Усилитель класса D для возбуждения низкочастотного гидроакустического преобразователя
CLASS D AMPLIFIER FOR EXCITATION OF A LOW-FREQUENCY HYDROACOUSTIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в гидроакустических широкополосных усилителях мощности режимов низкочастотной гидроакустической связи (ГС) и гидролокации (ГЛ).
Низкочастотные (НЧ) гидроакустические передающие тракты (ГАПТ) режимов ГС и ГЛ характеризуются большой мощностью возбуждения гидроакустических излучателей (ГАИ), достигающих единиц и десятков кВА [Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации / Морская радиоэлектроника N1(67) 2019. С. 10-14]. Напряжение сигналов возбуждения НЧ ГАИ, как правило, достигает 700 В в диапазоне частот от сотен Гц до единиц кГц. При этом актуальным направлением развития НЧ ГС и ГЛ является дальнейшее снижение частот излучаемых сигналов и повышение мощности возбуждения ГАИ для увеличения дистанции обнаружения и передачи сообщений. В качестве эффективного направления реализации усилителей низких частот (УНЧ) в составе ГАПТ следует выделить ключевые усилители мощности (КУМ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), определенные по принятой классификации как усилители класса D [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь. 1980. с. 207].
В таких устройствах усиливаемый сигнал преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов, усиливаемых по мощности и поступающих на нагрузку через фильтр нижних частот. В общем случае усилители класса D содержат широтно-импульсный преобразователь (ШИП), ключевой усилитель мощности (КУМ) и фильтр нижних частот (ФНЧ). При использовании в составе ГАПТ, ключевой УНЧ такого типа содержит выходной НЧ трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку нагрузки и соответствующий уровень номинального напряжения возбуждения НЧ ГАИ.
Для улучшения качества сигналов возбуждения, в гидроакустических усилителях мощности могут использоваться двухканальные схемы построения усилителей класса D [Патент РФ №2188498 Двухканальный усилитель класса D. Опубл. 27.08.2002 БИ №24]. Такая реализация обеспечивает двукратное повышение результирующей частоты переключений, чем достигается расширение динамического и частотного диапазона усиливаемых сигналов. Известное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому, и может быть принято за прототип настоящего изобретения [Патент РФ №2188498]. Устройство-прототип (фиг. 1) содержит двухканальный широтно-импульсный преобразователь ШИП 1, ключевые усилители мощности КУМ 2 и КУМ 3, два фильтра нижних частот ФНЧ 4 и ФНЧ 5, гидроакустический излучатель ГАИ 6 и два низкочастотных трансформатора НЧ TP 7 и НЧ TP 8.
0
0
0
0
1
2
M
0
м
0
Силовое электропитание КУМ 2 и КУМ 3 осуществляется от напряжения Е (+Е, - Е), как правило, гальванически связанного с объектовой сетью. Например, для объектовой сети постоянного тока выводы электропитания КУМ непосредственно связаны с шинами сетевого напряжения, а для объектовой сети переменного тока напряжение силового электропитания может формироваться низкочастотным силовым выпрямителем. Оконечные каскады КУМ 2 и КУМ 3 реализуются на основе полумостовых транзисторных схем, адаптированных к напряжению Е, снабженных драйверами импульсных сигналов с гальванической развязкой. В результате усиления сигналов ШИМ на выходах КУМ формируются импульсные напряжения V и V, суммарная амплитуда которых определяется напряжением V=Е. Соответственно, между выходами ФНЧ 4 и ФНЧ 5 выделяется низкочастотное напряжение U, относительная амплитуда которого определяется индексом модуляции т: m=U/E.
ТНЧ
При этом на нагрузке формируется напряжение UH, амплитуда которого задается коэффициентом передачи низкочастотных трансформаторов К:
В режиме номинальной выходной мощности при m=1 на нагрузке достигается максимальная амплитуда напряжения  соответствующая требуемой максимальной мощности тонального сигнала возбуждения гидроакустического излучателя на заданной частоте Ω при импедансе нагрузки Z(Ω):
Таким образом, в устройстве-прототипе низкочастотные трансформаторы 7 и 8 обеспечивают как гальваническую развязку нагрузки, так и требуемое максимальное выходное напряжение для достижения режима максимальной мощности возбуждения ГАИ.
