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摘要:論述了艦載相控陣雷達電源系統(tǒng)設(shè)計的幾種電源架構(gòu),并闡述對比分析其優(yōu)缺點。結(jié)合項目實例分析了電訊設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞:相控陣雷達;電源架構(gòu);關(guān)鍵技術(shù)
0引言
現(xiàn)代高性能相控陣雷達以其獨特特性得到廣泛應(yīng)用。雷達根據(jù)不同需要可裝載在艦艇、汽車、飛機、衛(wèi)星等平臺上,其中裝載在艦艇上的各種雷達總稱為艦載雷達。采用天線陣列后接T/R組件的相控陣系統(tǒng)使雷達系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大提高。天線面陣有低電壓大電流的供電需求。對于艦載相控陣雷達,天線面陣都高高地裝在桅桿頂部。由于受到體積、質(zhì)量和海上特殊的工作環(huán)境條件等諸多因素的限制,電源系統(tǒng)的設(shè)計必須做到高可靠性、高功率密度和高效率。高功率密度、高可靠的低壓大電流電源供電系統(tǒng)已成為相控陣雷達的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1電源架構(gòu)艦載雷達
電源系統(tǒng)將艦載供電電壓變換成各種不同的直流電壓,通過輸電線路傳送到不同的用電負載處,以保證整個雷達正常工作。電源系統(tǒng)是雷達的重要組成,而艦載相控陣雷達電源是給天線面陣的T/R組件供電。相控陣雷達電源基本電源架構(gòu)有集中式供電和分布式供電兩種,而在兩種基本電源架構(gòu)的結(jié)合基礎(chǔ)上產(chǎn)生了混合式供電。
1.1集中式供電集中式供電是指在一套艦載相控陣雷達設(shè)備中,作為一個獨立的整件,電源系統(tǒng)采用AC-DC功率變換將艦載輸入源電壓變換成負載所需的直流電壓,通過直流輸電線路將電壓傳送到負載處。集中式供電實現(xiàn)方式的工作原理圖如圖2所示。集中式供電系統(tǒng)的優(yōu)點在于方便實現(xiàn)冗余技術(shù),可靠性高,架構(gòu)簡單,方便統(tǒng)一控制和管理供電。對于艦載相控陣雷達而言,選用集中式供電可以相對減輕桅桿頂部天線面陣的體積和質(zhì)量。集中式供電系統(tǒng)的缺點如下:(1)熱損耗大。面陣所需的電壓低,總功率大,在大電流的情況下直流輸電線路熱損耗嚴重,線上壓降較大,降低電源系統(tǒng)效率。(2)線纜布線復(fù)雜。整個供電都集中在一起,輸入總功率大,低壓輸出電流大,輸出線路多,線纜粗,走線復(fù)雜,而且線纜的質(zhì)量大大地增加了整個雷達系統(tǒng)的質(zhì)量。(3)負載瞬態(tài)響應(yīng)差。動態(tài)響應(yīng)特性變差,容易引起電壓超調(diào),損壞T/R組件。從靜態(tài)角度來看,傳輸線纜有一定的等效電阻,負載電流流經(jīng)會產(chǎn)生壓降。當(dāng)壓降大到一定量值時負載端電壓過低。為了使負載電路能正常工作,需要調(diào)高電源的輸出電壓來補償,降低了系統(tǒng)效率,對散熱裝置的要求也更加苛刻。從動態(tài)角度來看,傳輸線纜有一定的等效電感,若負載電流發(fā)生躍變,輸出端將產(chǎn)生電壓偏差,有時偏差過大,負載端電壓無法通過供電電源及時調(diào)整。
1.2分布式供電系統(tǒng)各電路的電源相對獨立,減少了大電流傳輸線路,使系統(tǒng)的總效率有一定的提高。架構(gòu)內(nèi)通常包含一個AC-DC電源靠近配電。中間母線匹配一定的儲能電容提高一次側(cè)電源的動態(tài)響應(yīng)。另用DC-DC模塊放置在PCB板上或者靠近負載點。隔離的DC-DC模塊配合負載工作。每個模塊與周邊器件組合能完成EMI濾波、輸入保護、隔離、穩(wěn)壓和變壓等功能。與集中式供電系統(tǒng)相比,分布式供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:(1)輸出電壓穩(wěn)定性好,系統(tǒng)效率有一定的提高。由于減少了低電壓、大電流直流輸出線路,線路損耗低,系統(tǒng)效率必然提高。各個負載所需要的電源能就近產(chǎn)生,負載與電源距離近,減少了線路阻抗對調(diào)整性能的影響,也減少了干擾信號對負載的影響,因而輸出電壓穩(wěn)定性較好。(2)適應(yīng)性強,減少產(chǎn)品種類,便于標(biāo)準(zhǔn)化。由于將整個電源系統(tǒng)化整為零,各部分電源選擇比較靈活,容易實現(xiàn)最佳配置。而且,同一設(shè)計方案稍加調(diào)整可用于其他系統(tǒng)。(3)電磁兼容性能優(yōu)越。由于電源比較分散,抑制電磁干擾的方案比較容易實現(xiàn)。由于分布式供電的一對一的方式,一旦某個DC-DC模塊故障,直接導(dǎo)致后部負載無法工作,所以分布式供電的冗余技術(shù)難以實現(xiàn),任務(wù)可靠性不高。
