CN117353764A - 一种用于水声通信的大功率级联功放系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统及其控制方法，系统包括：直流电源、调压模块、功率模块、LC滤波器、电声换能器、音频采样及缓存模块、总控制器以及上位机；调压模块的输入端和功率模块的输入端并联后与直流电源的输出端电连接，调压模块的输出端和功率模块的输出端串联后与LC滤波器的输入端电连接，LC滤波器的输出端与电声换能器电连接；总控制器分别与上位机、音频采样及缓存模块、调压模块及功率模块信号连接；调压模块包括第一全桥LLC高频逆变桥、第一高频变压器、第一矩阵变换器、第一模块控制器和输出电压采样电路。本发明能够提高级联功放系统的宽范围调压、功率密度、模块冗余性、可拓展性和整机寿命。

Description

一种用于水声通信的大功率级联功放系统及其控制方法

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，尤其涉及一种用于水声通信的大功率级联功放系统及其控制方法。

背景技术

水声通信发射机是当前海洋开发中核心的装备之一，水声技术可用于水声对抗、水下通讯、对水下目标的探测、定位和跟踪等。水声通信发射机由功率放大器和电声换能器组成，通常电声换能器的功率高达几千瓦至数十千瓦，供电电压要求从几百伏到几千伏不等，因此作为水声通信发射机供电核心的大功率级联功放装备，需要满足对信号源输入信号进行相应的同频高压大功率放大，用以驱动电声换能器输出声呐。

为了能够提高输出电压以及输入输出隔离，传统的方式是在滤波器和负载之间直接加入低频线间变压器，这也带来一系列的问题。首先是低频线间变压器体积大、总量重、成本高和功率密度低，随着功放系统功率容量的增加，变压器体积和重量将随指数上升，导致变压器占据整个功放系统的大部分体积，其次信号源产生的指定音频信号波形存在突然换向的现象，导致变压器一次侧电压波形发生正负半波伏秒积不等，变压器磁心工作区单向饱和，导致励磁电流急剧增大，前端逆变桥功率开关管将承受瞬间大电流，降低了功率开关管的寿命和可靠性。为了解决这一问题，传统方案是简单的将低频线间变压器做得更大，使其整体抗磁饱和能力增大；另一种方式是在变压器原边增加串联一个无极性隔直电容，但由于变压器原边频率较低，为了减小隔直电容压降对输出电压的影响，大功率逆变电源中因为无极性电容耐压和容量的限制，需要大量的电容进行串并联，从而加大了成本、体积和重量，因此这两种方式均将再一次增大功放系统的体积，不利于功放系统集成在空间有限的海底水密舱中，使功放系统的大功率化和模块化设计受限。

相关技术中提供了一种数字功率放大器，该方案将多个功率模块通过组合型变压器将功率模块级联，组合型变压器将所有功率模块的初级绕组和次级绕组集成在一个变压器中，各次级绕组依次首位串联，并且在各次级绕组上并联了一个旁路开关，用于投切功率模块。通过这种拓扑方式用于实现输出升压和模块冗余，这种方式存在较多的不足之处。首先，变压器依然采用的是低频线间变压器，也存在音频信号波形换向时，变压器磁饱和的问题，并且当模块数量增多时，低频线间变压器内的绕组将成模块数量倍数增多，多绕组间互感影响导致输出电压受到输入电压的波动和干扰，变压器的体积也不容忽视，增大了变压器的加工和功放系统小空间布局的难度。其次，各功率模块原边绕组并绕在同一变压器中，由于全桥逆变端没有反阻断电路，当其中一个模块处于待机转态时，易造成功率倒灌，造成输入端直流电源损坏。最后，各次级绕组上并联了一个旁路开关，旁路开关的工作电压需要满足功放系统的最高输出电压，通常级联功放系统的工作电压高达几千伏，传统的交流继电器和双向开关管不能被应用，旁路开关将需要采取多级串联的方式，其体积和控制难度也增大。

另一相关技术，提供了模块化开关功率放大器及其控制方法，该方案为典型的两级式高频隔离逆变电路，在输入直流电源和后级逆变之间加入高频隔离 DC/DC环节，依据负载的需求调节直流侧电压，后级采用二极管钳位三电平输出电路，DC/DC环节使得输入和输出解耦，能够实现前后级单独控制，灵活性较高，但功率传输的拓扑技术多，降低了功放系统的整体效率，且斩波环节的整流滤波电解电容体积大，寿命短，功放系统的整机寿命受限于电解电容，不能适用于深海海底水密舱环境中。

发明内容

本发明实施例提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统及其控制方法，旨在解决现有技术中电压控制调节麻烦，且斩波环节的整流滤波电解电容体积大，寿命短，功放系统的整机寿命受限于电解电容，不能适用于深海海底水密舱环境中等共有问题。

第一方面，本发明实施例提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统，包括：直流电源、调压模块、至少一个功率模块、LC滤波器、电声换能器、音频采样及缓存模块、总控制器以及上位机；所述调压模块的输入端和所述功率模块的输入端并联后与所述直流电源的输出端电连接，所述调压模块的输出端和所述功率模块的输出端串联后与所述LC滤波器的输入端电连接，所述LC滤波器的输出端与所述电声换能器电连接；所述总控制器分别与所述上位机、所述音频采样及缓存模块、所述调压模块及所述功率模块信号连接；所述LC滤波器用于输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压；

