一種高功率密度DC/DC電源設計

曹晨　張建飛

關鍵詞：相控陣雷達陣面電源；高功率密度電源；開關電源；高壓輸入電源；VICOR晶片

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A

0引言

隨著雷達系統的發展，相控陣技術以其獨特的功能，已被廣泛應用于各種雷達之中。相控陣雷達供電方式與傳統雷達有很大的不同：相控陣雷達電源向相控陣陣列上的T/R（收／發）組件供電，由于T/R組件工作電壓很低，數量眾多，所以要求電源輸出電壓低、電流大、體積小，是一種高功率密度、高壓輸入低壓輸出的電源。

本文基于某項目相控陣雷達的要求，設計一款高壓輸入、高功率密度的陣面電源。目前電源設計有兩種方法：一種是采用傳統降壓變壓器；另一種是采用開關電源。近幾年來，后一種方法幾乎取代了降壓變壓器。開關電源的優點是高效率和高功率密度輸出，故該電源采用開關電源技術。

整體電源系統原理框圖如圖1所示。其中一次電源為AC/DC（交流轉直流），陣面電源為DC/DC（直流轉直流）。本文設計為陣面電源模塊。

1 VICOR晶片

美國VICOR公司是國際知名的電源模塊生產廠家，也是目前世界最大的高密度電源模塊生產商之一。目前市場上銷售的主要有3代模塊產品：一代模塊產品最大功率為200 W;二代模塊產品最大功率為700 W;三代模塊產品是晶片產品，功率密度極高。本文DC/DC電源設計采用VICOR晶片，可以滿足客戶小體積、大功率的要求。

晶片和以往的磚型封裝模塊不同，其基本原理框圖如圖2所示。

其中，BCM為總線轉換器，提供從一個隔離非穩壓總線到負載點的轉換。BCM可從高輸入電壓（230～410 V）或48V（38～55 V），以固定的轉換比例，轉換至大范圍的輸出總電壓，峰值效率高達97.9%，全晶片封裝大小只有32.5mm×2mm×6.73 mm，功率密度高達1880 Wrm³（1 in≈2.54 cm）。PRM為升／降壓穩壓器預穩壓模塊，是效率非常高的非隔離升降壓模塊，輸入范圍寬，可提供穩壓及可調的輸出電壓。VTM為負載點電流倍增器，在26～55 Vdc范圍工作，輸出隔離電壓為輸入電壓的固定比值。PRM和VTM連用，可組成高效率、高功率密度的隔離式DC/DC轉換器。

由于本項目母線電壓為490 V，超出BCM工作電壓范圍，所以采用BCM并聯的方式，前級設計分壓電路，將490 V分成兩路245 V，即可滿足BCM輸入電壓要求。

2電源設計原理

根據VICOR晶片以及本項目需求，陣面電源原理框圖如圖3所示。

均壓電路的作用是將輸入電壓490 Vdc均壓成兩路245 Vdc，滿足后級輸入范圍需要。

延時啟動電路的作用是等均壓完成后，觸發BCM工作，進行DC/DC轉換。

PI為高密度隔離式DC/DC轉換器，提供第二路較小功率隔離輸出。

檢測電路是用來檢測兩路輸出是否正常。如果均有電壓輸出，則檢測電平為高；如果有任意一路無輸出，則檢測電平為低。

3 PCB設計原理

由于體積和散熱條件有限，本電源設計元器件分別焊接在兩塊PCB（印制電路板）上。其中均壓電路、觸發電路、第一級DC/DC轉換和穩壓器焊在一塊PCB上，發熱元器件緊貼電源底板；第二級DC/DC轉換、電流倍增器和檢測電路焊在第二塊PCB上，發熱元器件緊貼頂板散熱。這樣可以將輸入至中間轉換部分放在底部，輸出部分全放在頂部，兩塊PCB之間連線最少，且輸入輸出干擾小。

4測量結果

電源實物如圖4所示。

將成品電源放在測試工裝上，電源輸入接高壓直流穩壓儀表電源，輸出端接滑線變阻器，開機預熱1 min后在常溫下進行性能指標測試。空載時，緩慢加輸入電壓，測量結果如表1所示。

輸入電壓時要注意，若輸入電壓持續升壓至490V，那么兩個BCM會在臨界電壓（約為180V，分壓前輸入電壓為360 V）附近出現間隔導通關斷現象，不能同時工作。為避免此現象，可以直接將輸入電壓加到490V，越過臨界電壓點；或者調整延時啟動電路中的分壓電阻，使輸入電壓高于臨界電壓點之后再啟動BCM。

滿載測量結果如表2所示。

電源（在電網電壓或負載突變時）的輸出調整速率很重要，因為沒有一個物理過程能“瞬時”完成。

對比以上電源空載和滿載輸出電壓的測量結果可以看出，電源輸出電壓調整率高，效率高，性能指標良好。結構和性能指標均可以滿足陣面電源的設計要求。

5結語

相控陣雷達陣面電源的特殊性，決定其高功率密度的特點。本設計采用美國VICOR公司第三代電源晶片，是一次新的嘗試和挑戰，設計主要難度為空間小、散熱量大。為了滿足小體積的要求，PCB設計采用兩層印制板，讓發熱原件貼合頂板和底板，最大限度增加散熱面積，保證電路正常工作。電源可提供兩路輸出，且具有體積小、功率大、效率高的特點，能夠滿足現代陣面電源的要求。