基于相控陣?yán)走_(dá)脈沖負(fù)載特性的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

周 龍，鄭和俊

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司（國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心），貴州 貴陽 550081）

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展對電源系統(tǒng)的供電品質(zhì)提出了更高的要求，特別是雷達(dá)的工作模式更加多樣化，工作特性也更加復(fù)雜[1]。為了給相控陣?yán)走_(dá)提供穩(wěn)定可靠的供電，要根據(jù)雷達(dá)不同部分和不同模式采取不同的電路拓?fù)洌峁┻m合的供電方式和特性[2]。

雷達(dá)電源的電路部分包括了EMI電路、遙測電路、使能控制電路以及時(shí)序電路等多種電路，分別為雷達(dá)的陣面發(fā)射、陣面接收及信號處理等主要用電設(shè)備進(jìn)行供電[3]。其中陣面發(fā)射用電負(fù)荷最大，大約占雷達(dá)系統(tǒng)供電總?cè)萘康?0%以上，負(fù)載特性表現(xiàn)為低占空比脈沖負(fù)荷，而且其工作狀態(tài)與雷達(dá)工作模式密切相關(guān)，因此本文重點(diǎn)對陣面發(fā)射的供電模式進(jìn)行建模、分析并仿真。

1 開關(guān)電源的輸出負(fù)載瞬變特性

陣面發(fā)射的負(fù)荷特性表現(xiàn)出脈沖性，且其脈沖負(fù)載重復(fù)周期相對較高，對供電性能指標(biāo)要求較高，因此可能引起一系列供電系統(tǒng)穩(wěn)定性問題[4]。下面從開關(guān)電源的工作原理上對脈沖負(fù)載帶來的影響進(jìn)行分析。

開關(guān)電源工作原理如圖1所示，PWM控制器產(chǎn)生方波信號，驅(qū)動(dòng)開關(guān)MOS管Q1將輸入直流變成交流方波，方波電壓通過變壓器傳遞到副邊，經(jīng)D1、D2整流及L1濾波后形成直流電壓，并通過取樣、隔離反饋至PWM控的誤差放大器端以調(diào)整PWM輸出，從而控制脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定[5]。

圖1 開關(guān)電源工作原理圖

由以上電路特點(diǎn)可知，開關(guān)電源存在輸出負(fù)載瞬變特性。圖1中，L1給C1、C2提供穩(wěn)定的電流，C1、C2為負(fù)載Ro提供所需工作電流。當(dāng)負(fù)載瞬變時(shí)（如0A→滿載、滿載→0A），由于電感器中電流不能突變，當(dāng)負(fù)載電流Ir突然增大后，電容充電電流Ic不會跟隨Ir突變，此時(shí)C1、C2放電電流大于充電電流Ic，表現(xiàn)為C1、C2兩端的電壓Vo下降低于設(shè)定電壓值，稱之為電壓下陷。待反饋環(huán)路響應(yīng)調(diào)整Q1驅(qū)動(dòng)脈寬后，輸出電壓才恢復(fù)設(shè)定值，反之當(dāng)負(fù)載電流Ir突然減小后，表現(xiàn)為C1、C2兩端的電壓Vo上升超過設(shè)定電壓值，稱之為過沖[6]。

2 T/R電源工作等效電路建模

T/R組件具有低電壓和大電流的特征，其供電回路包含DC/DC變換、電流傳輸導(dǎo)線、儲能電容以及T組件，工作回路等效電路見圖2[7]。圖中Ct為儲能電容，Rc為Ct的等效串聯(lián)電阻，RL為電流傳輸線線阻，Rt為T組件等效電阻。電路中DC/DC為儲能電容充電，儲能電容為T組件提供瞬態(tài)工作電流，T組件的開通和關(guān)斷受激勵(lì)信號的控制。

圖2 T/R電源工作等效電路

假設(shè)脈沖負(fù)載的工作周期為T，其占空比為D。此時(shí)T組件有帶載和空載兩種工作模式，電路在每種模式下各有兩種工作狀態(tài)。在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，設(shè)脈沖負(fù)載的工作時(shí)段為t1，則空載時(shí)長為T-t1，其中t1=DT。