н
Вместе с тем, с понижением частоты усиливаемого сигнала резко возрастают масса, габариты и потери энергии в низкочастотных трансформаторах. Так, например, при нижней частоте рабочего диапазона F=1 кГц и номинальной мощности 1 кВт, габариты НЧ трансформаторов превосходят суммарные габариты остальных узлов УНЧ при соизмеримых потерях энергии.
н
При дальнейшем понижении частоты до F=0,3 кГц, объем и масса УНЧ более чем на 70-80% определяются только массогабаритными показателями низкочастотных трансформаторов.
s
ф
в
Наряду с неприемлемым ухудшением массогабаритных показателей устройства-прототипа с понижением нижней частоты рабочего диапазона, применение НЧ трансформаторов связано с существенной индуктивностью рассеивания L, значение которой может превосходить минимально допустимую индуктивность L ФНЧ, определенной из условия обеспечения верхней частоты F рабочего диапазона.
н
в
c
Здесь следует отметить, что нагрузка ГАИ, выполненных на активных пьезоматериалах, имеет выраженный емкостной характер при значении емкости С, соответствующей коэффициенту активной мощности нагрузки cosϕ(F) не более 0,1. В этих условиях частота среза ФНЧ F для требуемой равномерности АЧХ должна выбираться из условия:
где L - результирующая индуктивность фильтра, приведенная к нагрузке.
ф
s
ТНЧ
Принимая во внимание составляющие результирующей индуктивности: L -индуктивность фильтров ФНЧ 4 и ФНЧ 5; L - индуктивность рассеивания со стороны первичных обмоток НЧ TP 7 И НЧ TP 8; с учетом коэффициента трансформации К получим:
s
в
н
Проведенная оценка показывает, что для НЧ TP с нижней частотой 0,3 кГц наличие L ограничивает полосу рабочих частот возбуждения ГАИ в диапазоне 2 октав, что не соответствует современным требованиям расширения частотного диапазона при соотношении F/F более 10.
Выделенные недостатки существенно ограничивают применение устройства-прототипа для реализации передающей аппаратуры малогабаритных широкополосных ГАПТ, обеспечивающих возбуждение НЧ ГАИ.
Задачей настоящего изобретения является улучшение массогабаритных и энергетических показателей усилителей мощности при расширении частотного диапазона сигналов возбуждения низкочастотных гидроакустических преобразователей.
Для решения поставленной задачи, в известный усилитель класса D для возбуждения низкочастотных гидроакустических преобразователей, содержащий двухканальный широтно-импульсный преобразователь, подсоединенный входом к шине входного сигнала, а первый и второй выходы которого подключены, соответственно, к входам первого и второго ключевых усилителей мощности, входы электропитания которых соединены с шинами силового электропитания, а выходы - с входами первого и второго фильтров нижних частот, предлагается ввести следующие новые признаки, а именно: высокочастотный инвертор, высокочастотный трансформатор и выпрямительное устройство, выходы которого через фильтр синфазной помехи подключены к шинам силового электропитания, а входы через высокочастотный трансформатор и высокочастотный инвертор соединены с шинами напряжения объектовой сети, в свою очередь выходы первого и второго фильтров нижних частот подключены, соответственно, к первому и второму выводу низкочастотного гидроакустического излучателя.
