程光鋒 徐綿起 王 青 王恒利

(空軍94981部隊(duì) 南昌 330200)

模塊化組合式雷達(dá)直流應(yīng)急電源研究

程光鋒 徐綿起 王 青 王恒利

(空軍94981部隊(duì) 南昌 330200)

直流電源作為雷達(dá)的二次電源，不僅種類規(guī)格多、而且對可靠性、穩(wěn)定性要求高。然而，由于負(fù)載、電網(wǎng)、自然環(huán)境等的影響和工作環(huán)境的電磁干擾，直流電源容易出現(xiàn)故障，這對雷達(dá)情報(bào)的正常傳遞造成致命的影響。本文提出了一種模塊化組合式直流電源，作為故障情況下雷達(dá)的應(yīng)急電源，保障直流電源連續(xù)不間斷的工作，確保雷達(dá)直流供電的連續(xù)性和可靠性。通過模塊化設(shè)計(jì)，降低了成本、減小了體積重量，提高了可維護(hù)性以及可靠性，通過組合式設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)不同型號(hào)雷達(dá)的應(yīng)急供電需求，減少了直流電源數(shù)量，提高了通用性和全面性。

直流電源;模塊化;組合式;應(yīng)急電源

0 引言

雷達(dá)中的直流電源是一種利用功率半導(dǎo)體器件將交流電變成直流電，然后供配給雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)直流負(fù)載的一種非標(biāo)電源，作為雷達(dá)的二次電源，直流電源的種類繁多，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同可以分為線性電源和開關(guān)電源等，根據(jù)輸出電壓規(guī)格可以分為24V、±15V、±12V、±10V、±5V、3.3V 等。雷達(dá)對直流電源的穩(wěn)定性和可靠性要求很高，直流電源的良好運(yùn)行，對雷達(dá)的安全運(yùn)行和發(fā)揮應(yīng)有效能十分重要。然而，由于負(fù)載、電網(wǎng)、自然環(huán)境的影響和周圍電磁環(huán)境的干擾，直流電源容易出現(xiàn)故障，如果備件短缺或者現(xiàn)有保障力量不能解決的情況下，整部雷達(dá)可能陷入癱瘓狀態(tài)，這對雷達(dá)情報(bào)的正常傳遞造成致命的影響。因此，有必要設(shè)計(jì)直流電源的應(yīng)急電源，保障直流電源連續(xù)不間斷的工作，確保設(shè)備直流供電的連續(xù)性和可靠性。除此之外，應(yīng)急電源還能起到臨時(shí)供電的作用，當(dāng)雷達(dá)停機(jī)檢修或者日常維護(hù)時(shí)，可以對檢修部分進(jìn)行供電，而不需要整部雷達(dá)開機(jī)運(yùn)行。

雷達(dá)直流電源主要有線性電源和開關(guān)電源兩類，線性電源功率小，輸出直流的紋波小，抗電磁干擾能力強(qiáng)，電源純凈性度高，但是發(fā)熱量大，效率低;開關(guān)電源功率大，輸出直流的紋波大，發(fā)熱量小，效率高。因此，對電源效率、電源功率和安裝體積要求高的地方多選用開關(guān)電源，對電磁干擾和電源純凈度要求高的地方，多選用線性電源。

1 直流電源故障特性分析

實(shí)踐證明大多數(shù)設(shè)備的故障曲線為浴盆曲線，故障率是時(shí)間的函數(shù)，如圖1所示，曲線的形狀呈兩頭高，中間低，劃分為三個(gè)階段:早期故障期，偶然故障期，損耗故障期［1－6］。然而，隨著狀態(tài)檢修技術(shù)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)設(shè)備的健康狀態(tài)對設(shè)備的故障率有著直接的影響，設(shè)備的狀態(tài)劣化程度用健康指數(shù)HI(Health Index)來描述。雷達(dá)直流供電系統(tǒng)由多個(gè)直流電源組成，每個(gè)直流電源的運(yùn)行狀態(tài)往往由若干狀態(tài)量共同決定，因此，直流供電系統(tǒng)的健康指數(shù)的獲取涉及到各個(gè)直流電源狀態(tài)量的采集和評(píng)估。