所述调压模块包括第一模块控制器，所述功率模块包括第二模块控制器，所述第一模块控制器和所述第二模块控制器分别与所述总控制器通信连接；

所述总控制器用于根据指定输出电压目标有效值、调压模块最大输出电压有效值、单个功率模块固定输出电压有效值和实际级联的功率模块数量，控制投切的功率模块数量，以实现级联功放系统输出电压的宽范围跨门槛调压，从而适应多种电压等级大功率电声换能器。

进一步的，所述调压模块还包括第一全桥LLC高频逆变桥、第一高频变压器、第一矩阵变换器和输出电压采样电路；所述第一全桥LLC高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第一全桥LLC高频逆变桥的输出端连接所述第一高频变压器的初级线圈，所述第一高频变压器的次级线圈连接所述第一矩阵变换器的输入端，所述第一矩阵变换器的输出端分别连接所述LC滤波器的输入端和所述功率模块的输出端；所述第一模块控制器的输入端与所述总控制器信号连接，所述第一模块控制器的输出端分别连接所述第一全桥LLC高频逆变桥、所述第一矩阵变换器及所述输出电压采样电路，所述输出电压采样电路与所述LC滤波器电连接；所述第一模块控制器用于通过变频和变模态混合调压控制的方式控制所述第一全桥LLC高频逆变桥，所述第一模块控制器用于通过变频逆变驱动的方式控制所述第一矩阵变换器。

进一步的，所述LC滤波器包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电感的第一端连接所述第一矩阵变换器，所述滤波电感的第二端分别连接所述滤波电容的第一端和所述电声换能器的输入端；所述滤波电容的第二端分别连接所述输出电压采样电路和所述电声换能器的输入端，所述输出电压采样电路的输出端与所述滤波电容的两端并联。

进一步的，所述第一矩阵变换器包括上桥臂和与所述上桥臂电连接的下桥臂；

所述上桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述下桥臂包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；

所述第一开关管的漏极和所述第三开关管的漏极共同连接至所述第一高频变压器的次级线圈的第一端；所述第一开关管的源极和所述第二开关管的源极连接，所述第三开关管的源极和所述第四开关管的源极连接，所述第五开关管的漏极和所述第二开关管的漏极共同连接至所述滤波电感的第一端，所述第五开关管的源极与所述第六开关管的源极连接，所述第七开关管的漏极与所述第四开关管的漏极连接，所述第七开关管的源极与所述第八开关管的源极连接，所述第六开关管的漏极与所述第八开关管的漏极共同连接至所述第一高频变压器的次级线圈的第二端。

进一步的，所述功率模块还包括第二全桥LLC高频逆变桥、第二高频变压器和第二矩阵变换器；所述第二全桥LLC高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第二全桥LLC高频逆变桥的输出端连接所述第二高频变压器的初级线圈，所述第二高频变压器的次级线圈连接所述第二矩阵变换器的输入端，所述第二矩阵变换器的输出端连接所述LC滤波器的输入端；所述第二全桥LLC高频逆变桥还与第二模块控制器电连接；所述第二模块控制器与第二矩阵变换器电连接；所述第二模块控制器通过定频开环控制方式控制所述第二全桥LLC高频逆变桥，所述第二模块控制器通过变频逆变驱动方式驱动所述第二矩阵变换器。

进一步的，所述第一矩阵变换器和所述第二矩阵变换器均采用单级性SPWM调制，以通过所述直流电源经过所述第一全桥LLC高频逆变桥和所述第一高频变压器，或所述第二全桥LLC高频逆变桥和所述第二高频变压器组成的高频环节形成的高频交流脉冲方波，根据所述音频采样及缓存模块采集的音频信号解调成单极性SPWM波，最后经所述LC滤波器输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压。

进一步的，所述第二全桥LLC高频逆变桥的驱动信号占比为50%，驱动频率为固定LLC谐振频率，且所述第二全桥LLC高频逆变桥始终工作在最高效率点，且输出电压增益固定，实现每个功率模块输出固定且相同的有效值电压，有效值电压是调压模块所能输出电压的最大值；

其中，固定LLC谐振频率f _s满足以下公式：

；

其中，f _s为固定LLC谐振频率，即LLC谐振腔的谐振频率，L_r2为谐振电感的值，L_m2为励磁电感的值，C_r2为谐振电容的值。

第二方面，本发明实施例提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法，应用于所述用于水声通信的大功率级联功放系统，所述控制方法包括以下步骤：

步骤S1：通过总控制器、第一模块控制器和第二模块控制器上电初始化，采样及缓存音频信号，并根据实际音频放大电压需求，通过上位机设置指定的级联功放系统输出电压目标有效值；

步骤S2：所述总控制器分别向第一模块控制器和第二模块控制器下发采样及缓存音频信号；

步骤S3：总控制器实施自适应投入功率模块跨门槛调压方法，计算功率模块最小门槛数量N和所述功率模块串联叠加输出电压值；

步骤S4：根据计算的功率模块最小门槛数量N与实际功率模块数量n，计算待机功率模块数量Y=(n-N)；若Y=0，则跳过步骤S5仅执行步骤S6；若Y≥1，则执行步骤S5；