Технический результат от применения совокупности новых признаков позволяет обеспечить сокращение объема и кратное уменьшение массы усилителя мощности при расширении частотного диапазона сигналов за счет исключения громоздкого низкочастотного трансформатора с существенной индуктивностью рассеивания в условиях прямого согласования оконечных каскадов КУМ с нагрузкой на ГАИ при силовом напряжении электропитания заданного уровня, гальванически развязанного от объектовой сети.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где представлены структурные схемы устройства-прототипа (фиг. 1) и заявляемого устройства (фиг. 2), а также временные диаграммы сигналов (фиг. 3), поясняющие особенности работы предлагаемого технического решения.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:
п1
п2
к
п1
п2
- на фиг 3а): U - напряжение в шине входного сигнала, U, U - пилообразные противофазные напряжения с полупериодом Т, формируемые в ШИП 1 для формирования ШИМ-сигналов ШИМ 1, ШИМ 2, ШИМ 1, ШИМ 2 - последовательности импульсов на выходах ШИП 1, формируемые в результате сравнения входного сигнала U соответственно с пилообразными напряжениями U, U;
r
0
0
- на фиг 3б): V - высокочастотное импульсное напряжение с периодом Т, формируемое в ВЧИ 9 посредством ключевого преобразования напряжения электропитания Е объектовой сети постоянного тока;
вч
r
- на фиг 3в): V - напряжение вторичной обмотки ВЧ TP 10, на первичную обмотку которого поступает импульсное напряжение V через дополнительные фильтрующие элементы в составе ВЧИ 9;
вч
- на фиг 3г, д): V1, V2 - импульсные напряжения на выходах КУМ 2, КУМ 3 амплитудой Е, сформированные посредством ключевого усиления по мощности сигналов ШИМ 1 и ШИМ 2, ±Е - выходное напряжение, формируемое на выходе ВУ 11 посредством выпрямления и фильтрации напряжения V;
н
н
- на фиг 3е): V- суммарное импульсное напряжение, поступающее с выходов КУМ 2 и КУМ 3 на входы ФНЧ 4 и ФНЧ 5, V, U - соответственно низкочастотная составляющая импульсного напряжения V и низкочастотное напряжение на нагрузке ГАИ 6.
Предлагаемый усилитель класса D для возбуждения низкочастотных гидроакустических преобразователей (фиг. 2) содержит двухканальный широтно-импульсный преобразователь ШИП 1, ключевые усилители мощности КУМ 2, КУМ 3, фильтры нижних частот ФНЧ 4, ФНЧ 5, гидроакустический излучатель ГАИ 6, высокочастотный инвертор ВЧИ 9, высокочастотный трансформатор ВЧТР 10, выпрямительное устройство ВУ 11, фильтр синфазной помехи ФСП 12.
В состав предлагаемого устройства входят блоки, выполненные по известным правилам в соответствии с заявленными особенностями реализации, совокупное применение которых обеспечивает достижение технического результата.
п1
п2
Широтно-импульсный преобразователь ШИП 1 выполняется так же, как в известном устройстве по патенту №2188498 по двухканальной схеме и может содержать парафазный генератор опорных пилообразных напряжений U, U и два компаратора с выходными драйверами, обеспечивающими управление схемами ключевого усиления.
н
н
Соответственно ключевые усилители мощности КУМ 2 и КУМ 3 реализуются аналогичным образом, как в устройстве-прототипе, по полумостовым схемам на высоковольтных транзисторах, совместное включение которых образует мостовую схему ключевого усиления. Выбор транзисторов должен соответствовать требованиям заданного уровня напряжения Е силового электропитания, определяющего амплитуду импульсного напряжения V и, соответственно, максимальную амплитуду низкочастотного напряжения U возбуждения ГАИ 6. Причем для НЧ гидроакустических излучателей значение U должно быть не менее 1000 В, при номинальной мощности возбуждения до Рнм=10 кВА, что определяет требуемое значение допустимых напряжений и токов мощных транзисторов:
U
I
соответственно, при коэффициентах запаса на надежную работу К=1,2 и K=2,0.
доп
доп
Транзисторы оконечных каскадов КУМ должны быть рассчитаны на допустимые параметры U ≥1,2 кВ, I=40А. При этом для использования в составе мощных ключевых УНЧ с ШИМ на частотах переключений 50-100 кГц должно быть обеспечено высокое быстродействие с инерционностью переключений не более 0,1-0,2 мкс при весьма малом внутреннем сопровождении в открытом состоянии не более 0,1-0,2 Ом.
доп
доп
До настоящего времени сочетание указанных требований практически исключало возможность реализации высоковольтных оконечных каскадов КУМ с приемлемыми параметрами энергетической эффективности и качества усиления импульсных сигналов с ШИМ. С появлением нового класса полевых транзисторов, созданных с использованием карбид-кремниевых технологий, необходимое сочетание параметров становится достижимым. Так транзисторы фирмы CREE, например типа C2M0025120D, удовлетворяют требованиям U 1200 В I 60 А при сопротивлении канала 0,025 Ом и максимальной задержке выключения не более 0,15 мкс.
