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(1.中國電子科技集團(tuán)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(dá)發(fā)射機中固態(tài)收發(fā)模塊承擔(dān)了將電力功率轉(zhuǎn)化為射頻功率的重要職責(zé)。為了實現(xiàn)高增益、大功率、外控簡單、便于擴(kuò)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(diào)節(jié))設(shè)備集成到模塊結(jié)構(gòu)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(guān)的高頻變換技術(shù)[3]。新型雷達(dá)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(gòu)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(shè)計主要考慮的負(fù)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(fù)載電容：大于10 000 μF

輸入功率因數(shù)：大于0.87

整個電源采用冷板散熱結(jié)構(gòu)，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(gòu)成前級電源，主要完成輸入功率因數(shù)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(xiàn)輸出電壓的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，保證射頻負(fù)載的電壓穩(wěn)定需要。

Buck-SCRC為非隔離的電壓調(diào)整電路，最終輸出直流電壓為30～36 V，電源的負(fù)載適應(yīng)性調(diào)整也由這級變換器實現(xiàn)，同時變換器可以實現(xiàn)射頻脈沖內(nèi)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(gòu)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(shè)：

1)所有的開關(guān)元件和有源器件都是理想的；

2)Lf遠(yuǎn)大于Lr，包括輸出側(cè)，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(zhǔn)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(shè)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(dǎo)通，且S2零電壓關(guān)斷，開關(guān)周期開始。

圖3 開關(guān)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(lián)和并聯(lián)分別接入LC諧振回路。當(dāng)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(fù)載電流Io變化而變化的，不同于傳統(tǒng)準(zhǔn)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(guān)斷，S2立即零電壓導(dǎo)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(guān)周期結(jié)束。

IL(t)=0

(5)

VC(t)=0

(6)

圖4給出了整個開關(guān)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(guān)系式表明Buck型SCRC的直流電壓變換比與歸一化開關(guān)頻率fs/fr成線性關(guān)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(shù)設(shè)計和工作波形

3.1 變換器參數(shù)設(shè)計

S1的峰值電壓應(yīng)力和S2的峰值電流應(yīng)力維持在VS和Io。S1的峰值電流應(yīng)力和S2的峰值電壓應(yīng)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(dǎo)出SCRC的S1的峰值電流應(yīng)力和S2的電壓應(yīng)力。S1的峰值電流應(yīng)力由下式表示：

(10)

峰值電流應(yīng)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(yīng)力。同樣地，S2的峰值電壓應(yīng)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(fù)載電流變化的，所以S2的峰值電壓應(yīng)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(fù)電壓加在有源開關(guān)S2上，S2和D2的峰值電壓應(yīng)力是隨著Zr的增加而直接增加。

所以在設(shè)計SCRC時，必須兼顧S1的峰值電流應(yīng)力和S2的峰值電壓應(yīng)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(fù)載共需要30 A電流，考慮到雷達(dá)射頻發(fā)射期間電源禁閉和電源降額設(shè)計要求，每一路BUCK-SCRC變化器按輸出12 A電流設(shè)計。如果考慮最大開關(guān)頻率fs=200 kHz,fs/fr=0.8。根據(jù)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(guān)管S1的峰值電流：

15+12=27 A

(17)

S2的電壓應(yīng)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(fù)電壓加在有源開關(guān)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(yīng)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(shù)設(shè)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(dá)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(fù)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?？紤]輸出電源紋波為0.1%和實際負(fù)載調(diào)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(jié)構(gòu)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(xiàn)輸出穩(wěn)壓控制。電源控制主要是針對容性脈沖負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整。

由于負(fù)載的原因，有可能導(dǎo)致輸出電流過流，當(dāng)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(nèi)持續(xù)過流的話，將關(guān)斷輸出并給出故障信號。為了避免負(fù)載脈沖期內(nèi)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(dāng)電源接受到禁閉輸出信號時，電路首先將驅(qū)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(dāng)降低變換器輸出占空比，這樣在禁閉信號結(jié)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(shù)構(gòu)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(jié)構(gòu)體的兩側(cè)，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(xiàn)了零電壓、零電流的軟開關(guān)。

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(fù)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(xiàn)過沖現(xiàn)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(jié)束語

新型雷達(dá)固態(tài)收發(fā)模塊電源采用單環(huán)諧振變換器構(gòu)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(xiàn)和控制、脈沖負(fù)載適應(yīng)性好等特點。滿足了雷達(dá)固態(tài)收發(fā)模塊大脈沖電流的工作需求。

[1] 汪邦金,汪軍,邵世東. 高增益、大功率、一體化固態(tài)T/R組件設(shè)計[J]. 火控雷達(dá)技術(shù), 2009, 38(3):59-63.

[2] 沈項東,樊錫元. 一種L波段固態(tài)收發(fā)組件的設(shè)計[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報, 2016,11(4):397-400.

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[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.