КЛЮЧЕВОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в гидротехнических и гидроакустических передающих трактах.

Известны транзисторные ключевые устройства [1, 2], обеспечивающие высокоэффективное усиление парафазных сигналов и импульсных сигналов ключевым усилителем мощности (КУМ) для возбуждения квазигармонических колебаний рабочего диапазона частот на нагрузке через выходной фильтр. Применение полумостовых либо мостовых схем оконечных каскадов КУМ при противофазном управлении ключевыми элементами симметричными импульсными сигналами обеспечивает одновременное переключение силовых транзисторов, чем достигается формирование импульсного напряжения на входе выходного фильтра, в качестве которого применяются последовательно включенные индуктивные и емкостные компоненты.

Достоинством известных ключевых устройств является широкая полоса рабочих частот, ограниченная в основном амплитудно-частотной характеристикой выходного фильтра и нагрузки. Управление ключевыми элементами непосредственно входными импульсными сигналами обеспечивает стабильность амплитуды напряжения управления при импульсном переключении транзисторов оконечного каскада.

Недостатком известных ключевых устройств являются значительные потери энергии на импульсное изменение потенциалов входных и выходных цепей ключевых усилителей мощности. Отмеченное обстоятельство ограничивает диапазон рабочих частот ключевых устройств не выше 50-100 кГц, понижает надежность работы и ухудшает показатели электромагнитной совместимости передающих трактов, выполненных на их основе.

Выявленные недостатки связаны с "жесткой" траекторией переключения ключевых элементов предварительных усилителей и оконечных каскадов ключевых устройств, что обусловлено прерыванием контуров тока и принудительным переразрядом емкостей входных и выходных цепей ключевых элементов. Особенно заметны недостатки "жесткого переключения" при использовании в оконечных каскадах мощных полевых транзисторов, наиболее перспективных для реализации ключевых устройств. Наряду с высокой крутизной и стабильностью передаточной характеристики усилительные приборы такого типа имеют значительную емкость затвор-исток С_З-И, величина которой может достигать 20-40 нФ, и требует обеспечение стабильности амплитуды импульсов возбуждения на уровне 10-15 В.

В результате при формировании последовательности разнополярных импульсов на входах полевых транзисторов, например, полумостовой схемы КУМ, в предварительном усилителе имеют место потери энергии, обусловленные перезарядом емкости С_З-И.

Р=4С_З-И·Е²·f,

где Е - амплитуда импульсов управления,

f - частота.

При этом на высоких частотах переключений потери энергии в каналах предварительного усилителя достигают существенной величины и для частоты более 200 Гц превышают 2-4 Вт. Как правило, теплоотвод с элементов предварительного усилителя затруднен и требует заметного усложнения конструкции ключевого устройства.

Другим недостатком, связанным с "жестким" переключением, является крутизна фронта управляющего импульсного напряжения, что в свою очередь приводит к быстрому переключению полевых транзисторов оконечного каскада. При этом скорость изменения импульсного напряжения на выходе КУМ достигает 5-8 кВ/мкс, что связано с большими токами переключения, увеличением динамических потерь энергии и ухудшением показателей электромагнитной совместимости известных ключевых устройств.

Недостатки известных ключевых устройств устранены в устройстве, описанном в патенте США [3], в котором реализованы плавные траектории изменения входных и выходных сигналов КУМ за счет применения входных и выходных резонансных фильтров. В результате для ключевых элементов оконечного каскада обеспечиваются условия "мягкой" коммутации.

Ключевое устройство, известное из [3], является наиболее близким к предлагаемому и может быть принято в качестве прототипа заявляемого технического решения.

Устройство-прототип (фиг.1) содержит генератор парафазных сигналов 1, выходы которого соединены со входами предварительного усилителя 2, подключенного входами электропитания к шинам сервисного напряжения, а выходами через входной резонансный фильтр 3, являющийся низкочастотным, выполненный на последовательно включенных дросселе и конденсаторе, к первичной обмотке трансформатора 4, вторичные обмотки которого соединены с первым и вторым входами управления ключевого усилителя 5 мощности, входы электропитания которого соединены с шинами силового электропитания, а выходы через выходной резонансный фильтр 6 - к шинам нагрузки.

