熊聪颖++潘卫兵

[摘 要]本文在总结级联型多电平逆变器的基础上，通过对现有了雷达电源供电系统进行分析，从理论上对级联型多电平逆变器运用于雷达电源供电系统，改善电源质量的可能性机前景进行了探讨研究。

[关键词]级联型多电平逆变器 雷达电源 质量改善 研究

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0082-02

引言

随着雷达技术的发展，雷达对电源质量的要求越来越高，但受电力电子器件性能的限制，单个开关电源模块的输出功率往往不能满足要求。现代电力电子学技术发展很快，各类大功率器件不断涌现（特别是IGBT的广泛应用），各类高效、低污染电路拓扑日新月异，高频逆变器电源已在雷达中广泛应用，其效率高达90%，体积小、重量轻、响应快[1]。

1.级联型多电平逆变器

在已经提出的多种多电平逆变器的拓扑结构中，最为典型的有：二极管钳位型、飞跨电容型、级联型。其中级联型逆变器具有不需要前两种电路所需的大量钳位二极管和钳位电容，结构简单、易于模块化、不存在电容电压不平衡问题且易于采用软开关技术。

级联多电平逆变器是由若干个基本逆变单元（例如h桥逆变器）通过串联连接而形成的单相或三相逆变器。每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波，通过输出波形的叠加合成，形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近逆变器的正弦输出电压。这种电路的特点：随着逆变器级联数目的增加，输出电压的电平数增加，从而使得输出电压或电流波形的谐波含量减小；由于多个逆变单元串联完成整个逆变任务，虽然整体输出开关频率变高，但各个逆变单元功率器件的开关频率并不高，因此与非级联电路相比功率器件承受的电压应力减小，在高压应用中无需均压电路，同时可避免大的dv/dt所导致的电机负载绝缘等问题；当各串联或并联连接的级联单元中有一个单元故障时，可通过把此单元短接而退出工作，其它单元仍然能够正常工作，保证系统正常运行。使模块化逆变器产品的封装，生产和制造成为可能，扩展容易。近年来，由于级联多电平逆变器的上述优点，在中高压调速领域、不停电电源、交流柔性输电系统（facts）等应用中引起了电力电子行业的极大关注，成为中高压能量变换的首选方案。

级联型多电平逆变器具有以下优点：

（1）直流侧采用相互隔离的直流电源，不存在电压不均衡问题；

（2）输入功率因数高（O.95以上），谐波含量小，整体效率高，对电网的污染小；

（3）各个功率单元采用常规低压IGBT器件，结构相同，模块化设计和生产方便，

易于检修和维护，可靠性高；

（4）由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术；

（5）抗浪涌能力强。达到输入的任何雷电感应的浪涌都会由于变压器的阻抗而得到预期的限制，二极管整流器和大电容也可很容易的将其吸收而不会到达功率模块；

（6）由于变压器副边绕组相互隔离，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，。便于采用现有的技术；

（7）当某个功率模块出现故障时，可将存在故障的这一级整级旁路掉，或采用特殊的手段仅将故障模块旁路掉，而不影响逆变器正常工作；

（8）不需要箝位二极管和箝位电容，与其它两种结构相比，产生相同的电平数，所需器件数目最少。同时级联型多电平逆变器也存在着所需独立直流电源多、不易实现四象限运行等缺点，但是同其他两种拓扑结构相比在输出容量、系统可靠性和控制难度等方面优势。

明显，具有更广泛的应用，且在理论上和技术上都还存在较大的研究空间。

2.雷达电源供电系统

电源是雷达系统不可缺少的一部分， 是雷达系统可靠工作的保证。随着新体制雷达的不断出现以及雷达系统的复杂化， 对电源系统的自动化和防护功能提出了越来越高的要求。雷达电源系统由供配电系统（ 一次电源） 和直流稳压电源系统（ 二次电源） 组成。供配电系统主要由电力变压器、发电机组、母线、ATS 切换系统、低压配电系统以及继电保护电路组成。由于受电力电子技术和大功率开关器件的限制，早期雷达电源多采用真空开关管作调整管的串联调整稳压器。其效率一般在35～50%，而且体积庞大，占用了数倍有用功率的电网容量。

现代雷达使用的高压电源提出了多种苛刻的要求。它既要求电源功率大、电压高、稳定性好、交流纹波小，又要求其效率高、体积小、高可靠性，这就使

电源越来越复杂。用过去的整流滤波或串联稳压的方法很难满足这些要求。随着工业水平的提高，高频高压可控开关器件、大容最小体积的高频高压电容器以及高频铁磁材料陆续问世，为研制新型的高压、高频开关电源提供了条件。由于开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，其应用越来越广泛。

