СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
POWER SUPPLY SYSTEM OF IMPULSE POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано, главным образом, для электропитания полупроводниковых импульсных усилителей мощности в радиопередающих устройствах радиолокационных систем (РЛС).
Известно, что высокие требования, предъявляемые к тактико-техническим и эксплуатационным показателям современных и перспективных РЛС, привели к необходимости использования новых видов зондирующих сигналов и применению активных фазированных антенных решеток [см. Skolnik M. Radar handbook. NY: The McGraw-Hill Companies, 2008].
Так, для повышения разрешающей способности по дальности и обеспечения электромагнитной совместимости зачастую необходимо использование зондирующих сигналов, представляющих собой амплитудно-модулированные радиоимпульсы с внутриимпульсной частотной или фазовой модуляциями, а также последовательности радиоимпульсов с переменной амплитудой.
Применение же в РЛС активных фазированных антенных решеток, обеспечивающих формирование требуемого амплитудного распределения в раскрыве антенны, потребовало высокоскоростного управления выходной мощностью приемо-передающих модулей (ППМ) [см. Королев А.В., Кушнерев Н.А., Костючик Д.А., Родин М.В. Опыт разработки мощного передающего модуля АФАР Р-диапазона с динамическим управлением напряжением питания для БРЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. №5].
Следствием использования в импульсных РЛС активных фазированных антенных решеток и амплитудно-модулированных зондирующих сигналов стала необходимость разработки полупроводниковых радиопередающих устройств с функцией высокоскоростного управления выходной мощностью. При этом необходимым условием разработки стало обеспечение высокой энергетической эффективности радиопередающего устройства во всем диапазоне его выходных мощностей.
Известно, что наибольшая энергетическая эффективность радиопередающего устройства при управлении его выходной мощностью может быть обеспечена за счет требуемого изменения напряжения электропитания его выходного усилителя мощности [см. Королев А.В., Кушнерев И.А., Костючик Д.А., Родин М.В. Опыт разработки мощного передающего модуля АФАР Р-диапазона с динамическим управлением напряжением питания для БРЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. №5]. Поэтому с целью минимизации энергетических потерь при усилении радиоимпульсов в радиопередающем устройстве требуется применение такой системы электропитания усилителя мощности, которая имела бы высокие энергетические и динамические характеристики.
Широко известна схема электропитания импульсного усилителя мощности [см. Шумилин М.С., Головин О.В., Севальнев В.П. и др. Радиопередающие устройства. М.: Высшая школа, 1981], состоящая из зарядного преобразователя и емкостного накопителя, включенных последовательно. Недостатком данной схемы является невозможность быстрого изменения напряжения электропитания усилителя мощности из-за наличия накопителя большой емкости, включенного параллельно нагрузке, и ограниченной мощности зарядного преобразователя. Эти ограничения становятся существенными при длительности усиливаемого радиоимпульса более 10-20 мкс и скважности более 5-10.
Известно описание схемы электропитания импульсного усилителя мощности с формированием напряжения электропитания в течение усиливаемого радиоимпульса с использованием колебательного контура [см. Roberg М., Rodriguez М., Maksimovic D., Popovic Z. et al. Resonant pulse-shaping power supply for radar transmitters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2014. vol. 29. №2]. Недостатками данной схемы являются невысокая точность формирования импульса напряжения электропитания, невозможность управления длительностью и формой импульса напряжения электропитания и большие габариты реактивных элементов колебательного контура при длительности усиливаемого радиоимпульса более нескольких микросекунд.
Известен формирователь импульсов с регулируемой формой, содержащий преобразователь напряжения понижающего типа (см. патент USA 7200434 В2, 03.04.2007, "Control of arbitrary waveforms for constant delivered energy"). Он обеспечивает высокочастотное преобразование напряжения емкостного накопителя для формирования импульсов с регулируемой формой, причем их амплитуда может достигать 1000 В. Контроль формы импульса в этой схеме осуществляется посредством обратной связи по выходному напряжению. Данная схема пригодна главным образом для формирования высоковольтных импульсов с нарастающей пилообразной формой. Однако если напряжение с нагрузки формирователя может быть отключено выходными силовыми ключами почти мгновенно, то максимальная скорость спада выходного напряжения при формировании непрерывного импульса зависит от тока, потребляемого нагрузкой, и емкости выходного фильтра, что является недостатком этой схемы.