Устройство-прототип работает следующим образом: генератор парафазных сигналов 1 формирует парафазные импульсные напряжения рабочей частоты, поступающие на входы предварительного усилителя 2, на выходе которого формируется импульсное напряжение типа меандр, амплитудой примерно равной U₁ - напряжению сервисного электропитания. Импульсное напряжение с выхода предварительного усилителя 2 поступает через резонансный фильтр 3 на первичную обмотку трансформатора 4, где выделяется квазигармоническое напряжение, амплитуда которого зависит от коэффициента передачи входного резонансного фильтра К_ф(f).

Трансформатор 4 обеспечивает гальваническую развязку и передает противофазные квазигармонические напряжения U₁ и U₂ (фиг.2) на входы ключевого усилителя 5 мощности.

При достижении входными напряжениями U₁, U₂ порогов включения U₀ полевые транзисторы КУМ переходят в открытое состояние.

Для рабочих частот f, близких к резонансной частоте f_p входного и выходного резонансных фильтров, амплитуда входного напряжения U обеспечивается близкой к номинальному значению U(f_p), а за время закрытого состояния транзисторов оконечного каскада выходное напряжение КУМ изменяется от +Е до - Е. В результате осуществляется коммутация ключевых элементов по нулю напряжения. При отклонении f от f_p изменение потенциала выходного напряжения КУМ U осуществляется при включении силовых транзисторов. Однако в условиях плавного изменения напряжения на входе ключевых элементов изменение выходного напряжения КУМ также обеспечивается по плавной траектории, что при малых значениях выходного тока I (фиг.2.2) не приводит к заметным потерям энергии и обеспечивает "мягкие" условия коммутации.

Достоинством устройства-прототипа являются пониженные потери энергии в каналах предварительного усилителя, нагруженного на входные цепи ключевых элементов через LC фильтр (входной фильтр 3). Формирование импульсного напряжения на выходах предварительного усилителя не связано с резким разрядом входных емкостей полевых транзисторов, а приводит к формированию резонансной траектории изменения входных напряжений U₁, U₂ без дополнительных потерь энергии. Минимизация динамических потерь энергии позволяет значительно повысить рабочую частоту генерируемого сигнала свыше 1 МГц.

Однако указанное преимущество в устройстве-прототипе обеспечивается в весьма узкой полосе рабочих частот, ширина которой, как правило, не превышает 0,1-0,2 октавы, что является существенным недостатком рассмотренного ключевого устройства.

При увеличении отклонения рабочей частоты от резонансного значения в устройстве-прототипе наблюдается изменение амплитуды входных напряжений U₁, U₂ в соответствии с АЧХ входного фильтра (2). В результате амплитуда входных сигналов становится меньше номинального значения, что препятствует обеспечению ключевого режима работы транзисторов и приводит к недопустимым потерям энергии.

Попытка расширить рабочий диапазон частот посредством увеличения амплитуды входных сигналов на резонансной частоте ограничена максимально допустимым напряжением на входе полевых транзисторов (как правило, не более 20 В).

Дополнительным недостатком устройства прототипа является значительный переходный процесс при формировании входных квазигармонических напряжений номинального уровня, длительность которого может превышать 5-10 периодов рабочей частоты. Действие этого фактора препятствует реализации импульсного режима работы, при котором требуется формирование радиоимпульсов рабочей частоты с минимальным фронтом нарастания и спада. В устройстве-прототипе во время переходного процесса формирования входных квазигармонических сигналов имеют место повышенные потери энергии в ключевых элементах оконечного каскада.

Существенные недостатки устройства-прототипа значительно ограничивают область его применения в широкополосных радиотехнических и гидроакустических передающих трактах.

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы рабочих частот и обеспечение импульсного режима работы ключевого устройства при улучшенных энергетических характеристиках и показателях электромагнитной совместимости в составе радиотехнических и гидроакустических трактов.

Поставленная задача решается двумя вариантами построения ключевого устройства.

