Квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания РЛС

Долов Василий Николаевич; Стрелков Владимир Федорович; Ваняев Валерий Владимирович; Кочнев Алексей Александрович

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №2, 2015

УДК 621.314

Представлен квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания сверхвысокочастотной лампы передающего устройства радиолокационной станции с широтным регулированием выходного напряжения. Рассмотрены особенности его работы, приведены математическая модель, внешние характеристики и некоторые результаты имитационного моделирования в разомкнутой и замкнутой по выходному напряжению системе.

Ключевые слова: радиолокационная станция, транзисторный модуль, система импульсного электропитания, накопительный конденсатор.

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 квазирезонансного 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, чув-

ствительность 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 VTm относительно моментов отпирания диагональных транзисторов VT1, VT4 и VT3, VT2. При отпирании транзистора VTm 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 кон-

27

| Электроника. Радиотехника |

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №2, 2015

| Электроника. Радиотехника |

VT

ш

денсатор 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 VTm и сочетаниям состояний ключевых элементов S1^S4, и ди-

одного моста VD эквивалентной схемы (рис. 2).

При снятых импульсах управления с ключа £Ш в каждом полупериоде работы преобразователя чередуются интервалы «1» и «2» про-

водящего состояния ключей 51, 54 или S2, S3. На интервале «1» происходит подзарядка конденсатора С1 от источника питания ип (приращение его энергии Д WC1 > 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 Д WM>0).

При отпирании ключа 5Ш с фазовым сдвигом р<п/д/LC1 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 «Дк - VD - нагрузка» на ключ 5Ш. При снижении тока нагрузки 1н до нуля процесс коммутации заканчивается и начинается интервал «4», на котором продолжают проводить транзисторы одной диагонали и ключ 5Ш. Интервал «5» начинается с момента, когда ток в контуре имеет обратное направление, протекая через обратные диоды этой же диагонали.

28

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №2, 2015

S3

S4

Рис. 2. Эквивалентная схема КРП

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

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

(L + к24) d- + Ri + ис = кРп - k2U*; dt

L a + и* = 0;

at

1 = k3iK + 4;

ис =

— f idt - U, с *

M о

\ (1)

где kl-^k3 - коэффициенты, значения которых

определяются текущей конфигурацией эквивалентной схемы КРП;

U0j - начальное значение напряжения конденсатора С1 наJ-м интервале непрерывности;

Uh - напряжение нагрузки, приведённое к первичной обмотке трансформатора.

Состояния ключей S1^S4, £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 kx^k3 уравнений системы (1), а также показан характер изменения энергии Д WC1 и Д W конденсатора С1 и нагрузки (+ - увеличение энергии; - - уменьшение энергии; 0 - энергия не изменяется).

В результате решения системы уравнений (1) на интервалах непрерывности с уче-

29

| Электроника. Радиотехника |

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №2, 2015

| Электроника. Радиотехника |

том данных таблицы выведены аналитические рекуррентные соотношения для определения токов и напряжений на элементах силового контура КРП при различных углах отпирания шунтирующего ключа £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.

Состояния ключей, значения коэффициентов уравнений на интервалах непрерывности, изменения энергии конденсатора С1 и нагрузки

Ключи и коэффициенты Интервалы

1 2 3 4 5 6

S1, S4 1 1 1 1 1 1

S2, S3 0 0 0 0 0 0

vd 1 1 1 0 0 1

Sm 0 0 1 1 1 1

K1 1 -1 1 1 -1 -1

k2 1 1 0 0 0 0

K3 0 0 1 0 0 1

AWci + - + + - -

awh + + + 0 0 0

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 b 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 ис и тока ic 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

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис. 3. Статические внешние характеристики КРП

30

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №2, 2015

иС , в --

СН —1

129.5 -

129 -

128.5 -

128 -

127,5,;____________________________________ -

127 --------1-------1-------1-------1-------

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1С , А

б - замкнутая САР

Рис. 4. Траектории процесса зарядки НК подзарядка НК происходит при разомкнутом ключе 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 b от 2р или иного меньшего установленного значения до некоторого минимального, соответствующего требуемому выходному напряжению.

Таким образом, при использовании описываемого КРП в составе СИП длительность работы £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. Список литературы

1. Долов В. Н, Стрелков В. Ф, Ваняев В. В, Ко-пелович Е. А. Электропитание клистрона передающего модуля РЛС // Состояние и перспективы развития электротехнических средств межвидового назначения : материалы науч.-практ. конф. М.: Федеральное государственное казенное учреждение «3 ЦНИИ Минобороны России», 2013. С.56-60.

2. Полищук А. Г. Высокоэффективные источники вторичного электропитания высокого напряжения для радиопередающих устройств СВЧ. // Силовая электроника. 2004. № 2. С. 66-70.

3. Калистратов Н. П., Коган В. Л., Сорокин Ю. К. Высоковольтный источник питания ЛБВ // Электрическое питание. 2007. № 7. С. 59-64.

4. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь: Пат. 2 417 510 Россия, МПК Н 02 М 7/ 53846; Опубл. 27.04.2011, Бюл. № 12. Рус.

5. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь: Пат 2 418 355 Россия, МПК Н 02 М 7/ 53846; Опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13. Рус.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь: Пат. 2 510 862 Россия, МПК Н 02 М 3/ 335, Н 02 М 7/ 53846; Опубл. 10.04.2014, Бюл. № 10. Рус.

Поступила 15.01.15

31

| Электроника. Радиотехника |

| ISSN 2221-1179 Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» | №2, 2015

| Электроника. Радиотехника |

Долов Василий Николаевич - начальник отдела ОАО «ФНПЦ «ННИИРТ», г. Нижний Новгород.

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

Стрелков Владимир Федорович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО «ФНПЦ «ННИИРТ», г. Нижний Новгород.

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

Ваняев Валерий Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика» НГТУ им. Р. Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

Кочнев Алексей Александрович - магистрант кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика», НГТУ им. Р. Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

32

Текст научной работы на тему «Квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания РЛС»