根據(jù)文獻(xiàn)［7－9］，設(shè)備健康指數(shù)數(shù)值上升，故障率也隨之上升，具有如式(1)的指數(shù)關(guān)系

式中:K為比例參數(shù);C為曲率參數(shù)。只要按年統(tǒng)計(jì)設(shè)備的健康狀態(tài)分類和年故障發(fā)生率，得到至少2年的統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)，就可以采用反演法來求解比例系數(shù)K和曲率參數(shù)C，從而求得故障率模型。

首先，統(tǒng)計(jì)計(jì)算設(shè)備的年故障發(fā)生概率;其次，對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)并根據(jù)健康狀態(tài)進(jìn)行分類，確定各個(gè)分類設(shè)備的臺(tái)數(shù);最后，將每年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果代入式(2)，聯(lián)立求解得到模型參數(shù)K和C的值

表1為某型雷達(dá)2010年和2012年直流供電系統(tǒng)健康狀態(tài)分類表，將表中數(shù)據(jù)代入式(2)中，即可通過反演法得K=0.0056，C=0.0488。

表1 某型雷達(dá)直流供電系統(tǒng)健康狀態(tài)分類表

求得K、C后，帶入式(1)，可得直流電源故障概率曲線如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)狀態(tài)評(píng)價(jià)分值處在區(qū)間(60，100)分內(nèi)時(shí)，故障率超過10%，需要對直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)加以注意，也可以從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看出，該型雷達(dá)直流供電系統(tǒng)直流電源年故障發(fā)生概率小于10%，同一個(gè)時(shí)間段(比如一周)，直流電源故障發(fā)生概率將會(huì)更小，此統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對直流應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2 直流應(yīng)急電源研究思路

2.1 直流應(yīng)急電源設(shè)計(jì)思路

雷達(dá)直流電源種類多、功率等級(jí)大小不一，雖然可以設(shè)計(jì)一款具有全部輸出電壓種類，按最大功率等級(jí)的單獨(dú)式電源，但是，這樣會(huì)造成電源體積大、重量大、成本高。為了實(shí)現(xiàn)直流應(yīng)急電源可靠性高、維護(hù)方便、便攜性好的特點(diǎn)，本文采用了“模塊化”設(shè)計(jì)理念，所設(shè)計(jì)的應(yīng)急電源主要由功率單元模塊和電源框架兩部分組成，功率單元模塊主要實(shí)現(xiàn)電能變換，滿足負(fù)載需要，既可以單獨(dú)運(yùn)行，又可以并聯(lián)運(yùn)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有互換性和通用性，并具有熱插拔功能，實(shí)現(xiàn)了N+1冗余。電源框架主要包括保護(hù)動(dòng)作電路、輔助電源、指示電路等幾個(gè)部分，交流電引入電源框架，經(jīng)濾波、保護(hù)電路后，再送到功率單元模塊。

圖3為模塊化組合式直流應(yīng)急電源的外形圖，其結(jié)構(gòu)為組合插件式，通過導(dǎo)軌和導(dǎo)向銷將功率單元模塊插入電源框架內(nèi)，接插件安裝于電源后部，輸入輸出均通過插箱后板上插座轉(zhuǎn)接，開關(guān)、保險(xiǎn)絲、指示燈、測試插孔安裝于面板正面，采用風(fēng)冷散熱方式。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)的好處

采用模塊化設(shè)計(jì)的好處主要有:

(1)種類少

單獨(dú)式設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不能滿足直流電源種類多樣，功率等級(jí)多樣的需求，模塊化電源可以根據(jù)不同的需求選定功率單元模塊進(jìn)行靈活的組合，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能，在設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮設(shè)計(jì)幾種通用性好的功率單元模塊即可。

(2)保障全

面對多種型號(hào)雷達(dá)的應(yīng)急供電需要，每型雷達(dá)可以根據(jù)自身的需求，選擇不同的功率單元模塊，插入到電源框架中，組合成自己需要的電源，這樣不僅節(jié)約了成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更全面的保障。

(3)成本省

由于功率單元模塊具有很好的通用性，可以組合形成不同需求的直流電源，相比以往單獨(dú)式的直流電源，能大幅度的降低研發(fā)成本。

(4)質(zhì)量好

如果研發(fā)單獨(dú)式直流電源，可能需要幾十種直流電源，種類越多，發(fā)生故障的概率就將成幾何倍數(shù)增長，而采用模塊化設(shè)計(jì)后，每個(gè)模塊都是標(biāo)準(zhǔn)模塊，種類少、質(zhì)量好、可靠性高。