В соответствии с первым вариантом в ключевое устройство, содержащее генератор парафазных сигналов, предварительный усилитель, подключенный входами электропитания к шинам сервисного напряжения, а выходами через входной резонансный фильтр, выполненный на последовательно включенных дросселе и конденсаторе, к первичной обмотке трансформатора, вторичные обмотки которого соединены с первым и вторым входами управления ключевого усилителя мощности, входы электропитания которого подключены к шинам силового электропитания, а выход через выходной резонансный фильтр к шинам нагрузки, дополнительно введены схема разрешения, включенная между выходами генератора парафазных сигналов и входами предварительного усилителя, а также первый и второй диоды, включенные последовательно между шинами сервисного электропитания, причем первичная обмотка трансформатора подключена к конденсатору входного фильтра, а средняя точка дросселя и конденсатора входного резонансного фильтра соединена со средней точкой первого и второго диода.

Второй вариант предпочтителен в условиях повышенных рабочих частот.

Во втором варианте в ключевое устройство, содержащее генератор парафазных сигналов, первый предварительный усилитель, подключенный входами к первым шинам сервисного электропитания, а выходами к входу первого резонансного фильтра, выполненному на последовательно включенных первом дросселе и первом конденсаторе, а также трансформатор, содержащий первичную обмотку и две вторичные обмотки, ключевой усилитель мощности, входы электропитания которого подключены к шинам силового электропитания, а выходы через выходной резонансный фильтр к шине нагрузки, дополнительно введены следующие новые признаки, а именно: схема разрешения, четыре диода, второй предварительный усилитель и второй входной резонансный фильтр, при этом входы электропитания второго предварительного усилителя подключены к вторым шинам сервисного электропитания, а выходы со входами второго входного резонансного фильтра, выполненного на последовательно включенных втором дросселе и втором конденсаторе, причем схема разрешения включена между выходами генератора парафазных сигналов и первичной обмотки трансформатора, вторичные обмотки которого соединены соответственно с входами первого и второго предварительных усилителей, а выходы первого и второго входного резонансных фильтров соединены с первым и вторым входами управления ключевого усилителя мощности, первый и второй диоды подключены последовательно между первыми шинами сервисного электропитания и средняя точка первого дросселя и первого конденсатора первого входного резонансного фильтра соединена со средней точкой первого и второго диодов соответственно, а третий и четвертый диоды подключены последовательно между вторыми шинами сервисного электропитания и средняя точка второго дросселя и второго конденсатора второго входного резонансного фильтра соединена со средней точкой третьего и четвертого диодов соответственно.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является обеспечение номинальной амплитуды импульсных сигналов управления ключевым усилителем мощности при сохранении "мягкой" траектории переключения в широкой полосе рабочих частот при уменьшении потерь энергии в предварительных усилителях и формировании квазирезонансных траекторий изменения выходных токов и напряжений ключевого усилителя, чем достигаются улучшенные показатели электромагнитной совместимости.

Дополнительным техническим результатом, который достигается во втором варианте изобретения, является расширение полосы при повышении рабочих частот. Он обеспечен формированием квазирезонансных сигналов управления в каждом канале предварительных усилителей отдельно по каждому входу ключевого усилителя мощности.

Введение в состав известного ключевого устройства новых блоков и связей позволило в предлагаемом устройстве расширить полосу рабочих частот при формировании квазирезонансных траекторий изменение сигналов управления ключевым усилителям мощности и уменьшении потерь энергии в предварительных усилителях и улучшении показателей электромагнитной совместимости. Применение двух предварительных усилителей с гальванической развязкой сервисных напряжений позволило повысить частоту переключений при обеспечении плавной траектории переключений и обеспечении номинальной амплитуды сигналов управления КУМ в широкой полосе рабочих частот.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-5. На фиг.1 и фиг.2 представлены структурная схема устройства-прототипа и диаграммы сигналов, поясняющие его работу соответственно, на фиг.3, 4 представлены структурные схемы первого и второго вариантов заявляемого ключевого устройства, на фиг.5 приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие работу первого и второго вариантов.

Первый вариант предлагаемого устройства (фиг.3) содержит: генератор 1 парафазных сигналов; предварительный усилитель 2; шины +U₁, -U₂ сервисного напряжения; входной резонансный фильтр 3; трансформатор 4; ключевой усилитель 5 мощности; шины силового +Е, -Е электропитания; выходной фильтр 6; схему 9 разрешения; первый и второй диоды 7, 8.