步骤S5：若Y≥1，则总控制器随机选择Y个功率模块，对应模块控制器下发功率模块投入串联待机指令，向N个功率模块的模块控制器下发对应功率模块投入串联输出功率状态的指令；

步骤S6：若Y=0，则总控制器向n个功率模块的第二模块控制器下发对应功率模块投入串联输出功率状态的指令；

步骤S7：总控制器根据上位机设置指定输出电压目标有效值和各功率模块串联叠加输出电压值，向调压模块的第一模块控制器下发基于变频变模态混合调压控制方法指令；

步骤S8：根据所述步骤S5或步骤S6，接收了投入串联输出功率状态的指令的第二模块控制器对所连接的第二矩阵变换器根据音频信号实施单极性SPWM调制，所述调压模块的第一模块控制器对所连接的第一矩阵变换器根据音频信号实施单极性SPWM调制；

步骤S9：总控制器向接收了投入串联输出功率状态的指令的第二模块控制器和所述调压模块的第一模块控制器，下发同步触发信号，确保第一矩阵变换器和第二矩阵变换器输出的交流正弦电压同频同相；

步骤S10：音频信号功率放大输出完毕，返回所述步骤S1。

进一步的，控制方法采用了脉冲宽度调制和变频调制控制，并结合全桥和半桥的拓扑结构转换；控制模式取决于所述总控制器向所述调压模块的第一模块控制器下发的具体调压值，根据具体调压值所处电压范围分为以下三种具体控制模式：

；

其中，（1）为全桥变频模式，（2）为半桥变频模式，（3）为半桥脉宽调制模式；

V _m 为所述调压模块的第一全桥LLC高频逆变桥输出电压方波的峰值，为交流输出有效值。

本发明所达到的有益效果：本发明提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统，本发明总体上采用了单级调压逆变结构，无需斩波环节，本发明能够调整到合适的电压等级并变换到需要的输出电压，该结构能够提高级联功放系统的功率密度、可拓展性和整机寿命；进一步的，所述总控制器用于根据指定输出电压目标有效值、调压模块最大输出电压有效值、单个功率模块固定输出电压有效值和实际级联的功率模块数量，控制投切的功率模块数量，以实现级联功放系统输出电压的宽范围跨门槛调压，从而适应多种电压等级大功率电声换能器，能够有效减小级联功放系统的体积，适用于空间受限的海底水密舱，通过第一模块控制器和第二模块控制器实施不同的控制策略，因此模块冗余性和可拓展性高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于水声通信的大功率级联功放系统的模块图；

图2是本发明实施例提供的调压模块和功率模块的内部拓扑电路结构图；

图3为本发明实施例提供的第二矩阵变换器对于高频交流脉冲方波的单极性SPWM调制；

图4为本发明实施例提供的基于变频变模态混合调压控制方法的不点电压增益区域图；

图5为本发明实施例提供的一种用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法流程图；

图6为本发明实施例提供的自适应投入功率模块跨门槛调压方法的电路实施图。

其中，100、用于水声通信的大功率级联功放系统；1、直流电源；2、调压模块；21、第一全桥LLC高频逆变桥；22、第一模块控制器；23、第一矩阵变换器；24、输出电压采样电路；3、功率模块；31、第二全桥LLC高频逆变桥；32、第二模块控制器；33、第二矩阵变换器；4、LC滤波器；5、电声换能器；6、音频采样及缓存模块；7、总控制器；8、上位机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术方案中，存在电压控制调节麻烦，功放系统效率低，且斩波环节的整流滤波电解电容体积大，寿命短，功放系统的整机寿命受限于电解电容，不能适用于深海海底水密舱环境中等共有问题。

而本发明是通过将所述调压模块2的输入端和所述功率模块3的输入端并联后与所述直流电源1的输出端电连接，所述调压模块2的输出端和所述功率模块3的输出端串联后与所述LC滤波器4的输入端电连接，所述LC滤波器4的输出端与所述电声换能器5电连接；所述总控制器7分别与所述上位机8、所述音频采样及缓存模块6、所述调压模块2及所述功率模块3信号连接。从而本发明使得电压控制调节简单、功放系统效率高、电解电容体积小、寿命长、适用范围广。

参见图1-图4所示，图1是本发明实施例提供的一种用于水声通信的大功率级联功放系统的模块图；图2是本发明实施例提供的调压模块和功率模块的内部拓扑电路结构图；图3为本发明实施例提供的第二矩阵变换器对于高频交流脉冲方波的单极性SPWM调制（图3中，Us为音频信号调制波，Uc为三角载波，SPMW1和SPWM2为利用三角载波和音频信号调制波进行比较交叠后产生两路互补的波形）；图4为本发明实施例提供的基于变频变模态混合调压控制方法的不点电压增益区域图。