以远程地波雷达为例，它主要是通过发射高频电波工作，发射的电波会沿着海面“爬行”，因此可以突破地平线，探测到300公里外的目标。具有探测距离较长，体积很小，探测精度高的优点。随着远程地波雷达不断更新和升级，对供电源也提出了一些特殊的要求（如：低电压大电流），为了满足这些要求，就必须研究一种新型的特种电源，这种特殊电源除了要符合产生低电压大电流的要求外，还需要满足一些其它条件，如：分布式供电系统、极低的输出（电压、电流）纹波等。普通的开关型、AC-DC、DC-DC模块由于对整流后的低频纹波的抑制效果不理想，从而很难满足现代雷达设备的技术指标，若采用线性电源，其体积大、重量沉和效率低等不适应现远程地波雷达所要求的小体积、轻重量、较高效率和很强的机动性。可以说雷达电源的小型化、模块化、标准化是当今电源发展的总体趋势。电源结构的优化设计水平越高， 则在雷达中采用的标准电源就会越来越多， 这有利于缩短电源产品及雷达整机的研发周期，节约大量的原材料，提高雷达电源系统的工作性能， 为整个雷达系统更安全、可靠的工作提供了保障。

3.级联型多电平逆变器在雷达电源供电系统应用研究

为了增加电平数量以进一步提高输出电压等级、减小高次谐波含量，M.Marchesoni等人在1988年的PESC年会上提出了H桥级联的多电平逆变电路。级联型逆变器采用若干功率单元串联构成，相对于前两者而言，不需要大量的箝位二极管和箝位电容，易于采用软开关技术和模块化实现，更适合于电网接口。三单元级联型多电平逆变器（以2H桥为例）如图1所示。

对于图1的N单元级联型多电平逆变器，由级联型模式控制理论可知，电流环作为电压环的内环，为了减小电流环引起的相移对电压环的影响，应取电流环的交越频率远大于电压环的交越频率。在低频域内电压环起主要作用，变换器表现为电压源的特性，在高频域内电流环起主要作用，保证控制的快速动态响应特性。当这两个环的增益相交时，相交处两者的相位不能相反，以避免引起全体环路增益下陷而使系统不稳定。

针对雷达电源并联均流过程中存在的动态响应不佳，易出现过流保护的问题，提出采用级联级联型多电平策略，改善系统的均流动态性能。利用三端开关器件模型法对改进式自主均流策略进行分析，给出控制回路的设计原则。

雷达电源分系统设计者可以把模块化的单元作为一个电源元件使用， 并根据各自需要不外接或外接少量分立元件就可完成设计任务。目前， 已经逐渐模块化的单元主要有DC/ DC、AC/ DC、DC/ AC 三种功率变换模块和电磁干扰滤波模块等。这些模块单元可以根据需要采用串、并联的方法获得更多种类和要求的电源系统， 比重新设计出一套电源系统方便得多； 且由多个小型模块组合而成的电源体积缩小了许多， 使得电源整体结构小型化设计成为可能。图2为某高压电源模块串联运行的示意图， 图中每个逆变器就是一个性能相对独立的模块， 五个2 kV的高压整流模块， 相互串联， 输出10 kV 的电压， 如果还需要增高电压也可再增加串联的整流模块。

总之，雷达电源通过与级联型多电平逆变器集合后，各单元的模块化简化了电源电路设计，电源体积也变得越来越小。

结语

本文在充分总结级联型多电平逆变器的优缺点的基础上，在充分考虑雷达系统电源功能要求时，通过级联型多电平逆变器与雷达电源系统模块化理论分析，

根据级联型模式控制理论，设计了大功率开关电源的均流电路并进行了分析。理论分析结果表明采用级联型多电平逆变器以保证并联系统在各种情况下都能稳定地运行，且均流精度良好，动态响应快，可应用于改善雷达电源系统。论文选择单元级联型功率变换电路作为与雷达电源系统结合的研究切入点，对于其应用于工业应用领域及提高雷达系统质量性能有指导意义。

参考文献

[1] 魏智.用于雷达发射机的140KW高压开关电源.现代雷达.2000，22（3）.56～00.

[2] 张之永，韩博等.24kW高压开关电源在雷达发射机中的应用.电力电子技术.2003，37（2）[6～8].