Второй вариант предлагаемого устройства (фиг.4) содержит: генератор 1 парафазных сигналов; схему 9 разрешения; трансформатор 4; предварительные усилители 2 и 10; шины сервисного напряжения

+U₁, -U₁ и +U₂,-U₂; входные фильтры 3 и 13; дополнительные диоды 7, 8; 11, 12 ключевой усилитель 5 мощности; шины силового электропитания +Е, -Е; выходной фильтр 6.

Блоки, входящие в состав первого варианта предлагаемого устройства, функционируют следующим образом:

Генератор парафазных сигналов 1 предназначен для формирования противофазных амплитудных импульсных сигналов U₁, U₂ рабочей частоты (фиг.5). В режиме собственной синхронизации генератор парафазных сигналов может быть выполнен на регулируемом генераторе удвоенной рабочей частоты, симметрирующем счетном триггере, прямой и интерфейсный сигнал которого являются выходными сигналами парафазного генератора. В режиме внешней синхронизации удвоенная рабочая частота может поступать от внешнего формирователя сигналов через усилитель-ограничитель в составе генератора парафазных сигналов.

Схема 9 разрешения обеспечивает формирование посылки радиосигнала рабочей частоты U_f, U_f, на время импульсного сигнала поступающего на вход управления. Схема 9 разрешения может быть выполнена на двух логических схемах "И", обеспечивающих прохождение прямого и инверсного сигналов генератора парафазных сигналов 1 при команде разрешения, которая формируется по сигналу управления в результате синхронизации с сигналом рабочей частоты.

Предварительный усилитель 2 по первому варианту предлагаемого устройства выполняется на транзисторах, включенных в мостовую схему, входы которой соединены с выходом схемы разрешения. При формировании посылки радиосигнала в диапазоне мостовой схемы, подключенной к входному резонансному фильтру 3, формируется симметричное импульсное напряжение U (фиг.5) рабочей частоты амплитудой U₁. При завершении посылки с выходов схемы разрешения поступает напряжение низкого уровня и на выходе мостовой схемы предварительного усилителя 2 фиксируется напряжение, близкое к нулю, чем обеспечивается режим паузы работы ключевого устройства.

Входной резонансный фильтр 3 обеспечивает формирование квазирезонансной траектории изменения импульсного напряжения рабочей частоты на входе трансформатора 4. Входной резонансный фильтр выполняется на LC компонентах, включенных по схеме фильтра нижних частот, причем конденсатор входного фильтра 3 подключается непосредственно к первичной обмотке трансформатора. Значение индуктивности L и емкости С рассчитываются из следующих условий:

Резонансная частота ω_р выбирается в 2…3 раза выше нижней частоты Ω_н рабочего диапазона частот.

Волновое сопротивление ρ определяется из условий обеспечения добротности входного фильтра Q_ф≈3 с учетом сопротивления входных цепей транзисторов оконечного каскада КУМ, приведенного к первичной обмотке трансформатора R_I:

;

Диоды 7, 8 предназначены для рекуперации энергии входного резонансного фильтра 3 в шины сервисного напряжения U₁ при превышении напряжения на первичной обмотке трансформатора номинального уровня. При этом ток дросселя L входного резонансного фильтра замыкается через диоды в соответствующую шину электропитания. В результате резонансная траектория сигнала на входе трансформатора 4 формируется только при фронте и спаде напряжения при фиксировании номинального уровня положительной и отрицательной полуволн.

Трансформатор 4 обеспечивает гальваническую развязку и передачу на входы управления транзисторами полумостовой схемы ключевого усилителя 5 мощности сформированных квазигармонических противофазных сигналов U₁, U₂. Трансформатор 4 содержит одну первичную и две вторичные обмотки, выполненные на едином магнитопроводе (например, кольцевой сердечник на высокочастотном феррите), рассчитанные на диапазон рабочих частот. Обмотки трансформатора должны обеспечивать коммутацию токов включения и выключения полевых транзисторов, амплитуда которых достигает 0,5-1,5 А. Специальным требованием к трансформатору 4 является минимизация индуктивности рассеяния, наличие которой ухудшает квазирезонансную траекторию сигналов, приводит к дополнительным выбросам напряжения, увеличивает время переключения транзисторов, что приводит к ограничению верхнего диапазона рабочих частот.

