新型固定式相控阵雷达供电系统研究

张 冰

（连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港 222000）

0 引 言

相控阵雷达的优点在于横截面小、扫描方式灵活、目标更新频率快等，在传统机械扫描雷达的基础上，以收发组件替代行波管，使得雷达扫描稳定性显著提高。收发组件的正常运行需供应稳定的低压直流电，发射瞬时电流较高。固定式相控阵雷达为相控阵雷达的主要类型之一，研究更加可靠的供电方式，可确保充分发挥固定式相控阵雷达的性能优势。

1 固定式相控阵雷达供电系统设计

1.1 供电系统选型

固定式相控阵雷达传统供电系统采用集中供电的方式，存在如下供电弊端。第一，导体直径相同时，热损耗与电流的平方正相关，因此传输电流过大会导致导体发热严重，产生额外损耗。第二，集中供电的方式在进行大电流传输时，导线部分产生的电感会削弱负载端电源动态响应能力，引发电压超调现象，易损坏T/R 组件。第三，传输功率较大时，集中式电源需并联多个电源，产生的瞬态均流会降低供电稳定性。

分布式供电系统包括多个DC-DC 变换器，可实现电压、电流的逐级变换，进而有效解决传统集中式电源无法很好地适应大电流、大功率传输需求的问题。因此，本文研究的新型供电系统采用分布式电源。

1.2 供电系统规划

分布式供电系统包括三相有源功率矫正APFC 模块、一次电源模块和二次电源模块。其中，APFC 负责控制负载无功分量，提高固定式相控阵雷达对发电机组的负载功率因数；一次电源将来自APFC 模块的直流高压转换为直流母线电压，方便二次电源使用，通常处理后的电压幅值在240～320 V 或36～72 V；二次电源模块负责将来自一次电源的直流母线电压转化为可被收发组件及阵面电源直接使用的直流电压，幅值包括24 V、8 V、3 V 等。

常见相控阵体系包括旋转阵、四面阵等，不同相控阵可设计不同的分布式电源系统架构。例如，四面阵一般使用小幅值直流母线电压（36～72 V），以馈电系统作为供电媒介。按照收发组件类型不同，四面阵的二次电源结构也可分别设计。表1 为分布式供电系统架构与相控阵体制间的对应关系。

表1 分布式供电系统架构与相控阵体制间的对应关系

2 固定式相控阵雷达供电系统搭建

2.1 直流母线电压

2.1.1 相控阵体制选择

相控阵主要为旋转阵和四面阵。其中，旋转阵的机械结构限制较大，想要提高滑环机构的灵活性并延长使用寿命，需适当降低电流幅值。但是，当功率既定时，调低电流会导致电压上升。四面阵不受机械结构的影响，其选择主要关注阵面收发单元数、T/R 组件类型、二次电源体积等，因此选择该类型。

2.1.2 T/R 组件类型

结合表1 信息，T/R 组件分为砷化镓和氮化镓两种类型，二者的T 通道电流分别在5 A 和4 A。若为大型四面阵，二次电源的体积需尽量小，且有较高的功率密度。若直流母线电压过高，以上要求则无法实现。尤其是电压幅值在100 V 以上的情况，需选择较小的直流母线电压，以简化设计过程[1]。

2.2 电源功率拓扑

大功率三相有源功率矫正APFC 模块电源功率拓扑主要是三相六开关APFC 拓扑和三相VIENNA 三电平APFC 拓扑；一次电源模块主要为带同步整流移动全桥拓扑和三电平全桥拓扑；二次电源模块主要为带同步整流有源钳位正激拓扑和半桥谐振拓扑。具体拓扑需结合电源性能、功率、输入电压等参数进行选择。但需注意，APFC模块的拓扑需为BOOST升压电路结构，一次电源与二次电源的拓扑结构需为BUCK 降压电路结构。若电源对转换功率要求较高，则优先选择半桥拓扑或正激拓扑，以此减少对功率开关的需求；若电源输入电压较高，则优先选择自带变压器的拓扑。

2.3 电源控制方式

控制方式与电源供电稳定运行有关，主要包括电源应对电压突变或负载突变的能力。固定式相控阵雷达电源控制方式主要包括电压控制和电流控制两种。其中，电压控制模式存在串联分压取样电阻，取样输出电压后得到反馈电压，经过放大器处理后进行误差比较。在比较器完成放大器输出电压小信号与定频锯齿波信号对比后得到PWM 驱动信号，运行功率开关。电流控制模式中存在两个控制环路，其与电压控制的区别在于对比对象的不同。在该控制模式中，放大器输出电压信号与电感采集到的电流与电阻阻值的乘积进行对比。控制模式的选择需结合电源运行环境。总结而言，电压控制的优势在于单环路、抗扰动能力强、负载影响程度低等。若负载恒定，则优先选择电压控制模式；若环境中存在脉动负载，则需选择电流控制模式。

