天氣雷達(dá)回掃充電調(diào)制器的應(yīng)用分析

摘要：為了提高發(fā)射機(jī)輸出脈沖幅度的穩(wěn)定度，研制了平均功率約30 kW的脈沖電源，采用回掃充電技術(shù)給線型調(diào)制器的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)充電。該電源充電、放電分時進(jìn)行，可控制調(diào)制器連通以減小電源紋波影響調(diào)制器指標(biāo)；采用IGBT作為充電開關(guān)。研究了臨沂新一代天氣雷達(dá)回掃充電調(diào)制器的工作原理和電路組成，最后還闡述了回掃充電電源中重要參數(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；回掃充電調(diào)制器；人工線；脈沖電源

0 引言
    現(xiàn)代雷達(dá)對發(fā)射機(jī)輸出脈沖幅度穩(wěn)定度提出越來越高的要求，當(dāng)要求發(fā)射系統(tǒng)改善因子大于50 dB時，輸出脈沖的脈問幅度穩(wěn)定度需要大于1‰。臨沂CINRAD／SC天氣雷達(dá)采用了先進(jìn)的回掃充電技術(shù)。
    回掃充電電路是開關(guān)電源用于脈沖調(diào)制器的一種特殊形式，與傳統(tǒng)的線型調(diào)制器的諧振充電或等待充電方式相比，人工線(PFN)充電電源采用回掃充電具有許多優(yōu)點：可省略體積龐大的輸入電源變壓器，直接輸入380V交流電源；回掃變壓器具有隔離作用，調(diào)制器脈沖輸出與直流電源向回掃變壓器儲能在時間上是錯開的，故調(diào)制器不易連通，可以減小電源紋波對調(diào)制器指標(biāo)的影響，具有很強(qiáng)的承受正／負(fù)失配的能力；輸出脈沖幅度調(diào)節(jié)方便，可通過控制賦能電流與賦能脈沖寬度間的閉環(huán)來控制人工線(PFN)的充電電壓精度。

1 回掃充電調(diào)制器的組成
    回掃充電調(diào)制器簡單分為充電和放電兩部分，充電部分采用一種類似于單端反激式開關(guān)電源的電路拓?fù)湫问剑ㄟ^控制儲能電感電流來完成對人工線充電電壓的精確控制；放電部分是包含人工線(PFN)、放電開關(guān)管、脈沖變壓器等的標(biāo)準(zhǔn)放電電路。它們通過充電變壓器和充電續(xù)流鉗位二極管鏈接為一個整體?；貟叱潆娬{(diào)制器簡圖如圖1所示。

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2 回掃充電調(diào)制器的工作原理
    當(dāng)定時脈沖送入賦能控制器，由賦能控制器產(chǎn)生賦能脈沖，經(jīng)脈沖驅(qū)動器隔離放大后，加至回掃充電模塊中開關(guān)管(IGBT)V1，V2的基極，并使其導(dǎo)通。50 Hz電源整流濾波的直流電源VDC(510 V)經(jīng)V1，V2加到充電變壓器初級繞組兩端，由于充電變壓器工作在線形狀態(tài)(不飽和)，初級繞組直流i1呈線性上升，呈鋸齒形，由電流互感器對i1進(jìn)行取樣，取樣信號送入比較器，當(dāng)i1上升到所需額定值i1max時，比較器發(fā)出賦能結(jié)束指令，賦能控制脈沖結(jié)束，開關(guān)管V1，V2關(guān)斷，充電變壓器把電能轉(zhuǎn)換為磁能。

    圖2為回掃充電調(diào)制器波形圖，從定時器發(fā)出賦能指令開始到比較器發(fā)出賦能結(jié)束指令止，儲存在充電變壓器中的能量不斷增加，這段時間稱為賦能時間，用T1表示。賦能結(jié)束后加到開關(guān)管充電變壓器的初級電流i1max應(yīng)突降為零，但由于充電變壓器漏感的存在，初級電流的下降有一過程。初級電流的快速降落，充電變壓器的電感產(chǎn)生反電動勢，由于初級已關(guān)斷，電流只能通過次級向人工線充電。次級電流由零突上升為i2，設(shè)充電變壓器次級對初級的升壓比為n，則i2=i1max／n，i2經(jīng)充電二極管向人工線電容器C充電，人工線電壓UC逐漸升高，而i2逐漸減小，充電變壓器中的儲能逐漸轉(zhuǎn)化為人工線儲能，直至i2為零，人工線電壓達(dá)到最大值UCmax，人工線完成了一個充電周期，這段時間為人工線的充電時間，用T2表示。事實上，由于存在漏感，在T1時間內(nèi)，電流i1的下降有個過程，在這段時間里，漏感中的儲能通過回授二極管VD1，VD2返回510 V直流電源，調(diào)制器中的充電二極管VD5阻止人工線通過變壓器次級繞組放電。在T1時間，電流i1將能量以磁場儲入充電變壓器，稱為賦能電流；i2流過回授二極管，將能量返回直流電源稱為回授電流。通過控制賦能電流值，保證了在任一重復(fù)周期內(nèi)人工線得到相同的能量，實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。

3 回掃充電調(diào)制器的保護(hù)電路
    回掃充電電路具有完善的保護(hù)電路，主要包括賦能過流保護(hù)、反饋過流保護(hù)、充電過壓保護(hù)、IGBT過流保護(hù)，這些保護(hù)電路保證充電賦能電路正常工作，提高了電路的可靠性、穩(wěn)定性。

4 回掃充電調(diào)制器的工作指標(biāo)參數(shù)
    充電電流：130～140 A(窄)，190～200 A(寬)；
    賦能脈沖：210～230μs(窄)，340～360 μs(寬)；
    充電變壓器：電感約為0．8 mH，升壓比：13；
    人工線電容：0．4μF(窄)，1μF(寬)；
    人工線電壓：4．8～5．3 kV；
    人工線充電電流有效值：4．7～5 A(窄)，5．8～6 A(寬)；
    賦能電流平均值不大于17 A。

5 結(jié)語
    臨沂新一代天氣雷達(dá)自從2002年安裝以來，工作一直比較穩(wěn)定，回掃充電調(diào)制器也只出現(xiàn)過一次故障，說明回掃充電調(diào)制器的電路設(shè)計是成功的。