根據(jù)TR組件的工作特點(diǎn)，在帶載期間[0,t1]，T組件開通，脈沖負(fù)載工作，此時(shí)由電源和電容共同為T組件供電，電容放電，負(fù)載電流由電源的額定輸出電流逐漸升高到T組件最大電流，然后電容持續(xù)放電，負(fù)載電流維持T組件最大電流，此時(shí)儲能電容兩端電壓下跌[8]。

T組件開通時(shí)，由等效電路可得儲能電容上的電流為：

由IC=ICt+It可以推得：

同理可得，在空載期間[t1，T]，此時(shí)T組件關(guān)斷，脈沖負(fù)載停止工作，電源以額定輸出電流為電容充電，待電容充滿電，電源此時(shí)輸出電流為0，并存在以下關(guān)系：

上述微分方程和等式構(gòu)成了雷達(dá)陣面發(fā)射單元的供電關(guān)系數(shù)學(xué)模型[3]。

3 儲能電容參數(shù)計(jì)算

通過對發(fā)射單元等效電路建模分析，在T組件開通和關(guān)斷瞬間，其實(shí)際電壓為VT=VO-VRc-VRl。其中，VO為DC/DC輸出電壓，VRc為儲能電容損耗壓降，VRl為線路傳輸損耗壓降。由上式可知，影響電壓突變值的是等效串聯(lián)電阻Rc，而與電容容值無關(guān)。因此，選用低Rc的儲能電容有利于降低脈沖負(fù)載的電壓突變。

此外，為了滿足發(fā)射單元工作時(shí)脈沖負(fù)載端電壓的頂降要求，對儲能電容的容值也有一定的要求。由第2章可知，T組件在開通工作模式下，是由電源與儲能電容共同為其供電。取Pav為平均功率，Ppk為瞬態(tài)功率，t為脈寬，C為儲能電容，U1為脈沖起始電壓，U2為脈沖末端電壓，分析儲能電容上的能量變換，由電容儲能公式可得：

陣面發(fā)射狀態(tài)下的電源工作特性相對復(fù)雜，文獻(xiàn)[9]中提出的一種算法為：

經(jīng)驗(yàn)證，按本文計(jì)算方法所得容值能夠滿足上式不等式要求，且考慮在低溫狀態(tài)下電容容量下降及長期工作損耗，儲能電容容量應(yīng)比實(shí)際計(jì)算值選取更大[10]。

4 電路仿真驗(yàn)證

以某型號相控陣?yán)走_(dá)為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，電源輸出電壓為28.1 V，峰值電流為1 000 A，脈寬0.3 μs，最大占空比0.3。通過MATLAB軟件的Simulink模塊建立了含脈沖負(fù)載的電路仿真模型，由上述參數(shù)計(jì)算可得等效阻抗，再代入最小儲能電容容值，在最大占空比工作模式下進(jìn)行仿真，得到結(jié)果如圖3、圖4以及圖5所示。其中圖3、4、5的橫坐標(biāo)均為時(shí)間，單位為μs，圖3縱坐標(biāo)為電壓值，單位為V，圖4縱坐標(biāo)為電流值，單位為A，圖5縱坐標(biāo)表示開通和關(guān)斷的狀態(tài)。

圖3 仿真電壓值

圖4 仿真電流值

圖5 仿真脈沖開關(guān)情況

由圖3可知，電壓跌落值約0.4 V，下跌后最小為27.7 V，與理論計(jì)算值接近。此時(shí)儲能電容持續(xù)處于充放電狀態(tài)，但電壓精度始終保持在1.5%以內(nèi)，脈沖負(fù)載適應(yīng)性較好，不會造成系統(tǒng)震蕩，能夠滿足雷達(dá)實(shí)際使用需要。

5 結(jié) 論

由于雷達(dá)陣面發(fā)射單元脈沖負(fù)載可能引起的一系列電源穩(wěn)定性問題，本文針對相控陣?yán)走_(dá)的負(fù)載脈沖特性進(jìn)行攻關(guān)，從開關(guān)電源負(fù)載瞬變特性入手，對TR陣面發(fā)射單元進(jìn)行等效建模，推導(dǎo)出儲能電容計(jì)算公式，并通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行了電路仿真，驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性。該電源已完成了整機(jī)配試及驗(yàn)收工作，能夠滿足系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)，且工作穩(wěn)定可靠。文中對發(fā)射單元等效電路及儲能電容的計(jì)算推導(dǎo)與驗(yàn)證工作，對后續(xù)型號及同類型產(chǎn)品具有參考意義。