本发明提供了一种用于水声通信的大功率级联功放系统100，包括：直流电源1、调压模块2、至少一个功率模块3、LC滤波器4、电声换能器5、音频采样及缓存模块6、总控制器7以及上位机8；所述调压模块2的输入端和所述功率模块3的输入端并联后与所述直流电源1的输出端电连接，所述调压模块2的输出端和所述功率模块3的输出端串联后与所述LC滤波器4的输入端电连接，所述LC滤波器4的输出端与所述电声换能器5电连接；所述总控制器7分别与所述上位机8、所述音频采样及缓存模块6、所述调压模块2及所述功率模块3信号连接；所述LC滤波器4用于输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压。通过直流电源1分别为调压模块2和功率模块3进行供电，音频采样及缓存模块6采集音频信号，通过总控制器7将音频信号分别发送至调压模块2和功率模块3，通过调压模块2进行相应的电压调节，通过功率模块3将音频信号进行放大处理，并输出放大及稳定的音频信号至LC滤波器4，通过LC滤波器4进行滤波处理输出至电声换能器5上，实现音频输出。

所述调压模块2包括第一模块控制器22，所述功率模块3包括第二模块控制器32，所述第一模块控制器22和所述第二模块控制器32分别与所述总控制器7通信连接；

所述总控制器7用于根据指定输出电压目标有效值、调压模块2最大输出电压有效值、单个功率模块3固定输出电压有效值和实际级联的功率模块3数量，控制投切的功率模块3数量，以实现级联功放系统输出电压的宽范围跨门槛调压，从而适应多种电压等级大功率电声换能器。

本发明所达到的有益效果：本发明提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统，本发明总体上采用了单级调压逆变结构，无需斩波环节，本发明能够调整到合适的电压等级并变换到需要的输出电压，该结构能够提高级联功放系统的功率密度、可拓展性和整机寿命；进一步的，所述总控制器7用于根据指定输出电压目标有效值、调压模块2最大输出电压有效值、单个功率模块3固定输出电压有效值和实际级联的功率模块3数量，控制投切的功率模块3数量，以实现级联功放系统输出电压的宽范围跨门槛调压，从而适应多种电压等级大功率电声换能器，能够有效减小级联功放系统的体积，适用于空间受限的海底水密舱，通过第一模块控制器22和第二模块控制器32实施不同的控制策略，因此模块冗余性和可拓展性高。

本发明中，至少一个功率模块3以第一功率模块至第n功率模块表示（n≥1）。

所述调压模块2还包括第一全桥LLC高频逆变桥21、第一高频变压器T1、第一矩阵变换器23和输出电压采样电路24；所述第一全桥LLC高频逆变桥21的输入端连接所述直流电源1，所述第一全桥LLC高频逆变桥21的输出端连接所述第一高频变压器T1的初级线圈，所述第一高频变压器T1的次级线圈连接所述第一矩阵变换器23的输入端，所述第一矩阵变换器23的输出端分别连接所述LC滤波器4的输入端和所述功率模块3的输出端；所述第一模块控制器22的输入端与所述总控制器7信号连接，所述第一模块控制器22的输出端分别连接所述第一全桥LLC高频逆变桥21、所述第一矩阵变换器23及所述输出电压采样电路24，所述输出电压采样电路24与所述LC滤波器4电连接；所述第一模块控制器22用于通过变频和变模态混合调压控制的方式控制所述第一全桥LLC高频逆变桥21，所述第一模块控制器22用于通过变频逆变驱动的方式控制所述第一矩阵变换器23。

更具体地，所述LC滤波器4包括滤波电感L_f和滤波电容C_f；所述滤波电感L_f的第一端连接所述第一矩阵变换器23，所述滤波电感L_f的第二端分别连接所述滤波电容C_f的第一端和所述电声换能器5的输入端；所述滤波电容C_f的第二端分别连接所述输出电压采样电路24和所述电声换能器5的输入端，所述输出电压采样电路24的输出端与所述滤波电容C_f的两端并联。

更具体地，所述第一矩阵变换器23包括上桥臂和与所述上桥臂电连接的下桥臂；所述上桥臂包括第一开关管Q_U1、第二开关管Q_L1、第三开关管Q_U2和第四开关管Q_L2；所述下桥臂包括第五开关管Q_U3、第六开关管Q_L3、第七开关管Q_U4和第八开关管Q_L4。

所述第一开关管Q_U1的漏极和所述第三开关管Q_U2的漏极共同连接至所述第一高频变压器T1的次级线圈的第一端；所述第一开关管Q_U1的源极和所述第二开关管Q_L1的源极连接，所述第三开关管Q_U2的源极和所述第四开关管Q_L2的源极连接，所述第五开关管Q_U3的漏极和所述第二开关管Q_L1的漏极共同连接至所述滤波电感L_f的第一端，所述第五开关管Q_U3的源极与所述第六开关管Q_L3的源极连接，所述第七开关管Q_U4的漏极与所述第四开关管Q_L2的漏极连接，所述第七开关管Q_U4的源极与所述第八开关管Q_L4的源极连接，所述第六开关管Q_L3的漏极与所述第八开关管Q_L4的漏极共同连接至所述第一高频变压器T1的次级线圈的第二端。

