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(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.中航工業(yè)合肥江航飛機裝備有限公司， 安徽合肥 230051)

0 引言

在雷達發(fā)射機中固態(tài)收發(fā)模塊承擔了將電力功率轉化為射頻功率的重要職責。為了實現高增益、大功率、外控簡單、便于擴展、高效輕小型化發(fā)射模塊的要求，在固態(tài)收發(fā)模塊中除了射頻放大功能器件之外，會將模塊用電源變換(或調節(jié))設備集成到模塊結構體中，因此對電源變換器的功率密度和效率提出了很高的要求[1-2]。為了獲得高功率密度和變換效率，可采用具有軟開關的高頻變換技術[3]。新型雷達固態(tài)收發(fā)模塊電源采用單環(huán)諧振變換器(Single-Cycle Resonant Converters，SCRC)構成末級功放電源，該電源具有零電流和零電壓的特性，確保了收發(fā)模塊功率和效率的需求。

1 收發(fā)模塊電源需求及組成

單個固態(tài)收發(fā)模塊中各功能單元的供電均由220 V/50 Hz輸入電源提供，其中末級固態(tài)功率管為最大用電單元，是電源設計主要考慮的負載特性。具體要求如下：

輸入電壓：220 V/50 Hz±10%

輸出電壓：30～36 V(DC)

輸出電流：最大30 A(連續(xù))

輸出端負載電容：大于10 000 μF

輸入功率因數：大于0.87

整個電源采用冷板散熱結構，整個電源厚度小于20 mm。

整個電源組成如圖1所示。其中由Sepic-PFC變換器、T1及AC/DC構成前級電源，主要完成輸入功率因數校正，起到降壓、隔離及初步穩(wěn)壓的作用[4]。后級電源采用Buck-SCRC變換器，實現輸出電壓的進一步調節(jié)，保證射頻負載的電壓穩(wěn)定需要。

Buck-SCRC為非隔離的電壓調整電路，最終輸出直流電壓為30～36 V，電源的負載適應性調整也由這級變換器實現，同時變換器可以實現射頻脈沖內禁閉的功能[1]。

圖1 固態(tài)收發(fā)模塊電源組成框圖

2 變換器電路的工作原理

固態(tài)收發(fā)模塊中采用的單環(huán)諧振變換器(BUCK-SCRC)電路主要由兩只功率管、諧振電感和諧振電容構成。具體的電路圖如圖2所示。

圖2 Buck型SCRC變換器電路圖

2.1 工作模式

為了分析電路的穩(wěn)定特性，對圖2作以下假設：

1)所有的開關元件和有源器件都是理想的；

2)Lf遠大于Lr，包括輸出側，可以作為恒流源對待。

變換器的工作模式等效電路如圖3所示。與傳統(tǒng)準諧振變換器(QRC)的4種工作模式不同，這種電路僅有兩種工作模式[3]。假設初始的電感電流IL和初始電容電壓VC都為零。S2流過的穩(wěn)定輸出電流為Io。在T0時，S1零電流導通，且S2零電壓關斷，開關周期開始。

圖3 開關模式的等效電路

2.1.1 諧振模式(T0，Tr)

如圖3(a)所示，在T0時，電壓源VS和電流源Io同時按串聯和并聯分別接入LC諧振回路。當諧振回路的初始條件為IL(0)=0,VC(0)=0，給出狀態(tài)方程：

(1)

(2)

所以，IL和VC可以變?yōu)?/p>

sin(ωt-tan-1(ZrIo/VS))+Io

(3)

sin(ωt-tan-1(VS/ZrIo))+VS

(4)

諧振電感電流和電容電壓顯示出具有直流偏置Io和VS的正弦波形，諧振電流和電壓的幅值是隨負載電流Io變化而變化的，不同于傳統(tǒng)準諧振變換器中的固定值。在時間Tr時，完成一個諧振周期后，這些值又回到這種模式的初始值狀態(tài)，即IL(Tr)=0，VC(Tr)=0。

2.1.2 續(xù)流模式(Tr，Ts)

在時間Tr時，S1零電流關斷，S2立即零電壓導通，如圖3(b)所示，此時輸出電流通過S2續(xù)流直到TS，此時開關周期結束。

IL(t)=0

(5)

VC(t)=0

(6)

圖4給出了整個開關周期的波形。

圖4 Buck型SCRC的工作波形

2.2 直流電壓變換比

SCRC輸出的直流電壓Vo可以通過等效的每個周期輸入能量Ei和每個周期輸出能量Eo來求解。

(7)

Eo=VoIoTS

(8)

由式(7)和式(8)可以得到

(9)

這個關系式表明Buck型SCRC的直流電壓變換比與歸一化開關頻率fs/fr成線性關系，易于控制，繪制曲線如圖5所示。

圖5 Buck型SCRC的直流電壓變換比特性

3 變換器參數設計和工作波形

3.1 變換器參數設計

S1的峰值電壓應力和S2的峰值電流應力維持在VS和Io。S1的峰值電流應力和S2的峰值電壓應力直接受到諧振電流IL和電壓VC的影響。由式(3)～式(6)容易推導出SCRC的S1的峰值電流應力和S2的電壓應力。S1的峰值電流應力由下式表示：

