Квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания РЛС

Необходимость разработки активной фази­рованной антенной решётки радиолокацион­ной станции (РЛС) с шириной спектра частот радиоимпульса 1÷10 ГГц инициировала соз­дание передающих модулей на базе сверхвы­сокочастотных (СВЧ) ламп, которые по сравне­нию с СВЧ транзисторными модулями имеют более широкую полосу, более высокий (до 60÷80 %) кпд, большую скважность и почти вдвое меньшую стоимость. Это обстоятельство потребовало разработки для такого рода на­грузок соответствующих систем импульсного электропитания (СИП) повышенного напря­жения, которые, как правило, функционируют по принципу накопления и импульсного вы­деления энергии, запасаемой в электрическом поле накопительного конденсатора (НК) [1-3].

Одним из основных звеньев СИП явля­ется зарядный преобразователь (ЗП), который осуществляет зарядку НК путём преобразова­ния потока электрической энергии, потребля­емой из питающей сети. По мнению авторов, среди многообразия разработанных к насто­ящему времени схем решений ЗП наиболее полно условиям применения в системах элек­тропитания РЛС отвечают ЗП на базе квазире- зонансного преобразователя (КРП) с фиксиро­ванной рабочей частотой.

Колебательный характер тока в силовых цепях КРП существенно снижает коммутаци­онные потери в транзисторах и упрощает ре­шение задачи электромагнитной совместимо­сти [2, 3]. Сопутствующее этому сокращение ширины спектра и уровня радиопомех приво­дит к снижению шумов, распространяющихся в цепях РЛС кондуктивным и индуктивным путём, а также улучшает тактико-технические характеристики РЛС: дальность действия, чув­ствительность и точность определения коорди­нат цели. Кроме того, построение КРП по схе­ме последовательного резонансного инвертора с обратными диодами повышает надёжность СИП в аварийных режимах КЗ в цепи нагрузки за счёт естественного ограничения тока инвер­тора в этом режиме.

Применение КРП в СИП, а также во вторичных источниках электропитания ино­го назначения, используемых в РЛС, требу­ет регулирования их выходного напряжения. Традиционно эта задача решается методом частотного регулирования [2, 3]. Недостаток метода в том, что доза энергии, передаваемой в нагрузку на периоде рабочей частоты КРП, не может быть изменена, что увеличивает не­стабильность предразрядного напряжения НК в СИП при относительно небольших значени­ях его ёмкости.

Авторами разработаны схемы решения КРП на основе последовательного резонансно­го инвертора с обратными диодами и широт­ным регулированием выходного напряжения [4-6], лишённые отмеченного недостатка.

В КРП, выполненном по мостовой схеме (рис. 1), широтное регулирование напряжений на обмотках трансформатора TV и выходного напряжения КРП реализуется за счёт измене­ния фазы отпирания шунтирующего транзи­стора VT_Ш относительно моментов отпирания диагональных транзисторов VT1, VT4 и VT3, VT2. При отпирании транзистора VT_Ш в тре­буемый момент передача энергии в нагрузку прекращается, что обеспечивает повышенную точность поддержания предразрядного напря­жения НК. При этом часть энергии, накоплен­ной в реактивных элементах силового контура, возвращается в источник питания или в кон­денсатор входного фильтра.

Для установления особенностей работы и определения основных характеристик этого устройства приняты следующие допущения:

• вентильные элементы обладают свой­ствами идеальных ключей;
• ток намагничивания и активные сопро­тивления обмоток трансформатора TV равны нулю, а коэффициент трансформации - еди­нице;
• потери мощности КРП сосредоточены в активном сопротивлении последовательного резонансного контура;
• пульсации напряжения НК равны нулю.

Как показывает анализ процессов при сделанных допущениях, для работы рассма­триваемого устройства в самом общем случае характерны шесть различных временных интервалов, соответствующих различным углам отпирания транзистора VT_Ш и сочетаниям со­стояний ключевых элементов S1÷S4, S_Ш и ди­одного моста VD эквивалентной схемы (рис. 2).

При снятых импульсах управления с клю­ча S_Ш в каждом полупериоде работы преобра­зователя чередуются интервалы «1» и «2» про­водящего состояния ключей £1, £4 или S2, S3. На интервале «1» происходит подзарядка кон­денсатора C1 от источника питания U_п (прира­щение его энергии ΔW_C1  > 0) через транзисторы одной из диагоналей, а на интервале «2» - ча­стичная разрядка через обратные диоды этой диагонали. На обоих интервалах происходит передача энергии в цепь нагрузки (приращение выделяемой в ней энергии ΔW_н>0).