具体的，所述第一矩阵变换器23包括四组由两个功率开关管背靠背构成的双向开关管（Q_Ux、Q_Lx）组成，x=1,2,3,4，其中两组背靠背双向开关管(Q_U1、和Q_L1为一组，Q_U2和Q_L2为另一组)为第一矩阵变换器23的上桥臂，两组背靠背双向开关管（Q_U3和Q_L3为一组，Q_U4和Q_L4为另一组）为第一矩阵变换器23的下桥臂；所述第一矩阵变换器23通过变频逆变驱动将高频方波信号转换为低频信号输出。

更具体地，所述功率模块3包括n个，其中，n为正整数，且n大于或等于1，当功率模块3的数量超过1个时，n个所述功率模块3串联。n个所述功率模块3，通过自适应投入功率模块3跨门槛调压方法，用于各个功率模块3串联模式下，投切相应串联功率模块3数量实现级联功放系统输出电压的宽范围跨门槛调压，以适应多种电压等级大功率电声换能器。

优选的，所述第一全桥LLC高频逆变桥21通过使用基于变频变模态混合调压控制方法，实现调压模块2小功率窄范围精细调压输出，输出电压范围为0~V_{out_1}。

更具体地，所述功率模块3还包括第二全桥LLC高频逆变桥31、第二高频变压器T2和第二矩阵变换器33；所述第二全桥LLC高频逆变桥31的输入端连接所述直流电源1，所述第二全桥LLC高频逆变桥31的输出端连接所述第二高频变压器T2的初级线圈，所述第二高频变压器T2的次级线圈连接所述第二矩阵变换器33的输入端，所述第二矩阵变换器33的输出端连接所述LC滤波器4的输入端；所述第二模块控制器32通过定频开环控制方式控制所述第二全桥LLC高频逆变桥31，所述第二模块控制器32通过变频逆变驱动方式驱动所述第二矩阵变换器33。

具体的，本发明总体上采用了单级调压逆变结构，能够有效减小级联功放系统的体积，适用于空间受限的海底水密舱，且级联功放系统中的调压模块2和功率模块3在内部结构上完全一致，仅通过第一模块控制器22和第二模块控制器32实施不同的控制策略，因此模块冗余性和可拓展性高；功率模块3的高频逆变桥采用的为基于LLC谐振频率点的开环定频模式，控制简单，能够提高功放级联系统效率和抑制音频信号波形换向导致的变压器偏磁。调压模块2的第一全桥LLC高频逆变桥21采用的为基于变频变模态混合调压控制方法，根据实际需求调节高频逆变桥电压，进行小范围的调压稳压输出。第二矩阵变换器33不仅可用于变频逆变解调，另外利用第二矩阵变换器33内部4组背靠背双向开关管对交流电的阻断性，在自适应投入功率模块3跨门槛调压方法控制下，对应功率模块3投入或切出串联待机状态，实现级联功放系统宽范围跨门槛调压，以此适应多种电压等级的大功率电声换能器5。

其中，由于所述功率模块3包括n个，n个所述功率模块3串联，因此，第二全桥LLC高频逆变桥31、第二高频变压器T2、第二矩阵变换器33、第二模块控制器32也均包括n个。

所述第二全桥LLC高频逆变桥31一端通过第二高频变压器T2与第二矩阵变换器33电连接，所述第二全桥LLC高频逆变桥31另一端与第二模块控制器32电连接；所述第二模块控制器32还与第二矩阵变换器33电连接；多个所述功率模块3内部完全一致；所述调压模块2的内部结构与功率模块3内部结构完全一致；第二矩阵变换器33一方面通过变频逆变驱动将用于高频方波信号转换为低频信号输出，另一方面通过上桥臂或下桥臂的保持导通和下桥臂或上桥臂保持关断用于对应功率模块3投入串联待机状态。

更具体地，所述第一矩阵变换器23和所述第二矩阵变换器33均采用单级性SPWM调制，以通过所述直流电源1经过所述第一全桥LLC高频逆变桥21和所述第一高频变压器T1，或所述第二全桥LLC高频逆变桥31和所述第二高频变压器T2组成的高频环节形成的高频交流脉冲方波，根据所述音频采样及缓存模块6采集的音频信号解调成单极性SPWM波，最后经所述LC滤波器4输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压。

更具体地，所述第二全桥LLC高频逆变桥31的驱动信号占比为50%，驱动频率为固定LLC谐振频率，且所述第二全桥LLC高频逆变桥31始终工作在最高效率点，且输出电压增益固定，实现每个功率模块3输出固定且相同的有效值电压，有效值电压是调压模块2所能输出电压的最大值；各个功率模块3输出固定且相同的有效值电压为V_{out_bx}，(x=1,……,n)，即V_{out_b1}=V_{out_b2}=……=V_{out_bn}=V_{out_1max}；其中，V_{out_1max}是调压模块2所能输出电压的最大值。