Ключевой усилитель 5 мощности предназначен для высокоэффективного преобразования энергии силового напряжения электропитания Е в энергию импульсного напряжения рабочей частоты во время формирования радиоимпульса выходного сигнала.

В простейшем случае ключевой усилитель 5 мощности выполняется на полевых транзисторах, включенных в мостовую схему. При управлении ключевыми элементами трапециевидными противофазными сигналами U₁, U₂ (фиг.5) формируется временной интервал τ₃, во время которого транзисторы мостовой схемы находятся в закрытом состоянии, что препятствует протеканию сквозных токов транзистор - транзистор. Во время τ₃ формирование фронта и спада импульсного напряжения U на выходе ключевого усилителя 5 мощности происходит под действием тока I выходного резонансного фильтра 6. В остальное время положительный либо отрицательный уровень выходного напряжения U определяется включенными ключевыми элементами и равен напряжению на шинах силового напряжения электропитания +Е либо -Е.

Выходной резонансный фильтр 6 предназначен для формирования на нагрузке квазигармонического напряжения рабочей частоты, обеспечивающего возбуждение излучающих передающих трактов. Выходной фильтр 6 выполняется на LC компонентах. Для расширенного диапазона рабочих частот может быть рекомендована схема фильтра нижних частот второго порядка с частотой среза Ω_с выше верхней рабочей частоты Ω_с=1,2-1,5 Ω_в при добротности не более 1,5-2.

Такая схема выходного резонансного фильтра может обеспечить диапазон рабочих частот не менее октавы при гармонических искажениях выходного сигнала не более 10%, что допустимо для ряда излучающих трактов специального назначения.

Блоки, входящие в состав второго варианта предлагаемого ключевого устройства (фиг.4), в основном реализуются аналогично блокам первого варианта. Отличие, связанное с параметрами и принципом функционирования трансформатора 4, который в этом случае выполняет функции устройства гальванической развязки, и двух каналов предварительных усилителей 2 и 10, электропитание которых обеспечивается от соответствующих шин гальванически развязанных сервисных напряжений V₁ и V₂.

Трансформатор 4 второго варианта реализации ключевого устройства обеспечивает гальваническую развязку противофазных сигналов управления от выходов схемы 9 разрешения к входам предварительных усилителей 2 и 10.

Гальваническая развязка сигналов обеспечивается на малом энергетическом уровне (ток не более 0,1 А), что позволяет обеспечить расширенный диапазон верхних рабочих частот. При этом в качестве устройства 4 гальванической развязки использован трансформатор, аналогичный первому варианту реализации, но рассчитанный на значительно (более чем в 10 раз) меньшую мощность, что облегчает решение задачи минимизации относительной индуктивности рассеивания.

Повышение частоты переключений согласно второму варианту заявляемого устройства обеспечивается применением двух раздельных предварительных усилителей 2 и 10, гальванически соединенных с входами соответствующих ключевых элементов ключевого усилителя 5 мощности. Электропитание предварительных усилителей 2 и 10 обеспечивается от отдельных гальванически развязанных сервисных напряжений U₁ и U₂.

Предварительные усилители 2 и 10 выполняются на двух транзисторах, включенных в полумостовую схему, обеспечивающих ключевое усиление противофазных сигналов после устройства гальванической развязки и формирующих на входах резонансных фильтров 3 и 13 импульсные напряжения вида U_f, с изменением от -V до +V (где V - напряжение сервисных источников электропитания V₁ и V₂).

Входные резонансные фильтры 3 и 13 совместно с дополнительными диодами 7, 8 и 11, 12 преобразуют импульсные напряжения типа меандр U_f, в сигналы трапециевидной формы с плавным изменением фронта и спада по квазирезонансным траекториям.

Управление противофазными сигналами ключевых элементов КУМ 4 в предлагаемом устройстве второго варианта реализации осуществляется аналогично рассмотренному ранее в устройстве первого варианта.

Работа предлагаемого ключевого устройства первого варианта реализации осуществляется следующим образом.

