天气雷达回扫充电调制器的应用分析

摘要：为了提高发射机输出脉冲幅度的稳定度，研制了平均功率约30 kW的脉冲电源，采用回扫充电技术给线型调制器的脉冲形成网络充电。该电源充电、放电分时进行，可控制调制器连通以减小电源纹波影响调制器指标；采用IGBT作为充电开关。研究了临沂新一代天气雷达回扫充电调制器的工作原理和电路组成，最后还阐述了回扫充电电源中重要参数指标。
关键词：天气雷达；回扫充电调制器；人工线；脉冲电源

0 引言
    现代雷达对发射机输出脉冲幅度稳定度提出越来越高的要求，当要求发射系统改善因子大于50 dB时，输出脉冲的脉问幅度稳定度需要大于1‰。临沂CINRAD／SC天气雷达采用了先进的回扫充电技术。
    回扫充电电路是开关电源用于脉冲调制器的一种特殊形式，与传统的线型调制器的谐振充电或等待充电方式相比，人工线(PFN)充电电源采用回扫充电具有许多优点：可省略体积庞大的输入电源变压器，直接输入380V交流电源；回扫变压器具有隔离作用，调制器脉冲输出与直流电源向回扫变压器储能在时间上是错开的，故调制器不易连通，可以减小电源纹波对调制器指标的影响，具有很强的承受正／负失配的能力；输出脉冲幅度调节方便，可通过控制赋能电流与赋能脉冲宽度间的闭环来控制人工线(PFN)的充电电压精度。

1 回扫充电调制器的组成
    回扫充电调制器简单分为充电和放电两部分，充电部分采用一种类似于单端反激式开关电源的电路拓扑形式，通过控制储能电感电流来完成对人工线充电电压的精确控制；放电部分是包含人工线(PFN)、放电开关管、脉冲变压器等的标准放电电路。它们通过充电变压器和充电续流钳位二极管链接为一个整体。回扫充电调制器简图如图1所示。

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2 回扫充电调制器的工作原理
    当定时脉冲送入赋能控制器，由赋能控制器产生赋能脉冲，经脉冲驱动器隔离放大后，加至回扫充电模块中开关管(IGBT)V1，V2的基极，并使其导通。50 Hz电源整流滤波的直流电源VDC(510 V)经V1，V2加到充电变压器初级绕组两端，由于充电变压器工作在线形状态(不饱和)，初级绕组直流i1呈线性上升，呈锯齿形，由电流互感器对i1进行取样，取样信号送入比较器，当i1上升到所需额定值i1max时，比较器发出赋能结束指令，赋能控制脉冲结束，开关管V1，V2关断，充电变压器把电能转换为磁能。

    图2为回扫充电调制器波形图，从定时器发出赋能指令开始到比较器发出赋能结束指令止，储存在充电变压器中的能量不断增加，这段时间称为赋能时间，用T1表示。赋能结束后加到开关管充电变压器的初级电流i1max应突降为零，但由于充电变压器漏感的存在，初级电流的下降有一过程。初级电流的快速降落，充电变压器的电感产生反电动势，由于初级已关断，电流只能通过次级向人工线充电。次级电流由零突上升为i2，设充电变压器次级对初级的升压比为n，则i2=i1max／n，i2经充电二极管向人工线电容器C充电，人工线电压UC逐渐升高，而i2逐渐减小，充电变压器中的储能逐渐转化为人工线储能，直至i2为零，人工线电压达到最大值UCmax，人工线完成了一个充电周期，这段时间为人工线的充电时间，用T2表示。事实上，由于存在漏感，在T1时间内，电流i1的下降有个过程，在这段时间里，漏感中的储能通过回授二极管VD1，VD2返回510 V直流电源，调制器中的充电二极管VD5阻止人工线通过变压器次级绕组放电。在T1时间，电流i1将能量以磁场储入充电变压器，称为赋能电流；i2流过回授二极管，将能量返回直流电源称为回授电流。通过控制赋能电流值，保证了在任一重复周期内人工线得到相同的能量，实现稳压的目的。

3 回扫充电调制器的保护电路
    回扫充电电路具有完善的保护电路，主要包括赋能过流保护、反馈过流保护、充电过压保护、IGBT过流保护，这些保护电路保证充电赋能电路正常工作，提高了电路的可靠性、稳定性。

4 回扫充电调制器的工作指标参数
    充电电流：130～140 A(窄)，190～200 A(宽)；
    赋能脉冲：210～230μs(窄)，340～360 μs(宽)；
    充电变压器：电感约为0．8 mH，升压比：13；
    人工线电容：0．4μF(窄)，1μF(宽)；
    人工线电压：4．8～5．3 kV；
    人工线充电电流有效值：4．7～5 A(窄)，5．8～6 A(宽)；
    赋能电流平均值不大于17 A。

5 结语
    临沂新一代天气雷达自从2002年安装以来，工作一直比较稳定，回扫充电调制器也只出现过一次故障，说明回扫充电调制器的电路设计是成功的。