(10)

峰值電流應力隨諧振阻抗Zr的增加而減少。所以，盡可能地增加Zr的值，以減小S1的峰值電流應力。同樣地，S2的峰值電壓應力也可以由下式確定：

(11)

(12)

在SCRC中由于峰值諧振電壓VC是隨著負載電流變化的，所以S2的峰值電壓應力也是變化的。VC的正電壓被反向隔離二極管D2阻斷，僅有VC的負電壓加在有源開關S2上，S2和D2的峰值電壓應力是隨著Zr的增加而直接增加。

所以在設計SCRC時，必須兼顧S1的峰值電流應力和S2的峰值電壓應力來選擇Zr。

固態(tài)收發(fā)模塊要求電源的輸出直流電壓為30～36 V，四路負載共需要30 A電流，考慮到雷達射頻發(fā)射期間電源禁閉和電源降額設計要求，每一路BUCK-SCRC變化器按輸出12 A電流設計。如果考慮最大開關頻率fs=200 kHz,fs/fr=0.8。根據變換器的直流電壓變換比特性：

即需要前級提供的電壓在37.5～45 V之間變換就可以保證輸出需要。為了S1獲得ZCS，取特征阻抗電阻為Zr=5 Ω。

0.127 μF

(15)

開關管S1的峰值電流：

15+12=27 A

(17)

S2的電壓應力由下式計算：

(18)

(19)

VC的正電壓被反向隔離二極管D2阻斷，僅有VC的負電壓加在有源開關S2上，選擇S2的MOSFET需要考慮大于111.5 V的電壓。二極管的反向電壓應大于201.5 V。

諧振電容Cr選擇金屬化膜電容，諧振電感的電感量較小，采用空心電感方式。

3.2 輸出濾波參數設計

變換器輸出接固態(tài)收發(fā)模塊的末級功率管，為了滿足雷達發(fā)射機脈沖功率的需求，在功率管附近接有較大容量電容負載，故電源輸出不再考慮增加大電容濾波[5]。為了避免連線的影響，電源輸出端接有100 μF電容。考慮輸出電源紋波為0.1%和實際負載調整需要，輸出濾波取電感量為100 μH。電流平均值為30 A。電感采用鐵氧體銅薄帶結構方式繞制而成。

3.3 控制電路

從圖5分析可知，該Buck電路采用PFM控制即可實現輸出穩(wěn)壓控制。電源控制主要是針對容性脈沖負載特性進行調整。

由于負載的原因，有可能導致輸出電流過流，當檢測電路測出過流發(fā)生的時候，降壓限流電路將輸出一個信號，降低PFM控制器的輸出頻率，使電源的輸出降低。如果在規(guī)定的時間內持續(xù)過流的話，將關斷輸出并給出故障信號。為了避免負載脈沖期內大電流對檢測電路的影響，控制電路在射頻電路工作期間給出電源禁閉信號。當電源接受到禁閉輸出信號時，電路首先將驅動信號封閉，電源不再輸出能量，射頻放大器直接從儲能電容上提取峰值能量。同時，電路適當降低變換器輸出占空比，這樣在禁閉信號結束后，電源給儲能電容充電時可起到平滑作用，防止電壓過沖影響電路的可靠性。

3.4 工作波形

以上述參數構成的固態(tài)收發(fā)模塊電源與模塊的射頻電路分別安裝在模塊結構體的兩側，中間為水冷散熱裝置。變換器中功率管實際工作波形如圖6所示。其中電感電流測量采用電流探頭10 mV/A，電容電壓測量采用差分探頭10∶1。從圖6可以看出，電流電壓信號均為正弦諧振，功率管實現了零電壓、零電流的軟開關。

圖6 電源工作電壓、電流輸出波形

圖7給出了電源固態(tài)收發(fā)模塊脈沖負載狀態(tài)下的輸出儲能電容電壓脈動波形，可以看出，充電電壓平緩，沒有出現過沖現象，確保了射頻功率管的工作安全。

圖7 脈間電源充電電壓脈動波形

4 結束語

新型雷達固態(tài)收發(fā)模塊電源采用單環(huán)諧振變換器構成電源后級，電源工作在ZCS和ZVS的混合模式，變換效率高，有著和PWM變換器極為相似的特點，只是頻率控制代替了脈寬控制。另外，它還具有工作原理簡單、易于實現和控制、脈沖負載適應性好等特點。滿足了雷達固態(tài)收發(fā)模塊大脈沖電流的工作需求。

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[2] 沈項東,樊錫元. 一種L波段固態(tài)收發(fā)組件的設計[J]. 中國電子科學研究院學報, 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] 王立喬,祝百年,孫孝峰. 一種單級隔離型SPEIC逆變器[J]. 電工技術學報, 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.