林莊 倪揚(yáng) 楊新國

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

（2.上海無線電設(shè)備研究所 上海市 200090）

1 引言

緊湊相控陣系統(tǒng)摒棄機(jī)械掃描伺服機(jī)構(gòu)，采用固態(tài)有源陣列、電子掃描、多波束技術(shù)和數(shù)字式穩(wěn)定平臺(tái)，擁有機(jī)械掃描體制所不具備的快速性；采用T/R組件有源陣列，可以得到更大的合成功率，實(shí)現(xiàn)比機(jī)械掃描體制大得多的功率孔徑積，有利于提高搜索-截獲-跟蹤性能；通常工作于較高頻率的微波波段，有利于跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)[1-2]。因?yàn)榫邆渖鲜鎏攸c(diǎn)，緊湊相控陣系統(tǒng)呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展的趨勢。其所使用的二次電源（開關(guān)電源）特性亦與傳統(tǒng)機(jī)械掃描體制有較大差異，因此，研究其電源的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法具有一定的工程意義。

本文基于緊湊相控陣系統(tǒng)應(yīng)用場景，需設(shè)計(jì)一種級聯(lián)大容量電容陣列、對脈內(nèi)電壓跌落和啟動(dòng)電流指標(biāo)比較敏感的緊湊相控陣用開關(guān)電源。經(jīng)查詢參考資料[3-4]及相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的研究偏重于大功率DC/DC級的實(shí)現(xiàn)，對緊湊相控陣系統(tǒng)應(yīng)用下的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少，本文針對這些局限開展研究。

2 緊湊相控陣用大功率脈沖電源的分類與特點(diǎn)

緊湊相控陣系統(tǒng)載波的脈沖重復(fù)頻率PRF一般從1kHz到600kHz以上。由于相控陣工作頻率被調(diào)制在脈沖載頻中，因此與電源相關(guān)的頻率特性為其脈沖重復(fù)頻率（PRF）。根據(jù)探測對象和目標(biāo)背景散射雜波大小的不同，分別采用中低發(fā)射占空比（5%～25%）和高發(fā)射占空比（30%～50%）。根據(jù)PRF和占空比的組合分類（這兩項(xiàng)參數(shù)與電源的相關(guān)性比較大），應(yīng)用較多的主要有兩類：中低PRF（1kHz～100kHz）低發(fā)射占空比（5%～25%）模式；高PRF（120kHz～600kHz以上）高發(fā)射占空比（30%～50%）模式。脈內(nèi)峰值電流一般可達(dá)300A～500A左右（28V天線工作電壓下）、脈內(nèi)電流上升/下降沿大多小于10ns，脈內(nèi)電壓頂降通常要求小于額定電壓的5%。

中低PRF低發(fā)射占空比模式需求的電源特點(diǎn)為峰值功率大、平均功率相對較小、工作脈寬較寬（可達(dá)數(shù)百us以上）、電流變化速率大（可達(dá)104A/us級）；高PRF高發(fā)射占空比模式需求的電源特點(diǎn)為峰值功率大、平均功率也較大、工作脈寬窄（通常不大于數(shù)十us）、電流變化速率大（可達(dá)104A/us級）。

現(xiàn)代高功率密度大功率開關(guān)電源多采用正激或半橋、全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)電路屬BUCK變換器，其在CCM模式下的小信號(hào)等效電路如圖1所示。

其輸出電壓對輸出電流的傳遞函數(shù)為：

圖1：小信號(hào)等效電路

圖2：典型過流保護(hù)電路

圖3：延遲式hiccup過流保護(hù)

當(dāng)輸出電流在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上有小擾動(dòng)時(shí)，在輸出電壓的穩(wěn)態(tài)量上也會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，作為閉環(huán)控制的穩(wěn)定功率級，輸出的擾動(dòng)是收斂的[5]。基于小型化和高效率的優(yōu)化，這些開關(guān)電源的工作頻率大多在200kHz～500kHz，與相控陣天線的PRF處于同等或接近的數(shù)量級。兼顧控制環(huán)路穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化，通常傳遞函數(shù)的零點(diǎn)頻率在數(shù)百Hz到數(shù)kHz、極點(diǎn)頻率在數(shù)十kHz。因此，輸出擾動(dòng)的收斂時(shí)間通常在數(shù)百us，接近相控陣天線的工作脈寬。同時(shí)由于電源內(nèi)部輸出電容容量受限（一般幾十到數(shù)百uF）,對輸出電流突變的輸出響應(yīng)幅度通常大于相控陣天線要求的脈內(nèi)電壓頂降值，例如輸入180～400VDC輸出28VDC800W的規(guī)格、對50%～75%～50%輸出電流躍變，電流變化率0.1A/us時(shí)的響應(yīng)為3～5%、電流變化率2.5A/us時(shí)的響應(yīng)為6～9%。對相控陣天線動(dòng)輒104A/us級的電流變化率，該響應(yīng)幅度將大幅增加。僅依靠開關(guān)電源的功率輸出和瞬態(tài)響應(yīng)能力難以滿足此類大功率脈沖用電的要求。

