僅污染整個(gè)艦載的電網(wǎng)，還會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備之間的相互干擾，使前端電站功率容量增大。因此，為保證艦載供電系統(tǒng)質(zhì)量，更有效地利用電能，使得供電系統(tǒng)中的其他用電設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，必須采取途徑抑制或消除AC/DC變換器交流側(cè)的諧波電流，提高功率因數(shù)。

目前，已實(shí)際應(yīng)用的功率因數(shù)校正拓?fù)渲饕ǘ嗝}沖整流和有源功率因數(shù)校正。

多脈沖整流就是利用不同的繞組聯(lián)結(jié)方式(如三角形聯(lián)結(jié)和星形等)構(gòu)造得到相位不同的電壓矢量，使得網(wǎng)側(cè)電流由不同相位的電流矢量疊加而成，最終使得常規(guī)三相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)的方波電流變?yōu)榀B加而成的階梯波電流。與階梯波合成逆變器的道理相同，根據(jù)階梯波抵消原理，當(dāng)合成電流波形的階梯數(shù)越多，即相位不同的電壓矢量數(shù)增加、整流脈沖數(shù)增多，則對(duì)應(yīng)的電流波形中諧波成份越少，THD越小。

有源PFC技術(shù)是在整流橋和輸出負(fù)載之間接入有源電路拓?fù)洌ㄟ^(guò)控制拓?fù)渲虚_關(guān)管的動(dòng)作使得輸入電流波形(幅值和相位)跟蹤輸入電壓，從而達(dá)到提升輸入功率因數(shù)的效果。目前，實(shí)際應(yīng)用中有源功率因數(shù)校正一般采用智能編程DSP三相有源功率校正控制電路。此電路具有高PFC值、低THD 值、具有效率高，以及電磁干擾小的特點(diǎn)，同時(shí)零件應(yīng)力較小，質(zhì)量相對(duì)較輕，可以減輕電源的整體質(zhì)量。某型艦載雷達(dá)供電為三相三線制交流380 V，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中采用了三相PFC整流橋全橋整流電路結(jié)合軟件控制，如圖5所示。

以A相橋臂為例，當(dāng)雙向MOSFET管開關(guān)SW1開通時(shí)，整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點(diǎn)，電感電流絕對(duì)值上升。當(dāng)雙向MOSFET管開關(guān)SW1關(guān)斷時(shí)，整流器的輸入端電壓為+Vdc/2或-Vdc/2，電壓極性由A相電流的極性決定，電感電流絕對(duì)值下降。因此，A相橋臂有3個(gè)開關(guān)狀態(tài)“1”、“0”、“-1”， 對(duì)應(yīng)整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點(diǎn)和負(fù)極，并由此控制輸入電流的幅值大小，使其電流形狀與輸入電壓形狀相同并相位一致。依次類推，可以對(duì)B、C相進(jìn)行相應(yīng)分析。PFC軟件控制框圖見圖6。

2.2 脈沖負(fù)載的供電

T/R組件負(fù)載特性為脈沖負(fù)載，而且脈寬和重復(fù)周期均可變。射頻脈沖發(fā)射期間，若以負(fù)載電流的有效值來(lái)設(shè)計(jì)電源是不合理的。通常的做法是該峰值電流由儲(chǔ)能電容器提供，并且應(yīng)盡量靠近功放組件安裝(最好放在功放組件內(nèi)部)，以減小電路引線電阻和電感的影響。儲(chǔ)能電容器和功放組件作為電源的負(fù)載可以用一個(gè)電容器C和一個(gè)串聯(lián)的電阻R與開關(guān)S相并聯(lián)來(lái)等效，其等效電路如圖7所示。在脈沖期間，開關(guān)S是閉合的，負(fù)載R所需的很高峰值電流由儲(chǔ)能電容C提供，電容C上產(chǎn)生電壓降。在脈沖間隙內(nèi)，開關(guān)S斷開，電源對(duì)C進(jìn)行再充電。在下一個(gè)脈沖到來(lái)前，電容器C上電壓又重新被充電到原來(lái)的值，等待下一個(gè)脈沖到來(lái)。

相控陣?yán)走_(dá)對(duì)于射頻信號(hào)脈沖的頂降是有要求的，頂降不能過(guò)大，如圖8所示。

頂降定義為

(1)

定義脈沖電流的峰值為Ip，T/R供電電源電壓為U0，脈沖寬度為τ，頂降要求為d，則有

C·d·U0≥τ·Ip

(2)

為保證最大脈寬τmax時(shí)的頂降，則有

(3)

公式(3)表明，充電電容器容量能有效改善射頻信號(hào)脈沖的頂降，當(dāng)然實(shí)際選用時(shí)會(huì)受到體積及質(zhì)量等限制。

3 結(jié)束語(yǔ)

電源系統(tǒng)是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。雷達(dá)輻射的是脈沖電磁波。脈沖負(fù)載要求電源有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，艦載雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備量大，工作環(huán)境復(fù)雜。復(fù)雜的電磁環(huán)境中，電源要進(jìn)行良好的電磁兼容設(shè)計(jì)?？傊?，整個(gè)艦載相控陣供電電源要解決的技術(shù)難題很多。雷達(dá)天線陣面陣對(duì)電源的體積、質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求，電源設(shè)計(jì)必須合理，達(dá)到高可靠性、高功率密度和高效率目的。