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中国预警机与机载雷达
高压大功率电源技术
大阅兵背后的科技实力
2019 年 10 月 1 日，是我们祖国母亲 70 周年的生日，举国同庆。为了向世界展示国力，尤其是军事实力，中国如期在天安门广场进行了 10 年 1 次的大阅兵仪式。
回首此次备受瞩目的大阅兵，空中梯队以 7 分 50 秒的时长，在天安门上空划下了完美的航迹，展示了新中国成立以来空中力量从无到有、由弱到强的发展态势。这样的成果来之不易，科技强国的背后，是成千上万的科研人员殚精竭虑、夜以继日的付出。
提到空中力量，作为空军眼睛的预警机绝对是其中的中流砥柱，战略地位极其重要。
什么是预警机？
预警机即空中指挥预警飞机（Air Early Warning，AEW），是指拥有整套远程警戒雷达系统，用于搜索、监视空中或海上目标，指挥并可引导己方飞机执行作战任务的飞机。
预警机具有监视范围大、指挥自动化程度高、目标处理容量大、抗干扰能力强，通常远离战线、纵深部署、执勤时有歼击机掩护，工作效率高等优点，被称为信息化战争的“空中帅府”。
空军在配备预警机的情况下，可使防空效率提高 15~30 倍，拦截与击落敌机的数量增加 35%~150%，后方遭敌机袭击的次数减少一半以上。
预警机如此重要，为何拥有这项技术的国家寥寥无几？这是因为预警机的研制门槛极高，也因为其难度高，中国曾被军事发达国家调侃：中国不可能有能力掌握这项技术。
中国人不服输、中国研发人员不服输！在一穷二白、科技荒地的年代，以王小谟、张良、张义光、唐登平为代表的科研人员经过十几年、几十年的努力，终于开创了预警机自研的先河。其中，20 世纪 60 年代研制的空警 -1 型是中国第一代预警机，本世纪服役的空警 -2000、空警 -200 是第二代预警机，空警 -500 则是中国研制装备的第三代预警机 。
预警机雷达是电老虎？
预警机之所以有强大的探测能力，离不开预警机雷达这副隐形的“千足触须”。
雷达（Radio Detectiori and Ranging）的工作原理：典型的雷达是脉冲雷达，主要由天线、收发转换开关、发射机、接收机、定时器、显示器、电源等部分组成。发射机产生强功率高频振荡脉冲。具有方向性的天线，将这种高频振荡转变成束状的电磁波（简称波束），以光速在空间传播。电磁波在传播过程中遇到目标时，目标受到激励而产生二次辐射，二次辐射中的一小部分电磁波返回雷达，为天线所收集，称为回波信号。接收机将回波信号放大和变换后，送到显示器上显示，从而探测到目标的存在。
70 周年大阅兵上，空警 -500 采用的是与现役空警 -2000 相似的圆盘形三面阵有源相控阵天线，椭圆形截面，中央段下方通过两根支柱固定在机背后部。敌我识别天线、高速战术情报数据传输天线、雷达天线冷却系统、雷达罩空调系统等都装在中央段上。
雷达电源作为整个雷达工作的能量供给单元，起着十分重要的作用，而预警机雷达发射功率大，被称为电老虎，而如果电源体积和重量太大，就无法安装到飞机上。因此如何研制出理想中的身量轻便的预警机雷达高压电源是一个实实在在摆在预警机科研团队面前的难题。
国外专家调侃说：这是中国研制团队无法完成的任务！
中国电子科技集团公司第十四研究所的唐登平工程师和他的团队做了一千多次试验，在三年间，攻克了功率、散热、电磁干扰等多项技术难题，产品技术性能终于有了新的突破。
预警机雷达与雷达电源的特点
在传统雷达中，通常采用集中式的大功率、高电压的发射机，而近年由于雷达技术地不断创新、进步，有源相控阵雷达成为了军用雷达的首选。
由于采用了有源相控阵技术，传统的发射机也被固态有源相控阵雷达中分布式的组件所代替，从而低电压大电流的大功率阵面电源代替了传统的大功率高电压发射机电源。
在阅兵式上的空警 -500 对比现役的空警 -2000，采用运 -9 中型运输机作为改装平台，这是预警机史上首次全面采用国产处理平台、国产操作系统和数据库。但是运 -9 相对体型较小，因此不得不摒弃现役大型预警雷达的特点，改用世界领先的数字相控阵雷达技术，实现在重量、雷达天线口径上的大幅下降。同时，预警机雷达的情报处理能力、抗干扰能力等综合性能不能下降，因此雷达的小型化迫在眉睫，但是发射功率要求却还是非常高，这也是雷达电源相比普通开关电源的区别：功率大、体积小、重量轻、可靠性高。
高压大功率电源技术国内外现状
我国针对高压大功率开关电源的研究是在上个世纪 80 年代初期开始的，相比国外发达国家而言，我国晚了 10 年左右。
在预警机雷达对电源提出“特殊需求”时，国内在此领域还是一片空白，当时国际形势复杂多变，在一片质疑声中，我国的科研工作者们坚持不懈、屡攻难题，为电源领域发展开拓了一方天地。如 200kV 高压直流开关电源，其输出功率可以达到 20kW，又如 20kHz 高压逆变电源，其转换效率超过 80%，输出功率可以达到 20kW，而本体非常小，体积质量为 250g/m³。随着电源技术的进步，静电除尘高压直流电源实现了高频化的目标，当输出负载为纯电阻的条件下，可以输出 55kV 的直流电压，工频可以达到 25.6Hz。