(5)維修便

模塊化電源具有很強(qiáng)的可維護(hù)性，功率單元模塊出現(xiàn)問題時(shí)，可以在不影響整體系統(tǒng)的情況下對其更換或者維修，保證電源供電正常，而且模塊具有良好的通用性，因此電源的可維修性也大幅度提升。

3 直流應(yīng)急電源模塊化設(shè)計(jì)

直流應(yīng)急電源電氣原理如圖4所示，220V交流電壓引入電源框架后，經(jīng)過濾波模塊、變壓器、整流濾波、DC/DC電路得到需要的直流電壓，控制保護(hù)電路主要有過壓、欠壓和過載、過溫保護(hù)，用來實(shí)現(xiàn)對直流電壓的輸出控制。

3.1 變壓器

變壓器的作用是通過電磁場原理將交流高壓單相220VAC或三相380VAC變成不同負(fù)載所需要的低壓交流電，并可根據(jù)負(fù)載的數(shù)量分為單路輸出和多路輸出。變壓器(變壓器組件)的原理框圖如圖5所示。

3.2 DC/DC線性電源

(1)采用集成三端穩(wěn)壓器

線性電源為模擬器件提供低紋波的電壓，其穩(wěn)壓電路中的調(diào)整器件工作在線性放大狀態(tài)。可采用大功率可調(diào)集成三端穩(wěn)壓器(以下簡稱三端穩(wěn)壓器)和LM723多端可調(diào)集成穩(wěn)壓器電路，三端穩(wěn)壓器工作原理如圖6所示。

其內(nèi)部穩(wěn)壓采用懸浮方式，調(diào)整端和輸出端電壓差穩(wěn)定在1.25V，由于其調(diào)整端電流很小(典型值50μA，漂移0.2μA)，使得輸出電壓由調(diào)整端到輸出端的電阻R1與調(diào)整端到地的電阻R2決定，即:

三端穩(wěn)壓器內(nèi)部有過流、過熱保護(hù)和調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)電路，用三端穩(wěn)壓器組成的電路原理如圖7所示。

交流電源經(jīng)由變壓器組件降壓后加到整流穩(wěn)壓板的輸入端，經(jīng)整流橋整流濾波后成直流電壓，經(jīng)過可調(diào)三端穩(wěn)壓器調(diào)整成穩(wěn)定的輸出電壓，其中二極管D1、D2、D3用于保護(hù)穩(wěn)壓器不被意外的反向電壓擊穿，D3還用于在電壓串聯(lián)時(shí)提供電流通路。

電源的過壓保護(hù)功能由集成過壓保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輸出電壓超過額定值時(shí)，過壓保護(hù)器動(dòng)作，使輸出短路，熔斷器FU2熔斷，輸出電壓為零，達(dá)到了過壓保護(hù)目的。過壓保護(hù)器的門限電壓可由電阻R3調(diào)整，RP1用于微調(diào)輸出電壓。

(2)采用低壓差線性穩(wěn)壓模塊

低壓差線性穩(wěn)壓模塊內(nèi)部電原理框圖如圖8所示。該低壓差線性穩(wěn)壓模塊包括了調(diào)整管、誤差放大部分、反饋取樣部分和基準(zhǔn)電壓部分，采用了低RDS(on)值的MOSFET作為線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管，其最低管壓降在0.5V以內(nèi)就能穩(wěn)定工作，因此也就提高了電源的效率，該低壓差線性穩(wěn)壓模塊內(nèi)部還設(shè)有限流、過壓及過熱保護(hù)電路，模塊只需要接一只電阻就可以方便地確定輸出電壓，其輸出壓可由公式(2)得到:

其中:R的單位為kΩ，Uo的單位為V。

用低壓差線性穩(wěn)壓模塊組成的線性電源電路原理如圖9所示。

交流電源經(jīng)由變壓器降壓后加到整流橋的輸入端，經(jīng)整流濾波后變成脈動(dòng)直流電壓，再經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓模塊調(diào)整成穩(wěn)定的直流輸出電壓。電源的過流、過壓及過熱保護(hù)功能均由低壓差線性穩(wěn)壓模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電源輸出出現(xiàn)過流或者短路故障時(shí)，模塊內(nèi)的限流電路將電源的輸出/輸入短路，熔斷器FU2熔斷，輸出電壓變?yōu)榱?，達(dá)到了過壓保護(hù)的目的;當(dāng)模塊出現(xiàn)過熱故障時(shí)，模塊內(nèi)的過熱保護(hù)電路將關(guān)閉模塊的輸出以達(dá)到過熱保護(hù)的目的。