2.4 一次电源控制保护电路

2.4.1 控制保护电路

控制保护电路的核心构件为UC1935 型控制器，配合过压、欠压、过流、温度保护等电路，形成完整的保护系统。UC1935 控制器专门针对相控阵设计，可同时提供翻译、解码、保护等多种功能。控制器为四路驱动输出，分别对应两个半桥，可独立控制死区时域，确保时域内下一连通轨道顺利完成放电过程。

UC1935 控制器对电源控制方式无严格要求，在电压或电流控制模式下均可正常运行，对电路进行实时保护。该控制器具备如下优势：第一，占比控制范围在0%～100%；第二，开关频率在100 MHz，可满足多种供电系统的运行需求；第三，控制器自带欠压锁定，可保证输出电压低幅值；第四，自带软启动控制；第五，死区时域控制为独立进行；第六，误差放大器有效范围为0～10 MHz；第七，可提供电流峰值为6 A；第八，适用于多种电源控制模式；第九，在锁定状态下，利用电流比较器可完成重启，为电路提供保护作用。

2.4.2 滤波电路

滤波电路主要负责二相交流电源的合流和过滤，得到幅值为280 V 的交流电压，满足电路使用需求。电磁干扰过滤器可削弱电源噪音信号和被污染电网对电路的干扰。二相合流桥模块中带有输出控流线圈，用以稳定输出电流，提高功率。

通道定义方案设计如下：CHI-V1 漏源电压衰减倍数为500；CHZ-V1 源头电压衰减倍数为50；CH3-电阻3 两侧电压衰减倍数为50。若发生电路瞬间中断现象，需立即关闭源电压，通过电阻向两侧充电，得到电路两侧电压为UC2=E×et·RDS。式中，E、et、RDS分别代表电路实时电流、电流最大输出值和输出电阻阻值。电路初步充电阶段，若源电压发生短路，两侧电阻发挥分压作用，开关承受反向压力，通电瞬间电阻上的电流达到最大值。两侧电压逐渐下降后，开关承受的反压转化为正压，通过电阻器对电路充电。以上过程中，栅极电压逐步提高，当其达到3.5 V 时，开关1 闭合，由开关1 和两侧电阻同时对电路充电[2]。电流流经电阻在单级管两侧形成正压，压力值达到0.7 V后，联通作业开始，可有效限制电容器充电电流。若正压力值无法供应开关联通需求，两侧电压继续上升，直至达到安全范围，促使开关状态恢复正常。

3 固定式相控阵雷达供电系统优化

固定式相控阵雷达传统供电系统在安全性、传输损耗、阵面电源体积等方面还存在较大的优化空间，因此针对以上问题，在分布式供电系统的基础上对其做针对性优化。

3.1 安全性优化

雷达供电系统输入电压高、输出电流大，存在一定的安全风险，因此需要在供电系统中添加安全保护机制，避免故障发生时影响人员和设备的安全。安全性优化主要考虑电气绝缘、防止带电体直接接触、安全载流量及电击防护。其中，电气绝缘即保持配电线路与电气设备间良好的绝缘性；防止带电体直接接触即避免人员触碰带电体而引发触电事故；安全载流量可被用于导线截面及设备型号的优化选择，要求供电系统内外连接线均依照安全安全载流量进行设置，温度变化范围不超过20 ℃。安装直流母线浮地系统，母线正负端均对地绝缘，负端与设备外壳联合接地，确保母线与人员操作电路相互独立。同时，安装母线漏电保护装置和绝缘监测装置，严格防范安全风险。

3.2 传输损耗优化

传输损耗的常规控制方法为将阵面电源设置在同一机柜中，电源机柜与负载组件机柜间紧密排布，使用电缆连接。设连接电缆长度为3 m、截面为20 mm2，单个阵面电源的功率为3 kW，若达到雷达供电需求，需安装2 000 个阵面电源。计算可得，各阵面电源与连接电缆间阻抗为2.625×10-3Ω，传输损耗为60.26×103W，传输损耗较大，且容易引发走线、散热等问题。

因此，决定对阵面电源与T/R 组件设计为一体化结构，尽可能缩短电源与负载之间的传输距离[3]。经处理后，连接电缆的长度约在30 mm，因此传输损耗也将降低至原来的1%左右，传输损耗控制效果明显。一体化结构的实现方式为：将阵面电源设置在T/R 组件中，形成结构整体。

3.3 阵面电源体积优化

阵面电源体系与电源系统供电方式直接相关。当采用三相交流电直接传送的供电方式时，通过一次电源将电源转化为可供阵面电源直接使用的直流电。该种供电方式需要在阵面上设置整流电路，从而导致阵面电源体积增加。若采用市电-整流电源-阵面电源的供电方式，则无需安装交流滤波器和电解电容，可进一步降低阵面电源体积，同时保证电源功率不变。经计算，新的供电方式较传统供电方式相比，阵面电源的体积可降低80%左右。

4 结 论

分布式相控阵雷达供电系统在供电稳定性、安全性、经济性方面，均较传统供电方式有明显的提升。在系统优化上，阵面电源与T/R 组件间空间关系的确认还需做进一步研究，以在降低传输损耗的同时，确保供电系统各模块的正常运行。