新型雷达固态收发模块电源的设计

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(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.中航工业合肥江航飞机装备有限公司， 安徽合肥 230051)

0 引言

在雷达发射机中固态收发模块承担了将电力功率转化为射频功率的重要职责。为了实现高增益、大功率、外控简单、便于扩展、高效轻小型化发射模块的要求，在固态收发模块中除了射频放大功能器件之外，会将模块用电源变换(或调节)设备集成到模块结构体中，因此对电源变换器的功率密度和效率提出了很高的要求[1-2]。为了获得高功率密度和变换效率，可采用具有软开关的高频变换技术[3]。新型雷达固态收发模块电源采用单环谐振变换器(Single-Cycle Resonant Converters，SCRC)构成末级功放电源，该电源具有零电流和零电压的特性，确保了收发模块功率和效率的需求。

1 收发模块电源需求及组成

单个固态收发模块中各功能单元的供电均由220 V/50 Hz输入电源提供，其中末级固态功率管为最大用电单元，是电源设计主要考虑的负载特性。具体要求如下：

输入电压：220 V/50 Hz±10%

输出电压：30～36 V(DC)

输出电流：最大30 A(连续)

输出端负载电容：大于10 000 μF

输入功率因数：大于0.87

整个电源采用冷板散热结构，整个电源厚度小于20 mm。

整个电源组成如图1所示。其中由Sepic-PFC变换器、T1及AC/DC构成前级电源，主要完成输入功率因数校正，起到降压、隔离及初步稳压的作用[4]。后级电源采用Buck-SCRC变换器，实现输出电压的进一步调节，保证射频负载的电压稳定需要。

Buck-SCRC为非隔离的电压调整电路，最终输出直流电压为30～36 V，电源的负载适应性调整也由这级变换器实现，同时变换器可以实现射频脉冲内禁闭的功能[1]。

图1 固态收发模块电源组成框图

2 变换器电路的工作原理

固态收发模块中采用的单环谐振变换器(BUCK-SCRC)电路主要由两只功率管、谐振电感和谐振电容构成。具体的电路图如图2所示。

图2 Buck型SCRC变换器电路图

2.1 工作模式

为了分析电路的稳定特性，对图2作以下假设：

1)所有的开关元件和有源器件都是理想的；

2)Lf远大于Lr，包括输出侧，可以作为恒流源对待。

变换器的工作模式等效电路如图3所示。与传统准谐振变换器(QRC)的4种工作模式不同，这种电路仅有两种工作模式[3]。假设初始的电感电流IL和初始电容电压VC都为零。S2流过的稳定输出电流为Io。在T0时，S1零电流导通，且S2零电压关断，开关周期开始。

图3 开关模式的等效电路

2.1.1 谐振模式(T0，Tr)

如图3(a)所示，在T0时，电压源VS和电流源Io同时按串联和并联分别接入LC谐振回路。当谐振回路的初始条件为IL(0)=0,VC(0)=0，给出状态方程：

(1)

(2)

所以，IL和VC可以变为

sin(ωt-tan-1(ZrIo/VS))+Io

(3)

sin(ωt-tan-1(VS/ZrIo))+VS

(4)

谐振电感电流和电容电压显示出具有直流偏置Io和VS的正弦波形，谐振电流和电压的幅值是随负载电流Io变化而变化的，不同于传统准谐振变换器中的固定值。在时间Tr时，完成一个谐振周期后，这些值又回到这种模式的初始值状态，即IL(Tr)=0，VC(Tr)=0。

2.1.2 续流模式(Tr，Ts)

在时间Tr时，S1零电流关断，S2立即零电压导通，如图3(b)所示，此时输出电流通过S2续流直到TS，此时开关周期结束。

IL(t)=0

(5)

VC(t)=0

(6)

图4给出了整个开关周期的波形。

图4 Buck型SCRC的工作波形

2.2 直流电压变换比

SCRC输出的直流电压Vo可以通过等效的每个周期输入能量Ei和每个周期输出能量Eo来求解。

(7)

Eo=VoIoTS

(8)

由式(7)和式(8)可以得到

(9)

这个关系式表明Buck型SCRC的直流电压变换比与归一化开关频率fs/fr成线性关系，易于控制，绘制曲线如图5所示。

图5 Buck型SCRC的直流电压变换比特性

3 变换器参数设计和工作波形

3.1 变换器参数设计

S1的峰值电压应力和S2的峰值电流应力维持在VS和Io。S1的峰值电流应力和S2的峰值电压应力直接受到谐振电流IL和电压VC的影响。由式(3)～式(6)容易推导出SCRC的S1的峰值电流应力和S2的电压应力。S1的峰值电流应力由下式表示：

(10)