Известен также формирователь импульсов энергии с регулируемой формой (см. патент RU 2398347, 27.08.2010, "Формирователь импульсов энергии с регулируемой формой"), содержащий высоковольтный преобразователь напряжения понижающего типа и использующий обратную связь по току нагрузки. Однако недостатком этого формирователя является зависимость максимальной скорости спада выходного напряжения от тока, потребляемого нагрузкой, и емкости выходного фильтра.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система электропитания импульсного усилителя мощности, включающая в себя зарядный преобразователь, емкостный накопитель и регулируемый импульсный разрядный преобразователь [см. Кушнерев Н.А. Устройство электропитания импульсного твердотельного передатчика с высокими удельными показателями // Радиотехника. 2009. №5]. Достоинством этой схемы является возможность регулирования напряжения электропитания усилителя мощности с высокой скоростью независимо от изменения напряжения на емкостном накопителе. Как следствие, допускается больший разряд емкостного накопителя, чем в схеме без разрядного преобразователя, что позволяет в несколько раз снизить емкость и массу накопительного конденсатора. Недостатком этой схемы является ограниченная скорость снижения напряжения электропитания усилителя мощности в течение усиливаемого радиоимпульса, определяемая током потребления усилителя мощности, емкостью выходного фильтра разрядного преобразователя и емкостью в цепях электропитания усилителя мощности. Кроме того, в случае формирования импульсных последовательностей с переменной амплитудой при переходе от импульса большей мощности к импульсу с меньшей мощностью напряжение на выходе разрядного преобразователя оказывается слишком велико и не снижается до следующего импульса из-за энергии, накопленной в его выходном фильтре. Это приводит к искажению формы импульса напряжения электропитания усилителя мощности и, как следствие, к искажению огибающей зондирующего сигнала РЛС. Увеличить скорость снижения выходного напряжения разрядного преобразователя за счет уменьшения емкости его выходного фильтра зачастую не представляется возможным из-за ограничений по пульсациям выходного напряжения разрядного преобразователя и его максимально возможной рабочей частоты.
Технический результат - обеспечение ускоренного спада выходного напряжения разрядного преобразователя независимо от тока, потребляемого усилителем мощности и повышение точности регулировки и компенсации амплитудных искажений.
Технический результат достигается тем, что вместо однонаправленного разрядного преобразователя в системе электропитания используется регулируемый разрядный преобразователь, позволяющий с высокой скоростью передавать избыток энергии, запасенной в его выходном фильтре, в емкостный накопитель. При такой конфигурации системы электропитания удается обеспечить необходимую скорость спада напряжения электропитания усилителя мощности с возвратом 90-95% энергии, накопленной в выходном фильтре разрядного преобразователя, в емкостный накопитель.
На фиг. 1 приведена блок-схема предложенной системы электропитания. Система электропитания усилителя мощности 7 включает в себя зарядный преобразователь 1, емкостный накопитель энергии 2, регулируемый преобразователь 3, состоящий из силовых ключей 4, схемы управления 5 и выходного фильтра 6. Кроме того, блок-схема может быть дополнена дополнительной обратной связью 8, подключенной к схеме управления 5, с выхода усилителя мощности 7.
На фиг. 2 приведены форма зондирующего радиоимпульса с гауссовой огибающей (а) и требуемая форма импульса напряжения электропитания усилителя мощности (б).
На фиг. 3 приведены графики временных зависимостей мощности, потребляемой усилителем мощности от системы электропитания (а), и мощности, передаваемой из емкостного накопителя на выход регулируемого преобразователя (б) при формировании импульса напряжения электропитания с гауссовой огибающей.
На фиг. 4 приведены зондирующий сигнал (а), представляющий собой последовательность радиоимпульсов с переменной амплитудой, и требуемая форма напряжения электропитания усилителя мощности (б).
На фиг. 5 приведены графики временных зависимостей напряжения электропитания усилителя мощности (а) и мощности, потребляемой регулируемым преобразователем от емкостного накопителя (б) при переходе от формирования импульса напряжения с большей амплитудой к импульсу с меньшей амплитудой.
Система электропитания импульсного усилителя мощности, построенная по предлагаемому изобретению, работает следующим образом.