3 設(shè)計(jì)分析

表1：實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)值與實(shí)測值對比表

圖4：預(yù)偏壓啟動(dòng)控制電路

針對緊湊相控陣系統(tǒng)脈沖電流峰值大、電流變化速率快的特點(diǎn)，在供電二次電源與其之間加入一個(gè)低內(nèi)阻儲(chǔ)能電容網(wǎng)絡(luò)是較為有效措施。用以補(bǔ)充相控陣天線脈內(nèi)工作的瞬態(tài)能量，提升對脈沖負(fù)載的響應(yīng)能力。通常采用大數(shù)量相同參數(shù)電容的并聯(lián)陣列。

其參數(shù)計(jì)算主要是按最大脈寬和允許的脈內(nèi)電壓頂降計(jì)算需要的電容量。其計(jì)算可按式（2）。

其中C為儲(chǔ)能電容容量；V1、V2分別為相控陣天線額定工作電壓和脈內(nèi)頂降之后的電壓；P為相控陣天線的峰值功率，Δt為最大工作脈寬。

對于中低PRF低占空比應(yīng)用，由于通常脈寬相對較大，往往該電容陣列的總電容量極大。例如對于比較典型的28V工作電壓、5%頂降要求、500A峰值電流、PRF為1～50kHz、最大脈寬200us的緊湊相控陣天線，V1、V2分別取28、26.6（V）；P取28×500=14000(W)；Δt取200×10-6(s)，計(jì)算得到C=64338.235uF。考慮電容器±20%的容差變化，將該值乘1.25得到80423uF，最終的總電容量高達(dá)逾8萬uF。

考慮電容ESR損耗，通常采用較多數(shù)量的低ESR電容（如鋁電容或鉭電容）并聯(lián)，總ESR控制在0.1mΩ量級或以下。例如采用800只100uF/90mΩ電容并聯(lián)。典型大功率高功率密度開關(guān)電源的最大容性負(fù)載能力為2000～10000uF。緊湊相控陣天線如此大的低ESR負(fù)載電容接到二次電源后，極易引起開關(guān)電源功能性和穩(wěn)定性問題，需對電源特性進(jìn)行針對性的優(yōu)化。

高PRF高發(fā)射占空比應(yīng)用時(shí)，脈寬相對較小，需要的儲(chǔ)能電容量較?。ㄒ话銛?shù)百到數(shù)千uF），但平均功率較中低PRF低占空比應(yīng)用時(shí)大數(shù)倍，重點(diǎn)優(yōu)化儲(chǔ)能電容的耐紋波電流能力。

3.1 大容性負(fù)載啟機(jī)特性優(yōu)化

開關(guān)電源帶大容性負(fù)載啟機(jī)時(shí)，需對電容迅速充電，以維持輸出電壓的穩(wěn)定上升，因此啟動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生較正常工作大得多的沖擊電流，易導(dǎo)致觸發(fā)過流保護(hù)導(dǎo)致啟動(dòng)失敗、多次啟動(dòng)或反饋環(huán)路超調(diào)引起較大輸出電壓過沖。

開關(guān)電源典型過流保護(hù)電路如圖2所示。對大容性負(fù)載引起的啟動(dòng)沖擊電流，將過流保護(hù)由常規(guī)電源模塊的逐周期限流保護(hù)改為延遲式hiccup保護(hù)模式（通過更換具有此功能的PWM控制芯片實(shí)現(xiàn)），通過一個(gè)可編程周期的逐周期限流檢測后才進(jìn)入限流關(guān)斷模式，使短時(shí)間的啟動(dòng)沖擊電流不易觸發(fā)過流保護(hù)，可更好地支持大容性負(fù)載啟機(jī)。如圖3所示。調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間t2的大小，可將過流保護(hù)狀態(tài)下的平均功耗控制到比較低。