峰值电流应力随谐振阻抗Zr的增加而减少。所以，尽可能地增加Zr的值，以减小S1的峰值电流应力。同样地，S2的峰值电压应力也可以由下式确定：

(11)

(12)

在SCRC中由于峰值谐振电压VC是随着负载电流变化的，所以S2的峰值电压应力也是变化的。VC的正电压被反向隔离二极管D2阻断，仅有VC的负电压加在有源开关S2上，S2和D2的峰值电压应力是随着Zr的增加而直接增加。

所以在设计SCRC时，必须兼顾S1的峰值电流应力和S2的峰值电压应力来选择Zr。

固态收发模块要求电源的输出直流电压为30～36 V，四路负载共需要30 A电流，考虑到雷达射频发射期间电源禁闭和电源降额设计要求，每一路BUCK-SCRC变化器按输出12 A电流设计。如果考虑最大开关频率fs=200 kHz,fs/fr=0.8。根据变换器的直流电压变换比特性：

即需要前级提供的电压在37.5～45 V之间变换就可以保证输出需要。为了S1获得ZCS，取特征阻抗电阻为Zr=5 Ω。

0.127 μF

(15)

开关管S1的峰值电流：

15+12=27 A

(17)

S2的电压应力由下式计算：

(18)

(19)

VC的正电压被反向隔离二极管D2阻断，仅有VC的负电压加在有源开关S2上，选择S2的MOSFET需要考虑大于111.5 V的电压。二极管的反向电压应大于201.5 V。

谐振电容Cr选择金属化膜电容，谐振电感的电感量较小，采用空心电感方式。

3.2 输出滤波参数设计

变换器输出接固态收发模块的末级功率管，为了满足雷达发射机脉冲功率的需求，在功率管附近接有较大容量电容负载，故电源输出不再考虑增加大电容滤波[5]。为了避免连线的影响，电源输出端接有100 μF电容。考虑输出电源纹波为0.1%和实际负载调整需要，输出滤波取电感量为100 μH。电流平均值为30 A。电感采用铁氧体铜薄带结构方式绕制而成。

3.3 控制电路

从图5分析可知，该Buck电路采用PFM控制即可实现输出稳压控制。电源控制主要是针对容性脉冲负载特性进行调整。

由于负载的原因，有可能导致输出电流过流，当检测电路测出过流发生的时候，降压限流电路将输出一个信号，降低PFM控制器的输出频率，使电源的输出降低。如果在规定的时间内持续过流的话，将关断输出并给出故障信号。为了避免负载脉冲期内大电流对检测电路的影响，控制电路在射频电路工作期间给出电源禁闭信号。当电源接受到禁闭输出信号时，电路首先将驱动信号封闭，电源不再输出能量，射频放大器直接从储能电容上提取峰值能量。同时，电路适当降低变换器输出占空比，这样在禁闭信号结束后，电源给储能电容充电时可起到平滑作用，防止电压过冲影响电路的可靠性。

3.4 工作波形

以上述参数构成的固态收发模块电源与模块的射频电路分别安装在模块结构体的两侧，中间为水冷散热装置。变换器中功率管实际工作波形如图6所示。其中电感电流测量采用电流探头10 mV/A，电容电压测量采用差分探头10∶1。从图6可以看出，电流电压信号均为正弦谐振，功率管实现了零电压、零电流的软开关。

图6 电源工作电压、电流输出波形

图7给出了电源固态收发模块脉冲负载状态下的输出储能电容电压脉动波形，可以看出，充电电压平缓，没有出现过冲现象，确保了射频功率管的工作安全。

图7 脉间电源充电电压脉动波形

4 结束语

新型雷达固态收发模块电源采用单环谐振变换器构成电源后级，电源工作在ZCS和ZVS的混合模式，变换效率高，有着和PWM变换器极为相似的特点，只是频率控制代替了脉宽控制。另外，它还具有工作原理简单、易于实现和控制、脉冲负载适应性好等特点。满足了雷达固态收发模块大脉冲电流的工作需求。

[1] 汪邦金,汪军,邵世东. 高增益、大功率、一体化固态T/R组件设计[J]. 火控雷达技术, 2009, 38(3):59-63.

[2] 沈项东,樊锡元. 一种L波段固态收发组件的设计[J]. 中国电子科学研究院学报, 2016,11(4):397-400.

[3] BODUR H, BAKAN A F. An Improved ZCT-PWM DC-DC Converter for High-Power and Frequency Applications[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics, 2004, 51(1):89-95.

[4] 王立乔,祝百年,孙孝峰. 一种单级隔离型SPEIC逆变器[J]. 电工技术学报, 2016, 31(18):75-82.

[5] AMINIM R, FARZANEHFARD H. Switched Resonator DC/DC Converter with a Single Switch and Small Inductors[J]. IET Power Electron, 2014,7(6):1331-1339.