Пример 1
0
1
1
2
Радиопередающее устройство с предлагаемой системой электропитания (см. фиг. 1) работает в режиме формирования зондирующего радиоимпульса с гауссовой огибающей (см. фиг. 2). Зарядный преобразователь 1 осуществляет заряд емкостного накопителя 2 за счет энергии, получаемой от первичной питающей сети, и поддерживает величину напряжения на емкостном накопителе 2 в заданных пределах. С емкостного накопителя 2 напряжение поступает на регулируемый преобразователь 3, состоящий из силовых ключей 4, схемы управления 5 и выходного фильтра 6. Регулируемый преобразователь 3 осуществляет преобразование напряжения емкостного накопителя 2 в импульс напряжения электропитания усилителя мощности 7 требуемой формы. Величина напряжения электропитания усилителя мощности 7 в каждый момент времени стабилизируется схемой управления 5 путем управления силовыми ключами 4 в соответствии с требуемым уровнем мощности выходного сигнала усилителя 7 за счет обратной связи по напряжению с выходного фильтра 6 регулируемого преобразователя 3. В случае если напряжение на выходном фильтре 6 меньше, чем требуемое, или превышает его на величину, меньшую, чем уставка, то схема управления 5 осуществляет управление силовыми ключами 4 таким образом, чтобы обеспечить передачу энергии из емкостного накопителя 2 в выходной фильтр 6 и на усилитель мощности 7 и поддерживать заданное напряжение на выходе регулируемого преобразователя 3. Этому процессу соответствует интервал времени (t…t) на фиг. 3. За счет того, что часть энергии, потребляемой регулируемым преобразователем 3, запасается в его выходном фильтре, мощность, потребляемая регулируемым преобразователем 3, больше мощности, потребляемой усилителем мощности 7. В случае если выходное напряжение регулируемого преобразователя 3 превышает требуемую величину больше, чем на величину уставки, то схема управления 5 управляет силовыми ключами 4 таким образом, чтобы осуществлять передачу энергии, запасенной в выходном фильтре 6, в емкостный накопитель 2 вплоть до снижения выходного напряжения регулируемого преобразователя 3 до требуемой величины. Этому процессу соответствует интервал времени (t…t) на фиг. 3. Передачи мощности из емкостного накопителя 2 в регулируемый преобразователь 3 на этом этапе не происходит. Мощность, потребляемая усилителем мощности 7 от выходного фильтра 6, недостаточна для обеспечения требуемой формы импульса напряжения электропитания усилителя мощности 7, избыток мощности передается регулируемым преобразователем 3, работающим в режиме реверса, в емкостный накопитель 2 (заштрихованная область на фиг. 3).
1
1
2
2
4
2
3
2
Пример 2. Радиопередающее устройство с предлагаемой системой электропитания работает в режиме формирования последовательности прямоугольных радиоимпульсов с переменной амплитудой (см. фиг. 4). С емкостного накопителя 2 напряжение поступает на регулируемый преобразователь 3. Регулируемый преобразователь 3 стабилизирует напряжение электропитания усилителя мощности 7 на заданном уровне U (см. фиг. 5). В начале усиливаемого радиоимпульса, то есть на интервале времени (t…t) (см. фиг. 5), мощность регулируемым преобразователем 3 передается из емкостного накопителя 2 в цепь электропитания усилителя мощности 7. По окончании усиливаемого радиоимпульса в схему управления 5 от внешнего устройства поступает команда на изменение выходного напряжения для изменения выходной мощности последующего радиоимпульса. При этом мощность, потребляемая усилителем мощности 7 от регулируемого преобразователя 3 на интервале (t…t) (см. фиг. 5), близка к нулю. В этом случае выходное напряжение регулируемого преобразователя 3 превышает требуемую величину больше, чем на величину уставки, и регулируемый преобразователь 3 осуществляет передачу энергии, запасенной в выходном фильтре 6, в емкостный накопитель 2 до снижения выходного напряжения регулируемого преобразователя 3 до требуемой величины. Этому процессу соответствует интервал времени (t…t) на фиг. 5. Далее регулируемый преобразователь 3 снова переходит в режим передачи энергии из емкостного накопителя 2 в усилитель мощности 7 и стабилизирует напряжение электропитания усилителя мощности 7 на уровне U.
Пример 3. Система по п. 1, в которой для повышения точности регулировки и компенсации амплитудных искажений, вносимых усилителем мощности 7 в усиливаемый радиоимпульс, в схему управления 5 заведена дополнительная обратная связь 8 с выхода усилителя мощности 7.
Пример 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что вместо регулируемого преобразователя 3 использован однонаправленный разрядный преобразователь и отдельный преобразователь для передачи энергии из выходного фильтра разрядного преобразователя в емкостный накопитель.
Литература
1. Skolnik M. Radar handbook. NY: The McGrew-Hill Companies, 2008. 1351 p.
2. Королев А.В., Кушнерев H.A., Костючик Д.А., Родин М.В. Опыт разработки мощного передающего модуля АФАР Р-диапазона с динамическим управлением напряжением питания для БРЛС. // Успехи современной радиоэлектроники. 2015, №5. С. 43-49.
3. Радиопередающие устройства: учебник для техникумов / М.С. Шумилин, О.В. Головин, В.П. Севальнев и др. М.: Высшая школа, 1981. 293 с.
4. Roberg М., Rodriguez М., Maksimovic D., Popovic Z. et al. Resonant pulse-shaping power supply for radar transmitters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2014. №2. P. 707-718.
5. Патент USA 7200434 B2, 03.04.2007.
6. Патент РФ 2398347, 27.08.2010.
7. Кушнерев H.A. Устройство электропитания импульсного твердотельного передатчика с высокими удельными показателями. // Радиотехника. 2009. №5. С. 75-78.