其中，固定LLC谐振频率f _s满足以下公式：

；

其中，f _s为固定LLC谐振频率，即LLC谐振腔的谐振频率，L_r2为谐振电感的值，L_m2为励磁电感的值，C_r2为谐振电容的值。

优选的，多个所述功率模块3内部完全一致；所述调压模块2的内部结构与功率模块3内部结构完全一致；具体的，第一全桥LLC高频逆变桥21中全桥拓扑由4个功率开关管(K1,K2,K3,K4)构成，第二全桥LLC高频逆变桥31中全桥拓扑由4个功率开关管(K5,K6,K7,K8)构成，调压模块2中LLC谐振腔由(L_r1,L_m1,C_r1)构成，功率模块3中LLC谐振腔由(L_r2,L_m2,C_r2)构成，且存在L_r1=L_r2、L_m1=L_m2和C_r1=C_r2。

参见图4-图6所示，图4为本发明实施例提供的基于变频变模态混合调压控制方法的不点电压增益区域图；图5为本发明实施例提供的一种用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法流程图；图6为本发明实施例提供的自适应投入功率模块跨门槛调压方法的电路实施图。

本发明实施例还提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法，应用于所述用于水声通信的大功率级联功放系统，所述控制方法包括以下步骤：

步骤S1：通过总控制器7、第一模块控制器22和第二模块控制器32上电初始化，采样及缓存音频信号，并根据实际音频放大电压需求，通过上位机8设置指定的级联功放系统输出电压目标有效值V_out；此处假定输出电压目标有效值V_out=400VAC。

步骤S2：所述总控制器7分别向第一模块控制器22和第二模块控制器32下发采样及缓存音频信号；

步骤S3：总控制器7实施自适应投入功率模块3跨门槛调压方法，计算功率模块3最小门槛数量N和所述功率模块3串联叠加输出电压值。

具体的，总控制器7实施自适应投入功率模块3跨门槛调压方法，依据指定输出电压目标有效值V_out、调压模块2最大输出电压有效值V_{out_1max}、单个功率模块3固定输出电压有效值V_{out_bx}和实际级联功放系统中的n个功率模块3数量(n≥1)，计算投入用于输出功率的功率模块3最小门槛数量N(0≤N≤n)，即同时满足以下条件：且。

步骤S4：根据计算的功率模块3最小门槛数量N与实际功率模块3数量n，计算待机功率模块3数量Y=(n-N)；若Y=0，则跳过步骤S5仅执行步骤S6；若Y≥1，则执行步骤S5。

步骤S5：若Y≥1，则总控制器7随机选择Y个功率模块3，对应模块控制器下发功率模块3投入串联待机指令，向N个功率模块3的模块控制器下发对应功率模块3投入串联输出功率状态的指令。

请参照图6，在一具体实施例中，系统包括2个功率模块3，即第一功率模块和第二功率模块。总控制器7在2个功率模块3中随机选择1个功率模块3，对应第二模块控制器32下发功率模块3投入串联待机指令，控制第二矩阵变换器33的上或下桥臂保持导通和下或上桥臂保持关断用于对应功率模块3投入串联待机状态，例如，若选择了第二功率模块作为待机模块，第二功率模块中的第二矩阵变换器33中的功率开关管Q_U5、Q_L5、Q_U6、Q_L6保持持续关断，Q_U7、Q_L7、Q_U8、Q_L8保持持续开通。总控制器7向剩余1个功率模块3（第一功率模块）的第二模块控制器32下发对应功率模块3投入串联输出功率状态的指令，该指令包括对对应功率模块3的全桥LLC高频逆变桥实施功率模块3定频开环控制。

步骤S6：若Y=0，则总控制器7向n个功率模块3的第二模块控制器32下发对应功率模块3投入串联输出功率状态的指令。

步骤S7：总控制器7根据上位机8设置指定输出电压目标有效值和各功率模块3串联叠加输出电压值，向调压模块2的第一模块控制器22下发基于变频变模态混合调压控制方法指令。

具体的，总控制器7根据上位机8设置指定输出电压目标有效值V_out和各功率模块3串联叠加输出电压值，向第一模块控制器22下发基于变频变模态混合调压控制方法指令，调压值/>，并通过输出电压采样电路24实时检测级联功放系统的输出电压；

根据步骤7，计算得到调压值V_{out_1}=100VAC，第一全桥LLC高频逆变桥输出电压方波峰值满足，此时第一全桥LLC高频逆变桥工作在半桥变频(HB-PFM)模式下。

步骤S8：根据所述步骤S5或步骤S6，接收了投入串联输出功率状态的指令的第二模块控制器32对所连接的第二矩阵变换器33根据音频信号实施单极性SPWM调制，所述调压模块2的第一模块控制器22对所连接的第一矩阵变换器23根据音频信号实施单极性SPWM调制；

步骤S9：总控制器7向接收了投入串联输出功率状态的指令的第二模块控制器32和所述调压模块2的第一模块控制器22，下发同步触发信号，确保第一矩阵变换器23和第二矩阵变换器33输出的交流正弦电压同频同相；

步骤S10：音频信号功率放大输出完毕，返回所述步骤S1。

进一步的，控制方法采用了脉冲宽度调制（PWM）和变频调制控制（PFM），并结合全桥(FB)和半桥(HB)的拓扑结构转换；具体控制模式取决于所述总控制器7向所述调压模块2的第一模块控制器22下发的具体调压值，根据具体调压值所处电压范围分为以下三种具体控制模式：

