新型固定式相控陣雷達供電系統研究

張 冰

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

相控陣雷達的優點在于橫截面小、掃描方式靈活、目標更新頻率快等，在傳統機械掃描雷達的基礎上，以收發組件替代行波管，使得雷達掃描穩定性顯著提高。收發組件的正常運行需供應穩定的低壓直流電，發射瞬時電流較高。固定式相控陣雷達為相控陣雷達的主要類型之一，研究更加可靠的供電方式，可確保充分發揮固定式相控陣雷達的性能優勢。

1 固定式相控陣雷達供電系統設計

1.1 供電系統選型

固定式相控陣雷達傳統供電系統采用集中供電的方式，存在如下供電弊端。第一，導體直徑相同時，熱損耗與電流的平方正相關，因此傳輸電流過大會導致導體發熱嚴重，產生額外損耗。第二，集中供電的方式在進行大電流傳輸時，導線部分產生的電感會削弱負載端電源動態響應能力，引發電壓超調現象，易損壞T/R 組件。第三，傳輸功率較大時，集中式電源需并聯多個電源，產生的瞬態均流會降低供電穩定性。

分布式供電系統包括多個DC-DC 變換器，可實現電壓、電流的逐級變換，進而有效解決傳統集中式電源無法很好地適應大電流、大功率傳輸需求的問題。因此，本文研究的新型供電系統采用分布式電源。

1.2 供電系統規劃

分布式供電系統包括三相有源功率矯正APFC 模塊、一次電源模塊和二次電源模塊。其中，APFC 負責控制負載無功分量，提高固定式相控陣雷達對發電機組的負載功率因數；一次電源將來自APFC 模塊的直流高壓轉換為直流母線電壓，方便二次電源使用，通常處理后的電壓幅值在240～320 V 或36～72 V；二次電源模塊負責將來自一次電源的直流母線電壓轉化為可被收發組件及陣面電源直接使用的直流電壓，幅值包括24 V、8 V、3 V 等。

常見相控陣體系包括旋轉陣、四面陣等，不同相控陣可設計不同的分布式電源系統架構。例如，四面陣一般使用小幅值直流母線電壓（36～72 V），以饋電系統作為供電媒介。按照收發組件類型不同，四面陣的二次電源結構也可分別設計。表1 為分布式供電系統架構與相控陣體制間的對應關系。

表1 分布式供電系統架構與相控陣體制間的對應關系

2 固定式相控陣雷達供電系統搭建

2.1 直流母線電壓

2.1.1 相控陣體制選擇

相控陣主要為旋轉陣和四面陣。其中，旋轉陣的機械結構限制較大，想要提高滑環機構的靈活性并延長使用壽命，需適當降低電流幅值。但是，當功率既定時，調低電流會導致電壓上升。四面陣不受機械結構的影響，其選擇主要關注陣面收發單元數、T/R 組件類型、二次電源體積等，因此選擇該類型。

2.1.2 T/R 組件類型

結合表1 信息，T/R 組件分為砷化鎵和氮化鎵兩種類型，二者的T 通道電流分別在5 A 和4 A。若為大型四面陣，二次電源的體積需盡量小，且有較高的功率密度。若直流母線電壓過高，以上要求則無法實現。尤其是電壓幅值在100 V 以上的情況，需選擇較小的直流母線電壓，以簡化設計過程[1]。

2.2 電源功率拓撲

大功率三相有源功率矯正APFC 模塊電源功率拓撲主要是三相六開關APFC 拓撲和三相VIENNA 三電平APFC 拓撲；一次電源模塊主要為帶同步整流移動全橋拓撲和三電平全橋拓撲；二次電源模塊主要為帶同步整流有源鉗位正激拓撲和半橋諧振拓撲。具體拓撲需結合電源性能、功率、輸入電壓等參數進行選擇。但需注意，APFC模塊的拓撲需為BOOST升壓電路結構，一次電源與二次電源的拓撲結構需為BUCK 降壓電路結構。若電源對轉換功率要求較高，則優先選擇半橋拓撲或正激拓撲，以此減少對功率開關的需求；若電源輸入電壓較高，則優先選擇自帶變壓器的拓撲。

2.3 電源控制方式

控制方式與電源供電穩定運行有關，主要包括電源應對電壓突變或負載突變的能力。固定式相控陣雷達電源控制方式主要包括電壓控制和電流控制兩種。其中，電壓控制模式存在串聯分壓取樣電阻，取樣輸出電壓后得到反饋電壓，經過放大器處理后進行誤差比較。在比較器完成放大器輸出電壓小信號與定頻鋸齒波信號對比后得到PWM 驅動信號，運行功率開關。電流控制模式中存在兩個控制環路，其與電壓控制的區別在于對比對象的不同。在該控制模式中，放大器輸出電壓信號與電感采集到的電流與電阻阻值的乘積進行對比。控制模式的選擇需結合電源運行環境。總結而言，電壓控制的優勢在于單環路、抗擾動能力強、負載影響程度低等。若負載恒定，則優先選擇電壓控制模式；若環境中存在脈動負載，則需選擇電流控制模式。