н
н
в
Фильтры нижних частот (ФНЧ 4 и ФНЧ 5) предназначены для подавления высокочастотных составляющих импульсного напряжения V и выделения низкочастотной составляющей V на нагрузке. В простейшем случае ФНЧ 4, ФНЧ 5 выполняются на дросселях, суммарная индуктивность L которых определяется из соотношения (3) с учетом емкости нагрузки С и заданной верхней границы F частотного диапазона.
0
r
0
н
н
Высокочастотный инвертор ВЧИ 9 предназначен для высокоэффективного преобразования постоянного напряжения Е в высокочастотное напряжение V с периодом Т для передачи энергии электропитания КУМ 2 и КУМ 3 через высокочастотный трансформатор (ВЧ TP 10). В составе ВЧИ 9 реализуется формирователь ВЧ импульсов с драйвером управления и оконечный каскад на мощных полевых транзисторах, выполненный на полумостовой, либо мостовой схеме. Выходная мощность оконечного каскада ВЧИ 9 должна соответствовать активной составляющей максимальной мощности нагрузки Мах|Р|. С учетом коэффициента активной мощности ГАИ 6 cosϕ=0,2-0,5, для максимальной мощности Р=10 кВА выходная мощность ВЧИ 9 должна достигать 5 кВт.
0
При напряжении электропитания от объектовой сети постоянного тока Е≅220 В для реализации оконечного каскада ВЧИ 9 могут быть использованы MOSFET транзисторы типа IPW60R017C7 с допустимым напряжением электропитания 600 В и максимальным током до 100 А, включенные в полумостовую схему. Высокое быстродействие таких полевых транзисторов позволяет на их основе реализовать высокочастотный инвертор в ключевом режиме с мягкими траекториями переключений на частоте порядка 100 кГц с относительными потерями энергии не более 2%, что соответствует условию высокой энергетической эффективности тракта высокочастотной трансформации напряжения силового электропитания высоковольтных КУМ с использованием ВЧ TP 10 и ВУ 11.
0
Высокочастотный трансформатор ВЧ TP 10 должен обеспечивать гальваническую развязку и согласование напряжения Е силового электропитания КУМ 2 и КУМ 3 от напряжения Е объектовой сети в условиях требуемого уровня максимального напряжения возбуждения ГАИ 6:
твч
где К - коэффициент трансформации ВЧ ТР.
Для реализации ВЧ TP может быть использован высокочастотный магнитопровод, например, феррит типа N87, что позволяет на частоте 100 кГц обеспечить удельную мощность трансформатора более чем 2 кВт/кг при относительных потерях энергии менее 1%. Приведенные параметры принципиально отличаются от показателей НЧ TP, которые обеспечивают, например, для нижней частоты 300 Гц удельную мощность 0,2 кВт/кг и потери более 2%.
вч
Выпрямительное устройство ВУ 11 должно обеспечивать преобразование ВЧ напряжения V амплитудой Е в постоянное напряжение заданного уровня. С учетом высокой частоты преобразования в 100 кГц и высокого уровня электропитания E=1000 В, выпрямительное устройство целесообразно реализовать по мостовой схеме на высоковольтных импульсных диодах с допустимым напряжением более 1200 В и максимальным током 10 А. Относительные потери энергии в таком высоковольтном ВУ, как правило, не превышают 0,5%.
Особенностью реализации предлагаемого решения является наличие значительного уровня синфазных помех, обусловленных гальванической привязкой выходов оконечных каскадов КУМ 2 и КУМ 3 непосредственно к выходам ГИА 6, что может обуславливать высокочастотные синфазные токи через паразитные емкости элементов схемы ключевого усиления на корпус и далее на общую шину напряжения объектовой сети. Подавление синфазных помех такого типа обеспечивается использованием симметричного ФСП 12, включающего входной и выходной конденсаторы С1 и С2, а также симметричный дроссель на высокочастотном магнитопроводе с встречно включенными обмотками. Индуктивность отдельной обмотки устанавливается порядка 0,5-2,0 мГн, что обеспечивает эффективное подавление синфазных помех с частотами значительно выше 100 кГц. Введение в состав предлагаемого устройства ФСП 12 такого типа является необходимым условием обеспечения устойчивой работы КУМ без НЧ трансформаторной развязки с нагрузкой.