При отпирании ключа S_Ш с фазовым сдвигом  относительно момента включения транзисторов одной диагонали и поддержании его в открытом состоянии до момента отпирания транзисторов другой ди­агонали поочередно следуют интервал «1», затем интервал «3», на котором происходит «мягкая» коммутация тока резонансного кон­тура с цепи «L_к - VD - нагрузка» на ключ S_Ш. При снижении тока нагрузки i_н до нуля про­цесс коммутации заканчивается и начинается интервал «4», на котором продолжают прово­дить транзисторы одной диагонали и ключ S_Ш. Интервал «5» начинается с момента, когда ток в контуре имеет обратное направление, проте­кая через обратные диоды этой же диагонали.

При отпирании ключа S_Ш с фазовым сдвигом  начинается интервал «6», на кото­ром, как и на интервале «3», происходит про­цесс коммутации тока резонансного контура на ключ S_Ш. По окончании интервала «6» в работе остаются обратные диоды и ключ S_Ш.

Система уравнений, описывающих элек­тромагнитные процессы в КРП на интервалах непрерывности, может быть представлена в виде:

где k₁÷k₃ - коэффициенты, значения которых определяются текущей конфигурацией экви­валентной схемы КРП;

U_0j - начальное значение напряжения кон­денсатора C1 на j-м интервале непрерывности;

U*_н - напряжение нагрузки, приведённое к первичной обмотке трансформатора.

Состояния ключей S1÷S4, S_Ш и диодного моста VD эквивалентной схемы КРП, соответ­ствующие одному полупериоду выходного на­пряжения инвертора, представлены в таблице (цифра 1 соответствует замкнутому состоянию ключа, 0 - разомкнутому).

Кроме того, в таблице приведены значе­ния коэффициентов k₁÷k₃ уравнений системы (1), а также показан характер изменения энер­гии ΔW_C1 и ΔW_н конденсатора C1 и нагрузки (+ - увеличение энергии; - - уменьшение энергии; 0 - энергия не изменяется).

В результате решения системы уравне­ний (1) на интервалах непрерывности с учетом данных таблицы выведены аналитические рекуррентные соотношения для определения токов и напряжений на элементах силового контура КРП при различных углах отпирания шунтирующего ключа S_Ш. Полученная матема­тическая модель позволила выявить основные закономерности процессов, происходящих в преобразователе на интервалах непрерывно­сти, определить количественную взаимосвязь между параметрами элементов силового конту­ра и режимами работы КРП, рассчитать внеш­ние и другие интегральные характеристики, необходимые для его инженерного расчёта.

На рис. 3 приведены статические внеш­ние характеристики рассматриваемого устрой­ства в относительных единицах и соответству­ющие им кривые тока i резонансного контура, построенные при различных значениях угла β и малых значениях R.

Внешние характеристики нелинейные и имеют характерные участки, соответствующие работе КРП в режимах, близких к режимам источника напряжения и тока. Из приведён­ных зависимостей следует, что КРП с шунти­рующим транзистором обеспечивает глубокое регулирование выходного напряжения при по­стоянной рабочей частоте, что обеспечивает в замкнутой системе автоматического регулиро­вания (САР) поддержание предразрядного на­пряжения НК с заданной точностью.

На рис. 4 представлены траектории дви­жения рабочей точки в плоскости приведённых к первичной обмотки трансформатора значе­ний напряжения u_Cн и тока i_Cн НК, полученные на имитационной модели полумостового КРП при его зарядке в разомкнутой и замкнутой по выходному напряжению САР. Траектория на рис. 4б соответствует периодическому режи­му работы ВИП с замкнутой САР в режиме частичной разрядки НК.

Из рис. 4б следует, что в замкнутой САР подзарядка НК происходит при разомкнутом ключе S_Ш и максимальном выходном токе. При этом КРП в течение практически всего интер­вала паузы между зондирующими импульсами РЛС работает в режиме источника тока, и толь­ко в течение краткого предразрядного интерва­ла, когда в работу вступает отрицательная об­ратная связь, рабочая точка последовательно, в порядке уменьшения, быстро проходит раз­личные значения угла β от 2π или иного мень­шего установленного значения до некоторого минимального, соответствующего требуемому выходному напряжению.

Таким образом, при использовании опи­сываемого КРП в составе СИП длительность работы S_Ш невелика и его введение в схему практически не изменяет энергетические и иные показатели КРП, которые соответствуют показателям известных преобразователей на базе последовательных резонансных инверто­ров с частотным регулированием выходного напряжения.

Выводы

1. Предложенный зарядный преобразователь НК на базе КРП с широтным регулировани­ем напряжения позволяет повысить точность поддержания предразрядного напряжения НК.
2. Разработанная математическая модель зарядного преобразователя позволила выявить основные закономерности происходящих в нём электромагнитных процессов, дать их количе­ственную оценку и получить его важнейшие интегральные характеристики.
3. Пониженные потери в ключевых эле­ментах с «мягкой» коммутацией и уровень радиопомех, свойственные КРП, естественное ограничение тока в аварийных режимах КЗ в цепи нагрузки, а также возможность широтно­го регулирования выходного напряжения дела­ет перспективным применение рассматривае­мого устройства в СИП передающих модулей РЛС с НК относительно небольшой ёмкости.