；

其中，（1）为全桥变频模式（FB-PFM），（2）为半桥变频模式（HB-PFM），（3）为半桥脉宽调制模式（FB-PWM）；

V _m 为所述调压模块2的第一全桥LLC高频逆变桥21输出电压方波的峰值，为交流输出有效值，因此V _m 的最大电压应该满足/>。

具体的，根据图4中的(a)图、(b)图和(c)图所示，第一全桥LLC高频逆变桥21在不同工作模式下输出电压增益范围不同，(FB-PFM)和(HB-PFM)模式可调频率f _r 的变化范围均为(0.5f _c ~f _c )，f _c 为LLC谐振腔的谐振频率f _s的归一化频率。全桥变频模式(FB-PFM)下，输出电压增益为G _con =0.5~1，半桥变频模式(HB-PFM)下，输出电压增益为G _con =0.25~0.5，半桥脉宽调制模式下，其输出电压增益为G _con =0~0.25，因此根据调压模块2所需输出电压V_{out_1}所处公式中V_m的三个范围，即可对第一全桥LLC高频逆变桥21实施不同模式的控制方法。

结合图5和图6举例一个具体实施例，假定直流电源1的输出电压为420V，各变压器（第一高频变压器T1和各个第二高频变压器T2）的匝比为1:1，功率模块3的数量为2，则可以得到表1中相关数据：

表1 调压模块和功率模块内部各输出电压情况

	调压模块	功率模块
			第一全桥LLC高频逆变桥输出电压方波峰值Vm	0~420V	\
各第二全桥LLC高频逆变桥输出电压方波峰值Vm	\	420V
			第一矩阵变换器输出电压	0~300VAC	\
各第二矩阵变换器输出电压	\	300VAC

以上整个过程完成了级联功放系统对音频信号进行400VAC电压的放大，同理可得，若级联功放系统的输出电压为0~300VAC，那么图6的电路结构中，第一功率模块和第二功率模块均待机，即：第一功率模块中的Q_U5、Q_L5、Q_U6、Q_L6保持持续关断，Q_U7、Q_L7、Q_U8、Q_L8保持持续开通，第二功率模块中的Q_U5、Q_L5、Q_U6、Q_L6保持持续关断，Q_U7、Q_L7、Q_U8、Q_L8保持持续开通；若级联功放系统的输出电压为600~900VAC，那么电路结构图为图6所示，第一功率模块和第二功率模块均投入使用，即：第一功率模块中的Q_U5、Q_L5、Q_U6、Q_L6、Q_U7、Q_L7、Q_U8、Q_L8均保持持续开通，第二功率模块中的Q_U5、Q_L5、Q_U6、Q_L6、Q_U7、Q_L7、Q_U8、Q_L8均保持持续开通。以上仅展示一个调压模块2和两个功率模块3的输出情况，若需要更高电压，则只需要通过增加额外的功率模块即可。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明的说明书和权利要求书或附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，包括：直流电源、调压模块、至少一个功率模块、LC滤波器、电声换能器、音频采样及缓存模块、总控制器以及上位机；所述调压模块的输入端和所述功率模块的输入端并联后与所述直流电源的输出端电连接，所述调压模块的输出端和所述功率模块的输出端串联后与所述LC滤波器的输入端电连接，所述LC滤波器的输出端与所述电声换能器电连接；所述总控制器分别与所述上位机、所述音频采样及缓存模块、所述调压模块及所述功率模块信号连接；所述LC滤波器用于输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压；

所述调压模块包括第一模块控制器，所述功率模块包括第二模块控制器，所述第一模块控制器和所述第二模块控制器分别与所述总控制器通信连接；

所述总控制器用于根据指定输出电压目标有效值、调压模块最大输出电压有效值、单个功率模块固定输出电压有效值和实际级联的功率模块数量，控制投切的功率模块数量，以实现级联功放系统输出电压的宽范围跨门槛调压，从而适应多种电压等级大功率电声换能器。

2.如权利要求1所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述调压模块还包括第一全桥LLC高频逆变桥、第一高频变压器、第一矩阵变换器和输出电压采样电路；所述第一全桥LLC高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第一全桥LLC高频逆变桥的输出端连接所述第一高频变压器的初级线圈，所述第一高频变压器的次级线圈连接所述第一矩阵变换器的输入端，所述第一矩阵变换器的输出端分别连接所述LC滤波器的输入端和所述功率模块的输出端；所述第一模块控制器的输入端与所述总控制器信号连接，所述第一模块控制器的输出端分别连接所述第一全桥LLC高频逆变桥、所述第一矩阵变换器及所述输出电压采样电路，所述输出电压采样电路与所述LC滤波器电连接；所述第一模块控制器用于通过变频和变模态混合调压控制的方式控制所述第一全桥LLC高频逆变桥，所述第一模块控制器用于通过变频逆变驱动的方式控制所述第一矩阵变换器。

3.如权利要求2所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述LC滤波器包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电感的第一端连接所述第一矩阵变换器，所述滤波电感的第二端分别连接所述滤波电容的第一端和所述电声换能器的输入端；所述滤波电容的第二端分别连接所述输出电压采样电路和所述电声换能器的输入端，所述输出电压采样电路的输出端与所述滤波电容的两端并联。