3.3 DC/DC開關(guān)電源

開關(guān)穩(wěn)壓電源為數(shù)字電路提供穩(wěn)定電壓，其穩(wěn)壓電路中的功率管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、體積小、重量輕的特點(diǎn)。開關(guān)電源采用Vicor公司出品的DC/DC模塊作為穩(wěn)壓元件，電源模塊采用諧振軟開關(guān)技術(shù)作為模塊的技術(shù)核心，操作頻率可達(dá)1MHz以上，效率超過80%，體積小，功率密度高，功能完善，內(nèi)部集成了過壓、過流、過熱保護(hù)功能，提供外部電壓微調(diào)、并聯(lián)接口及四線制遙測端，其原理框圖如圖10所示。

(1)Vicor模塊電壓的外部微調(diào)

Vicor模塊提供外部調(diào)壓端子，如圖11所示，其輸出電壓由內(nèi)置電阻 R5及外接電阻R6、R7、R8決定，輸出電壓調(diào)高時(shí)應(yīng)降低使用功率，同時(shí)最高輸出電壓不能調(diào)高于模塊內(nèi)部過壓保護(hù)點(diǎn)。

Vicor模塊的使用如圖12所示，其中電阻R9為假負(fù)載，主要是為了解決空載振蕩，因?yàn)樵诳蛰d情況下，開關(guān)電源在某些工作點(diǎn)處會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)為變壓器的嘯叫或者輸出的不穩(wěn)定，發(fā)生這種現(xiàn)象是由于空載或輕載時(shí)，開關(guān)瞬時(shí)開通時(shí)間過大造成輸出能量太大，因此電壓過沖也很大。

(2)Vicor模塊的功率擴(kuò)展

Vicor模塊可用一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊和多個(gè)功率倍增模塊并聯(lián)進(jìn)行功率擴(kuò)展，擴(kuò)展方式如圖13，驅(qū)動(dòng)模塊的Gate out端接到倍增模塊的Gate in端，輸出直接并聯(lián)，輸出電壓調(diào)整在主模塊側(cè)進(jìn)行。

其中電位器RP1用于電壓的微調(diào)，電容C1～C6用于降低電源的電磁干擾。

4 結(jié)論

模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)是產(chǎn)品系列化、組合化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方向。模塊化設(shè)計(jì)以功能塊為單位進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，將各個(gè)直流電源設(shè)計(jì)成獨(dú)立的功率單元，輔助電路則設(shè)計(jì)成框架結(jié)構(gòu)。在實(shí)際使用中，可以根據(jù)設(shè)備用電的不同需求，選擇合適的功率單元個(gè)數(shù)，將其插入到電源框架內(nèi)，形成一個(gè)組合式電源，從而滿足緊急情況下不同型號(hào)雷達(dá)，或者同一部雷達(dá)內(nèi)不同直流電源的應(yīng)急需求。

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Research on Modular Combined DC Emergency Power Supply of Radar

Cheng Guangfeng，Xu Mianqi，Wang Qing，Wang Hengli
(Unit 94981 of PLA Air Force，Nanchang 330200)

DC power supply is generally used as the secondary power supply of radar;there are high requirements to stability and reliability of DC power supply.However，DC power supply is prone to be failure because of impact of load，power net，natural environment and electromagnetic interference at the working place，which will affect fatally to transmission of radar intelligence.A modular combined DC power supply which can be used as emergency power supply of radar in case of power failure is proposed.The DC emergency power supply can ensure continuous operation of DC power supply and apply DC power supply to radar continuously and reliably.Based on modular design，the DC emergency power supply features lower cost，small volume and less weight，maintainability and reliability are also improved.Through the combined design，it can meet emergency power supply requirement of different types of radar，therefore number of DC power supplies is reduced，and universality get improved.

DC power supply;modular;combined;emergency power supply

TN86

A

1008-8652(2017)01-041-06

2016-10-21

程光鋒(1977－)，男，工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)裝備保障技術(shù)。