圖6：輸入電流（通道1）與部分輸出電壓啟動(dòng)波形

圖7：各組輸出電壓建立波形

圖8：脈內(nèi)電壓跌落波形

減小R1的阻值，可降低t1階段過流檢測信號(hào)的上升速率，從而支持更大的容性負(fù)載；但R1阻值的減小也將導(dǎo)致短路保護(hù)功耗的增加，因此并不能通過調(diào)節(jié)R1完全解決大容性負(fù)載啟機(jī)問題。結(jié)合延長軟啟動(dòng)時(shí)間（圖3中t3階段），使輸出電壓建立爬升時(shí)間變長、容性負(fù)載充電電流變小，從而在啟機(jī)過程中不易觸發(fā)過流保護(hù)。輸出爬升時(shí)間變長同時(shí)也讓爬升速率變慢，不易引起輸出電壓過沖。

3.2 次級預(yù)偏壓啟動(dòng)

二次電源關(guān)機(jī)時(shí)，由于后級電容陣列儲(chǔ)存的能量較大，并且相控陣天線有一定的開關(guān)機(jī)門限，因此電源后級電壓迅速降低到額定電壓的約50%左右(即天線關(guān)機(jī)門限附近)后下降極為緩慢，若短時(shí)間需再次開機(jī)工作，則二次電源將在次級有較大預(yù)偏電壓條件下啟動(dòng)，易出現(xiàn)輸出電容向前端放電，導(dǎo)致啟動(dòng)期間輸出電壓震蕩、電源二次啟動(dòng)或損壞同步整流管的現(xiàn)象。

為了使電源能在預(yù)偏電壓條件下可靠啟動(dòng)，增加預(yù)偏壓控制環(huán)路，如圖4所示。

這個(gè)環(huán)路在啟動(dòng)時(shí)比輸出電壓反饋控制環(huán)路優(yōu)先級更高，在啟動(dòng)過程初始階段，輸出電壓反饋控制環(huán)路關(guān)閉，由預(yù)偏壓環(huán)路控制電源啟動(dòng)工作[6]。檢測次級預(yù)偏置電壓值給到VSENSE端,PWM輸出比正常啟動(dòng)大的占空比，使電源初始輸出電壓幅值與預(yù)偏電壓相當(dāng)、避免后級大電容向前端放電，然后逐步增加占空比，輸出電壓幅值從預(yù)偏壓處單調(diào)上升；到一定預(yù)先設(shè)置的幅度（顯著高于天線開機(jī)電壓門限、低于正常工作電壓下限）后，為避免輸出電壓在開環(huán)階段升得過高引起后續(xù)閉環(huán)工作的超調(diào)，預(yù)偏壓控制環(huán)路斷開，切換到輸出電壓反饋控制環(huán)路工作，控制電源輸出繼續(xù)上升到額定輸出電壓。完成在次級預(yù)偏壓條件下的啟動(dòng)，滿足相控陣天線必要時(shí)在短時(shí)間內(nèi)多次開啟和關(guān)閉的需求。

3.3 輸入電流抑制

緊湊相控陣應(yīng)用中，天線電源一般空載啟動(dòng)、達(dá)到額定電壓后才通過控制開關(guān)進(jìn)行加載操作，以減小輸入電流沖擊。盡管如此，由于電源后端儲(chǔ)能電容的容量極大，啟動(dòng)時(shí)即使天線不開機(jī)，電源仍需將這些電容由零充電到天線額定工作電壓，耗費(fèi)能量極大，相應(yīng)地將在輸入端產(chǎn)生較大的輸入電流沖擊，只是減少了天線工作電流的疊加，開關(guān)電源的開機(jī)輸入電流特性仍需進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使輸入電流沖擊盡可能小。