4.如权利要求3所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述第一矩阵变换器包括上桥臂和与所述上桥臂电连接的下桥臂；

所述上桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述下桥臂包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；

所述第一开关管的漏极和所述第三开关管的漏极共同连接至所述第一高频变压器的次级线圈的第一端；所述第一开关管的源极和所述第二开关管的源极连接，所述第三开关管的源极和所述第四开关管的源极连接，所述第五开关管的漏极和所述第二开关管的漏极共同连接至所述滤波电感的第一端，所述第五开关管的源极与所述第六开关管的源极连接，所述第七开关管的漏极与所述第四开关管的漏极连接，所述第七开关管的源极与所述第八开关管的源极连接，所述第六开关管的漏极与所述第八开关管的漏极共同连接至所述第一高频变压器的次级线圈的第二端。

5.如权利要求2所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述功率模块还包括第二全桥LLC高频逆变桥、第二高频变压器和第二矩阵变换器；所述第二全桥LLC高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第二全桥LLC高频逆变桥的输出端连接所述第二高频变压器的初级线圈，所述第二高频变压器的次级线圈连接所述第二矩阵变换器的输入端，所述第二矩阵变换器的输出端连接所述LC滤波器的输入端；所述第二全桥LLC高频逆变桥还与第二模块控制器电连接；所述第二模块控制器与第二矩阵变换器电连接；所述第二模块控制器通过定频开环控制方式控制所述第二全桥LLC高频逆变桥，所述第二模块控制器通过变频逆变驱动方式驱动所述第二矩阵变换器。

6.如权利要求5所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述第一矩阵变换器和所述第二矩阵变换器均采用单级性SPWM调制，以通过所述直流电源经过所述第一全桥LLC高频逆变桥和所述第一高频变压器，或所述第二全桥LLC高频逆变桥和所述第二高频变压器组成的高频环节形成的高频交流脉冲方波，根据所述音频采样及缓存模块采集的音频信号解调成单极性SPWM波，最后经所述LC滤波器输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压。

7.如权利要求5所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述第二全桥LLC高频逆变桥的驱动信号占比为50%，驱动频率为固定LLC谐振频率，且所述第二全桥LLC高频逆变桥始终工作在最高效率点，且输出电压增益固定，实现每个功率模块输出固定且相同的有效值电压，有效值电压是调压模块所能输出电压的最大值；

其中，固定LLC谐振频率f _s满足以下公式：

；

其中，f _s为固定LLC谐振频率，即LLC谐振腔的谐振频率，L_r2为谐振电感的值，L_m2为励磁电感的值，C_r2为谐振电容的值。

8.一种用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至7中任一项所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，所述控制方法包括以下步骤：

步骤S1：通过总控制器、第一模块控制器和第二模块控制器上电初始化，采样及缓存音频信号，并根据实际音频放大电压需求，通过上位机设置指定的级联功放系统输出电压目标有效值；

步骤S2：所述总控制器分别向第一模块控制器和第二模块控制器下发采样及缓存音频信号；

步骤S3：总控制器实施自适应投入功率模块跨门槛调压方法，计算功率模块最小门槛数量N和所述功率模块串联叠加输出电压值；

步骤S4：根据计算的功率模块最小门槛数量N与实际功率模块数量n，计算待机功率模块数量Y=(n-N)；若Y=0，则跳过步骤S5仅执行步骤S6；若Y≥1，则执行步骤S5；

步骤S5：若Y≥1，则总控制器随机选择Y个功率模块，对应模块控制器下发功率模块投入串联待机指令，向N个功率模块的模块控制器下发对应功率模块投入串联输出功率状态的指令；

步骤S6：若Y=0，则总控制器向n个功率模块的第二模块控制器下发对应功率模块投入串联输出功率状态的指令；

步骤S7：总控制器根据上位机设置指定输出电压目标有效值和各功率模块串联叠加输出电压值，向调压模块的第一模块控制器下发基于变频变模态混合调压控制方法指令；

步骤S8：根据所述步骤S5或步骤S6，接收了投入串联输出功率状态的指令的第二模块控制器对所连接的第二矩阵变换器根据音频信号实施单极性SPWM调制，所述调压模块的第一模块控制器对所连接的第一矩阵变换器根据音频信号实施单极性SPWM调制；

步骤S9：总控制器向接收了投入串联输出功率状态的指令的第二模块控制器和所述调压模块的第一模块控制器，下发同步触发信号，确保第一矩阵变换器和第二矩阵变换器输出的交流正弦电压同频同相；

步骤S10：音频信号功率放大输出完毕，返回所述步骤S1。

9.如权利要求8所述的用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法，其特征在于，控制方法采用了脉冲宽度调制和变频调制控制，并结合全桥和半桥的拓扑结构转换；控制模式取决于所述总控制器向所述调压模块的第一模块控制器下发的具体调压值，根据具体调压值所处电压范围分为以下三种具体控制模式：

；

其中，（1）为全桥变频模式，（2）为半桥变频模式，（3）为半桥脉宽调制模式；

V _m 为所述调压模块的第一全桥LLC高频逆变桥输出电压方波的峰值，为交流输出有效值。