Предлагаемый усилитель класса D для возбуждения низкочастотного гидроакустического преобразователя работает следующим образом.
0
r
вч
0
Напряжение Е электропитания от объектовой сети преобразуется ВЧИ 9 в высокочастотное импульсное напряжение V (фиг. 3б), которое через ВЧ TP 10 трансформируется в напряжение V (фиг. 3в) заданной амплитуды Е. В результате на выходе ВУ 11 образуется напряжение силового электропитания Е заданного уровня, которое через ФСП 12 поступает на шины силового электропитания оконечных каскадов КУМ 2 и КУМ 3.
п1
п2
В свою очередь напряжение входного сигнала U поступает на вход ШИП 1, где в результате сравнения с противофазными пилообразными напряжениями U, U обеспечивает формирование сигналов ШИМ 1 и ШИМ 2 (фиг. 3а), которые поступают на входы управления КУМ 2 и КУМ 3. В результате ключевого усиления по мощности сигналов ШИМ 1 и ШИМ 2 на выходах КУМ 2 и КУМ 3 формируются напряжения V1 и V2 (фиг. 3г, д), которые через ФНЧ 4 м ФНЧ 5 поступают в нагрузку ГАИ 6.
При этом на входах ФНЧ 4 и ФНЧ 5 образуется результирующее импульсное напряжение V амплитудой Е (фиг. 3е), низкочастотная составляющая которого VH имеет амплитуду, пропорциональную индексу модуляции т:
пм
где U - амплитуда опорного пилообразного напряжения.
ф
н
Соответственно на выходах ФНЧ 4, ФНЧ 5, подключенных к нагрузке, выделяется низкочастотное напряжение UH, амплитуда и фаза которого практически (с точностью до передаточных характеристик ФНЧ) совпадает с параметрами низкочастотной составляющей VH результирующего импульсного напряжения. В условиях выполнения рекомендаций по выбору результирующей индуктивности фильтра в соответствии с выражением (3) коэффициент передачи ФНЧ в полосе рабочих частот близок к K=1 при весьма малом фазовом сдвиге (не более 5-10 град). Следовательно, максимальное напряжение Max|U|, поступающее на ГАИ 6 определяется выражением (6).
Таким образом, в заявляемом устройстве достигается бестрансформаторное согласование выхода ключевого УНЧ с низкочастотным ГАИ при соответствующем формировании высоковольтного электропитания оконечных каскадов каналов КУМ 2 и КУМ 3. По сравнению с прототипом достигается принципиальное (не менее, чем в два раза) улучшение массогабаритных показателей за счет исключения громоздких НЧ трансформаторов при уменьшении относительных потерь энергии (с 15% до 10%) в условиях расширения полосы рабочих частот (с 2 октав до 3-4 октав).
Следует отметить сложность электромагнитной совместимости (ЭМС) предлагаемого технического решения, требующую применения дополнительных технических средств синфазной фильтрации высоковольтного гальванически развязанного напряжения силового электропитания КУМ. Решение этих вопросов достигается применением специального фильтра синфазной помехи ФСП 12, введение которого практически устраняет влияние импульсной ВЧ помехи на условия ЭМС. При этом габариты и потери энергии в ФСП 12 весьма малы и практически не сказываются на характеристиках устройства в целом.
На предприятии изготовлен экспериментальный образец предлагаемого усилителя класса D для возбуждения низкочастотного гидроакустического преобразователя, результаты испытания которого в составе канала излучающего тракта подтвердили достижение заявляемого эффекта при амплитуде выходного напряжения на нагрузке до 1 кВ и номинальной выходной мощности 5 кВА. Предложено внедрить настоящее изобретение в ряде приоритетных разработок передающих трактов режимов низкочастотной гидроакустической связи и гидролокации.