2.4 一次電源控制保護電路

2.4.1 控制保護電路

控制保護電路的核心構件為UC1935 型控制器，配合過壓、欠壓、過流、溫度保護等電路，形成完整的保護系統。UC1935 控制器專門針對相控陣設計，可同時提供翻譯、解碼、保護等多種功能。控制器為四路驅動輸出，分別對應兩個半橋，可獨立控制死區時域，確保時域內下一連通軌道順利完成放電過程。

UC1935 控制器對電源控制方式無嚴格要求，在電壓或電流控制模式下均可正常運行，對電路進行實時保護。該控制器具備如下優勢：第一，占比控制范圍在0%～100%；第二，開關頻率在100 MHz，可滿足多種供電系統的運行需求；第三，控制器自帶欠壓鎖定，可保證輸出電壓低幅值；第四，自帶軟啟動控制；第五，死區時域控制為獨立進行；第六，誤差放大器有效范圍為0～10 MHz；第七，可提供電流峰值為6 A；第八，適用于多種電源控制模式；第九，在鎖定狀態下，利用電流比較器可完成重啟，為電路提供保護作用。

2.4.2 濾波電路

濾波電路主要負責二相交流電源的合流和過濾，得到幅值為280 V 的交流電壓，滿足電路使用需求。電磁干擾過濾器可削弱電源噪音信號和被污染電網對電路的干擾。二相合流橋模塊中帶有輸出控流線圈，用以穩定輸出電流，提高功率。

通道定義方案設計如下：CHI-V1 漏源電壓衰減倍數為500；CHZ-V1 源頭電壓衰減倍數為50；CH3-電阻3 兩側電壓衰減倍數為50。若發生電路瞬間中斷現象，需立即關閉源電壓，通過電阻向兩側充電，得到電路兩側電壓為UC2=E×et·RDS。式中，E、et、RDS分別代表電路實時電流、電流最大輸出值和輸出電阻阻值。電路初步充電階段，若源電壓發生短路，兩側電阻發揮分壓作用，開關承受反向壓力，通電瞬間電阻上的電流達到最大值。兩側電壓逐漸下降后，開關承受的反壓轉化為正壓，通過電阻器對電路充電。以上過程中，柵極電壓逐步提高，當其達到3.5 V 時，開關1 閉合，由開關1 和兩側電阻同時對電路充電[2]。電流流經電阻在單級管兩側形成正壓，壓力值達到0.7 V后，聯通作業開始，可有效限制電容器充電電流。若正壓力值無法供應開關聯通需求，兩側電壓繼續上升，直至達到安全范圍，促使開關狀態恢復正常。

3 固定式相控陣雷達供電系統優化

固定式相控陣雷達傳統供電系統在安全性、傳輸損耗、陣面電源體積等方面還存在較大的優化空間，因此針對以上問題，在分布式供電系統的基礎上對其做針對性優化。

3.1 安全性優化

雷達供電系統輸入電壓高、輸出電流大，存在一定的安全風險，因此需要在供電系統中添加安全保護機制，避免故障發生時影響人員和設備的安全。安全性優化主要考慮電氣絕緣、防止帶電體直接接觸、安全載流量及電擊防護。其中，電氣絕緣即保持配電線路與電氣設備間良好的絕緣性；防止帶電體直接接觸即避免人員觸碰帶電體而引發觸電事故；安全載流量可被用于導線截面及設備型號的優化選擇，要求供電系統內外連接線均依照安全安全載流量進行設置，溫度變化范圍不超過20 ℃。安裝直流母線浮地系統，母線正負端均對地絕緣，負端與設備外殼聯合接地，確保母線與人員操作電路相互獨立。同時，安裝母線漏電保護裝置和絕緣監測裝置，嚴格防范安全風險。

3.2 傳輸損耗優化

傳輸損耗的常規控制方法為將陣面電源設置在同一機柜中，電源機柜與負載組件機柜間緊密排布，使用電纜連接。設連接電纜長度為3 m、截面為20 mm2，單個陣面電源的功率為3 kW，若達到雷達供電需求，需安裝2 000 個陣面電源。計算可得，各陣面電源與連接電纜間阻抗為2.625×10-3Ω，傳輸損耗為60.26×103W，傳輸損耗較大，且容易引發走線、散熱等問題。

因此，決定對陣面電源與T/R 組件設計為一體化結構，盡可能縮短電源與負載之間的傳輸距離[3]。經處理后，連接電纜的長度約在30 mm，因此傳輸損耗也將降低至原來的1%左右，傳輸損耗控制效果明顯。一體化結構的實現方式為：將陣面電源設置在T/R 組件中，形成結構整體。

3.3 陣面電源體積優化

陣面電源體系與電源系統供電方式直接相關。當采用三相交流電直接傳送的供電方式時，通過一次電源將電源轉化為可供陣面電源直接使用的直流電。該種供電方式需要在陣面上設置整流電路，從而導致陣面電源體積增加。若采用市電-整流電源-陣面電源的供電方式，則無需安裝交流濾波器和電解電容，可進一步降低陣面電源體積，同時保證電源功率不變。經計算，新的供電方式較傳統供電方式相比，陣面電源的體積可降低80%左右。

4 結 論

分布式相控陣雷達供電系統在供電穩定性、安全性、經濟性方面，均較傳統供電方式有明顯的提升。在系統優化上，陣面電源與T/R 組件間空間關系的確認還需做進一步研究，以在降低傳輸損耗的同時，確保供電系統各模塊的正常運行。