Противофазные импульсные сигналы V₁, V₂ (фиг.5) рабочей частоты с выводов и парафазного задающего генератора поступают во время посылки через устройство разрешения на входы предварительного усилителя 2. Входной предварительный усилитель 2 совместно с входным резонансным фильтром 3 и дополнительными диодами 7 и 8 формирует на первичной обмотке трансформатора 4 импульсное напряжение с квазирезонансной траекторией формирования фронта и спада, которое передается на противофазно включенные вторичные обмотки в виде сигналов U₁, U₂ (фиг.5) управления транзисторами ключевого усилителя 5 мощности.

При превышении сигналов на входах полевых транзисторов порогов включения U₀ происходит подключение отрицательного либо положительного напряжения к выходу КУМ.

При плавной траектории изменения фронта сигналов управления U₁ и U₂ обеспечивается чередование циклов проводимости транзисторов КУМ 4 интервалом τ₃ (фиг.5), в течение которого транзисторы находятся в закрытом состоянии, чем достигается устранение сквозных токов транзистор-трансформатор.

В результате переключения ключевых элементов ключевого усилителя 5 мощности на выходной шине ключевого устройства формируется трапециевидное выходное напряжение V и через выходной резонансный фильтр 6 передается квазигармоничеекий ток I рабочей частоты (фиг.5).

Реализация в предлагаемом устройстве квазигармонических траекторий формирования фронта и спада при обеспечении номинальной амплитуды сигналов управления ключевыми элементами КУМ 5 позволяет обеспечить улучшенные энергетические характеристики и показатели ЭМС. Использование входного фильтра с рекуперацией энергии в шины сервисного напряжения электропитания позволяет реализовать постоянство амплитуды сигналов управления и исключить потери энергии в предварительном усилителе, что выгодно отличает предлагаемое устройство от устройств аналогов [1] и устройства прототипа [3].

Соответствующий выбор параметров входного резонансного фильтра, реализованного по схеме ФНЧ второго порядка, обеспечивает выполнение условий резонансного переключения при постоянной амплитуде сигналов управления в полосе рабочих частот 1-1,5 октавы, что в 5-10 раз шире, чем в устройстве-прототипе.

Предлагаемое устройство второго варианта реализации обеспечивает преимущества заявленного технического решения при возможности повышения верхнего диапазона рабочих частот до 5-10 МГц. Дополнительное преимущество достигается следующим образом.

В ключевом устройстве второго варианта реализации предварительные усилители 2, 10 совместно с соответствующими входными фильтрами 3, 13 и дополнительными диодами 7, 8 и 11, 12 подключены непосредственно к входам ключевого усилителя 5 мощности. При этом электропитание предварительных усилителей обеспечивается от гальванически развязанных сервисных напряжений V₁ и V₂.

В результате особенностью функционирования ключевого устройства является передача импульсных сигналов рабочей частоты через устройство гальванической развязки пониженной мощности при возможности применения быстродействующих схем оптоэлектронной развязки. Как следствие, в ключевом устройстве обеспечивается возможность повышения частоты переключений при расширенном диапазоне рабочих частот.

Таким образом, в обоих вариантах заявленного ключевого устройства совокупность введенных блоков и связей обеспечивает номинальную амплитуду и квазирезонансные траектории изменения сигналов управления ключевым усилителем мощности в условиях уменьшения потерь энергии и сокращения длительности переходных процессов. В результате улучшаются энергетические характеристики и показатели ЭМС ключевого устройства при расширении полосы рабочих частот. Так при использовании известных ключевых устройств КПД передающих трактов не превышает 90% при полосе рабочих частот 0,2-0,3 октавы при верхней частоте не более 1 МГц. Применение предлагаемого технического решения повышает КПД до 95% при полосе рабочих частот 0,5-1 октавы. В случае применения ключевого устройства второго варианта реализации указанные преимущества достигаются при верхней частоте рабочего диапазона до 5-10 МГц.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании, М.: Связь, 1980. С.207.

2. Сивере М.А. и др. Мощные транзисторные устройства повышенной частоты, М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Патент США №5023566, МКИ Н03F 3/217, H03F 3/20 приоритет от 11.06.1991.