采用延長電源的軟啟動(dòng)時(shí)間的方法，使啟動(dòng)時(shí)輸出電壓建立爬升時(shí)間變長，由于給后級電容充滿電所需的能量不變，充電時(shí)間拉長則電流持續(xù)時(shí)間增加、峰值電流降低，達(dá)到電流峰值的時(shí)間延后、從而降低輸入電流浪涌。如圖5所示，一型28V輸入28V18A輸出的開關(guān)電源，輸出接20000uF負(fù)載電容，空載啟動(dòng)，修改軟啟動(dòng)時(shí)間前:建立時(shí)間約60ms、沖擊電流約9A（電流峰值減去穩(wěn)態(tài)電流）、且輸出電壓因大容性負(fù)載形成了過沖電壓,延長軟啟動(dòng)時(shí)間后：建立時(shí)間約400ms、沖擊電流降低為約1A、無輸出過沖電壓。

同時(shí)還需結(jié)合分組分時(shí)啟動(dòng)的方法：相控陣天線有較多數(shù)量的陣元，這些陣元的供電地線連通、但正端可以獨(dú)立以便使用多組電源供電提升功率。因此，可通過天線陣元均分、增加電源組數(shù)，減小電源單組功率，然后控制各電源單元分時(shí)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸入電流浪涌幅值進(jìn)一步降低。例如，將大功率天線電源均分為3組并分時(shí)啟動(dòng)，將原本同時(shí)啟動(dòng)疊加時(shí)的沖擊電流變?yōu)?個(gè)分時(shí)的幅度為1/3的沖擊電流，可大幅度減小前級供電要求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用電路實(shí)驗(yàn)搭建一臺(tái)緊湊相控陣用大功率脈沖電源樣機(jī)，對所提出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。電源樣機(jī)主要參數(shù)：輸入電壓150VDC、峰值功率7.8kW、脈沖重復(fù)頻率1kHz、占空比25%，電源輸出28VDC、均分為4組（輸出地線相連輸出正端隔離），每組設(shè)計(jì)額定平均輸出功率500W、儲(chǔ)能電容20000uF。測得輸入電流、輸出電壓建立波形、脈沖工作時(shí)脈內(nèi)電壓跌落波形分別如圖6、圖7、圖8所示。

從波形上看，該實(shí)驗(yàn)電路在負(fù)載端大容量電容情況下，輸出電壓無啟動(dòng)震蕩和過沖等現(xiàn)象，表明大容性負(fù)載條件下啟機(jī)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)合理；從圖7輸出電壓建立波形可見電源清晰的雙環(huán)路接替控制，次級預(yù)偏壓啟動(dòng)控制環(huán)路和輸出電壓反饋控制環(huán)路切換點(diǎn)輸出電壓波動(dòng)小，表明次級預(yù)偏壓啟動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)合理；輸出電壓建立時(shí)間為200ms左右，較顯著大于同功率等級開關(guān)電源30～50ms的典型設(shè)計(jì)值，以提升容性負(fù)載能力、降低輸入電流沖擊。電路實(shí)測各參數(shù)指標(biāo)滿足預(yù)期要求，見表1。

由表1指標(biāo)可以看出，在大功率脈沖輸出條件下，本電路輸入電流沖擊小，與相控陣天線性能密切相關(guān)的脈內(nèi)電壓頂降值較低、在大功率脈沖工作大容性負(fù)載條件下輸出電壓無啟動(dòng)過沖現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文根據(jù)緊湊相控陣系統(tǒng)供電的大功率脈沖式負(fù)載特性，分析了其所使用的二次電源（開關(guān)電源）的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種結(jié)合大容性負(fù)載啟機(jī)特性優(yōu)化、次級預(yù)偏壓啟動(dòng)、輸入電流抑制等技術(shù)的開關(guān)電源與大容量儲(chǔ)能電容級聯(lián)模式設(shè)計(jì)方法，并通過電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，對該類大功率脈沖式開關(guān)電源的工程設(shè)計(jì)具有參考意義。

為進(jìn)一步提升大功率脈沖電源的性能，在今后的研究工作中，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入探索：在工作脈寬較大時(shí)，如中低PRF（1kHz～100kHz）低發(fā)射占空比（5%～25%）模式下，采用高效率母線變換器（隔離非穩(wěn)壓，滿足峰值功率）帶少量儲(chǔ)能電容與動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化的高效非隔離穩(wěn)壓變換級聯(lián)的設(shè)計(jì)模式，由非隔離穩(wěn)壓變換級提供主要脈沖功率、儲(chǔ)能電容可大幅度降低，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；采用新的設(shè)計(jì)技術(shù)提升開關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平，使之適應(yīng)更窄的瞬變負(fù)載脈寬。