当然，国外在高压开关电源上的研究还是领先于我国的，差距仍然存在。
在军事强国中，功率在 10kW~30kW 范围内的高压开关电源产品已经非常成熟，同时，他们还在研发更高功率的高压开关电源产品。如俄罗斯已经研制出了能够用于雷达发射机的 140kW 高压开关电源，美国已经研制出了 300kW 的恒流充电电源。
高压大功率电源技术难点
相控阵雷达阵面电源，作为机载有源相控阵雷达的关键件之一，要求输出功率大、变换效率高、体积重量小、动态响应快。而传统的开关电源, 其功率开关管一般工作在硬开关条件下，开关损耗较大，难以提高开关频率，限制了电源的小型化。因此基于相控阵雷达的特点，其阵面电源设计受到诸多因素的限制，机载相控阵雷达阵面电源要解决的技术难题很多。
通常科研人员在设计阵面电源时，选择设计方案依次考虑的因素是可靠性、噪声、杂散、重量、效率、可维护性、可生产性、成本。基于这些考虑因素，下面针对具体的技术难点进行讨论。
并联均流技术
为了使高压开关电源拥有足够大的功率，通常会采用并联的方式来对 2 个或两个以上的电源模块进行功率合成。但是这种方法在解决功率需求的基础上会由于单体差异性带来各个模块分担电流不均匀的情况出现。一旦出现这种状况，分担较多的电源模块由于其耐受电流限度有限，就有可能产生热应力过大或者过载现象，从而导致电源模块受损，功率下降。
针对此类问题，研发人员尝试了主从法、平均电流法、热应力法等高压电源内部解决方法，虽然在一定程度上能达到均流的目的，但或多或少存在一些不足。
基于以上尝试，研发人员尝试采用外加控制器的方法来进行均流的同时，弥补上述缺陷。该方法是利用均流控制器，对电源模块进行控制，当控制器检测到电源模块中的电流不均衡时，会自行调整，从而各个电源模块实现均流。尽管这种方法具有明显的应用优势，但必须保证设计的合理性，否则可能会使高压开关电源的运行稳定性降低。
谐振变换器
脉宽调制技术在高压开关电源中的应用十分广泛，它的应用可使电源系统中的开关器件在高电压和大电流的条件下，完成导通与关断。但是受到电磁干扰的影响，使开关器件的功率很难大幅度提升。
针对这一问题，研发人员们开发出了软开关技术，通过该技术的采用，使得高压开关电源系统中的开关器件在零电流或是零电压的条件下，能完成导通与关断动作，从而解决了电磁干扰问题，同时大幅降低了器件得损耗，功率水平得到显著提升。谐振变换器是软开关技术中的代表性产品，其通过对谐振现象的利用，使开关器件中的电流能减小至零后进行关断，为高压大功率开关电源的实现提供可能。在高压开关电源中，谐振变换器的连接方式有三种：串联、并联及混合连接。
串联方式：较适合高压小电流的环境；
并联方式：适合用在固定负载的电路当中，或是一些负载变化并不十分明显的环境中；
混合连接方式：兼具串联方式和并联方式得优点，是高压开关电源电路接入谐振变换器的主要方式。
功率合成技术
以单个逆变器实现高压大功率输出会受到开关器件、整流器、高频变压器等产品制造技术方面的限制，因此研制难度较大，尤其是 20kW 以上得高压大功率电源。
针对以上问题，可采用多路中等功率的高压逆变模块对功率进行合成。通过功率的合成，达到对供电容量无限扩大的目的，同时提高供电系统的可靠性，降低系统的故障维修成本。例如，想要获得一个 20kW 高压大功率开关电源，可以通过 4 个 5kW 的模块以并联的方式，进行功率合成，这种方法既简单又经济实用。
相控阵雷达阵面电源保护电路
作为军品雷达电源，电源的可靠性是电源的第一要素，怎样保证电源在恶劣环境下，各种保护电路能够按照预定设置可靠的工作，对相控阵雷达阵面电源及阵面装置的安全性和可靠性是至关重要的。因此相控阵雷达阵面电源完善的保护功能是阵面电源设计的关键指标，是评价阵面电源质量指标的第一原则。
相控阵雷达阵面电源的保护电路主要有输入防浪涌软启动保护、输入电压过压保护、输入电压欠压保护、输入缺相保护、过热保护、输入过流保护、输出过压保护、输出过流保护等保护电路。
为了获得系统的稳定性和可靠性，供电电源与控制电路必须隔离，因此输入端的防浪涌软启动保护、输入电压过压保护、输入电压欠压保护、输入缺相保护电路设计比较复杂。而输出端的保护电路 由于与控制电路共地，不需要对保护信号作隔离处理，因此设计相对简单。
总结语
从 1949 年建国以来，我国以军事力量、经济实力为代表的综合实力的增强有目共睹，这是一个质的飞跃。但是对比国外发达国家而言，差距不可否认。这个差距体现在多个方面，当然也包括军事力量中的主干：空中梯队。为了攻克这些难题，减小与发达国家的差距，我国的科技工作者们必须立足创新、用多倍的努力才能赶上世界领先的步伐。
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