南京航空航天大学研究者在有源相控阵雷达电源研究上取得新进展

有源相控阵雷达是一种新型的固态雷达，具有多功能、多目标、高可靠性的特点。相控阵雷达凭借其高灵活性和高抗干扰能力的优势，正逐步取代传统的机械扫描雷达。相控阵雷达中每个天线单元都装配发射/接收（TR）组件。发射/接收组件是相控阵雷达的核心部件，其负载特性为周期性高频脉冲负载，需要电源提供恒定电压和脉冲电流。

图1为相控阵雷达电源多数采用的分布式供电系统。该结构主要有有源功率因数校正（APFC）、一次DC-DC（中间母线变换器）和二次DC-DC（负载变换器）部分。传统的雷达发射机一般会产生150～300 Hz的低频脉冲，而相控阵雷达发射/接收组件脉冲重复频率较高，可达20 kHz甚至更高，是传统雷达重复频率的近百倍。因此，相控阵雷达脉冲电流的变化率较大，这对其供电电源的负载动态性能提出了很高要求。

图1 某相控阵雷达电源示意图

现有针对脉冲负载变换器的研究较少，且存在体积较大、响应较慢以及控制策略复杂等问题；线性电路可以实现高动态的负载响应速度，但存在电源效率低的问题。南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室的樊靖轩、施佳楠等学者，针对高速负载切换的二次DC-DC电源，提出开关线性复合并联结构的脉冲负载变换器及其相应的控制策略，可显著提升了脉冲电源的动态响应能力，增加了脉冲负载的供电稳定性。

图2 高频脉冲负载实现电路

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研究者指出，基于器件级环路建模的方法有效提升了线性稳压电路的环路带宽，使其进行快速功率跟踪，并设计基于GaN的低阻抗交错并联Buck变换器，使其以较快的速度高效地提供主要脉冲功率。

图3 脉冲负载变换器实验样机

针对重复频率50 kHz、峰值功率120 W的高频模拟雷达脉冲负载，他们搭建了脉冲电流上升下降时间50 ns以内的脉冲电源原理样机。实验结果表明，该架构下的脉冲电源能够有效地跟踪超快负载切换，相较于所提交错并联Buck变换器，开关线性复合结构下动态响应速度提升了5倍，电压跌落减小了57%，为脉冲重复频率更高、电流变化率更大的相控阵雷达电源研究奠定了基础。

本工作成果发表在2024年第6期《电工技术学报》，论文标题为“基于GaN的开关线性复合高速随动脉冲负载直流变换器”。本课题得到国家自然科学基金的支持。