1.3混合式供電由于集中式和分布式供電各有利弊,在實際艦載雷達供電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中選擇集中式與分布式相結(jié)合的方式來得到最優(yōu)供電方案,為天線面陣提供高品質(zhì)電能。圖4所示為集中分布相結(jié)合的混合式供電方式。在艦載配電附近(艙室內(nèi))將交流電進行一次變換成高壓直流進行電能輸送,降低了輸電線路傳輸?shù)膿p耗,提高系統(tǒng)效率。在桅桿頂部的天線面陣上進行二次功率變換,將高壓直流轉(zhuǎn)換成低壓直流給T/R組件供電。供電系統(tǒng)一次、二次功率變換都可以進行一定程度的冗余設(shè)計。一次電壓變換采用通用電源機柜。電源機柜放置在艙室內(nèi),由多臺AC/DC電源組件并聯(lián)冗余輸出。根據(jù)艦載雷達功率量級不同可以靈活增減電源組件的個數(shù)。二次電壓變換中一臺DC/DC組件電源由多個DC/DC電源模塊并聯(lián)冗余輸出,給多臺T/R組件供電,提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性、靈活性和通用性。單臺AC/DC電源組件包含有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計,提高整個供電系統(tǒng)的電磁兼容性。艙室內(nèi)環(huán)境相比艙室外要好很多,電源機柜可以實現(xiàn)高效電能質(zhì)量管理、實時狀態(tài)監(jiān)控和顯示,以及全面功能保護和安全防護。
2關(guān)鍵技術(shù)分析
2.1一次電源系統(tǒng)的諧波電流(THD)和功率因數(shù)校正(PFC)艦載三相交流供電進入一次電源后首先經(jīng)過電磁濾波和三相整流,高次諧波豐富,諧波電流(THD)較大。這不僅污染整個艦載的電網(wǎng),還會導(dǎo)致用電設(shè)備之間的相互干擾,使前端電站功率容量增大。因此,為保證艦載供電系統(tǒng)質(zhì)量,更有效地利用電能,使得供電系統(tǒng)中的其他用電設(shè)備安全可靠地運行,必須采取途徑抑制或消除AC/DC變換器交流側(cè)的諧波電流,提高功率因數(shù)。目前,已實際應(yīng)用的功率因數(shù)校正拓撲主要包括多脈沖整流和有源功率因數(shù)校正。多脈沖整流就是利用不同的繞組聯(lián)結(jié)方式(如三角形聯(lián)結(jié)和星形等)構(gòu)造得到相位不同的電壓矢量,使得網(wǎng)側(cè)電流由不同相位的電流矢量疊加而成,最終使得常規(guī)三相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)的方波電流變?yōu)榀B加而成的階梯波電流。與階梯波合成逆變器的道理相同,根據(jù)階梯波抵消原理,當(dāng)合成電流波形的階梯數(shù)越多,即相位不同的電壓矢量數(shù)增加、整流脈沖數(shù)增多,則對應(yīng)的電流波形中諧波成份越少,THD越小。有源PFC技術(shù)是在整流橋和輸出負載之間接入有源電路拓撲,通過控制拓撲中開關(guān)管的動作使得輸入電流波形(幅值和相位)跟蹤輸入電壓,從而達到提升輸入功率因數(shù)的效果。目前,實際應(yīng)用中有源功率因數(shù)校正一般采用智能編程DSP三相有源功率校正控制電路。此電路具有高PFC值、低THD值、具有效率高,以及電磁干擾小的特點,同時零件應(yīng)力較小,質(zhì)量相對較輕,可以減輕電源的整體質(zhì)量。
2.2脈沖負載的供電T/R組件負載特性為脈沖負載,而且脈寬和重復(fù)周期均可變。射頻脈沖發(fā)射期間,若以負載電流的有效值來設(shè)計電源是不合理的。通常的做法是該峰值電流由儲能電容器提供,并且應(yīng)盡量靠近功放組件安裝(最好放在功放組件內(nèi)部),以減小電路引線電阻和電感的影響。儲能電容器和功放組件作為電源的負載可以用一個電容器C和一個串聯(lián)的電阻R與開關(guān)S相并聯(lián)來等效。在脈沖期間,開關(guān)S是閉合的,負載R所需的很高峰值電流由儲能電容C提供,電容C上產(chǎn)生電壓降。在脈沖間隙內(nèi),開關(guān)S斷開,電源對C進行再充電。在下一個脈沖到來前,電容器C上電壓又重新被充電到原來的值,等待下一個脈沖到來。
3結(jié)束語
電源系統(tǒng)是整個雷達系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。雷達輻射的是脈沖電磁波。脈沖負載要求電源有較快的動態(tài)響應(yīng)。同時,艦載雷達系統(tǒng)設(shè)備量大,工作環(huán)境復(fù)雜。復(fù)雜的電磁環(huán)境中,電源要進行良好的電磁兼容設(shè)計。總之,整個艦載相控陣供電電源要解決的技術(shù)難題很多。雷達天線陣面陣對電源的體積、質(zhì)量提出了嚴格要求,電源設(shè)計必須合理,達到高可靠性、高功率密度和高效率目的。
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作者:李剛1,陳潔2,吳珩2,周鑫2 單位:1.海軍裝備部信息系統(tǒng)局,2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所