CN205883171U - 一种甚低频液冷固态发射机的功率放大系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种甚低频液冷固态发射机的功率放大系统，包括数字阶梯波发生器，数字阶梯波发生器输出端设有数字分配器，数字分配器分别连接有若干个功率放大器，功率放大器分别连接有功率合成变压器；功率放大器为D类放大器，采用移相全桥控制，包括四支功率开关管，呈H桥型设置，同一桥臂上的两支功率开关管相位相反；四支功率开关管，不同时开通或关断，开通或关断时间受控；功率合成变压器输出侧线圈依次串联，构成功率合成电路。本实用新型可以减小开关损耗及承受的尖峰电压、电流，防止发生短路烧毁器件，无需调谐元件，方便装拆，利于使用维护，功率输出变压器使用超微晶可以增强整机抗雷电、短路、过载等瞬间冲击能力。

Description

一种甚低频液冷固态发射机的功率放大系统

技术领域

本实用新型涉及功率放大系统，尤其涉及一种甚低频液冷固态发射机的功率放大系统。

背景技术

现有的甚低频固态发射机功率放大器大多采用D类“H”桥式电路，栅极驱动信号为双极性硬开关控制方式，功率开关器件在开关瞬间承受大的电流应力和电压应力，其开通和关断过程损耗较大，高频时尤为显著。功率开关器件采用MOSFET或IGBT，MOSFET通态电阻较大，通态损耗较大，IGBT存在拖尾电流，频率特性差，开关损耗大。现有功率放大器效率仅为92％。

功率输出变压器磁芯采用锰锌铁氧体，该材料虽然高频损耗较低，但因其饱和磁感应值(Bs)较低，大功率条件下会使磁环的体积和重量比较大，成品率低。此外，铁氧体的居里温度较低，热稳定性差。

功率合成方式为将若干个功率放大器输出进行同相位幅度叠加，合成后输出波形为方波，谐波分量大，对滤波电路压力大，整机谐波指标≤-45dB。

功率合成电路可以采用直接串联、直接并联、变压器串联合成三种方 式，该发射机采用变压器串联合成方式，该方式无需调谐元件，方便装拆，利于使用维护。其它两种功率合成电路直接将功放单元输出进行串、并联合成，虽然可以将效率提高1％，节约一定经费，但存在极大风险。其风险主要有以下几点：

a)功放单元之间没有隔离，会产生相互影响，功放单元易受干扰，稳定性较低。而通过变压器，可以实现功放单元的相互隔离；

b)功放单元与负载电路没有隔离，负载回路的参数变化直接反射到功放单元，对功放单元影响较大，降低了功放单元可靠性。而通过变压器，可以实现功放单元与负载回路的相互隔离，且由于变压器次级电感量很大，可以保证电流不能突变，提高了功放单元的瞬间抗雷电流能力。

c)多个功放单元直接串联合成，总输出阻抗非常高，与假负载阻抗差值相差较大，导致匹配电路Q值过高，失谐时功率损失大；同时对匹配电路中电容器、电感线圈、炮弹开关的耐压设计提出了很高的要求，工程实现难度大，费用高，且在实际工作中极易打火，故障直接反射回功放单元，烧毁功放单元。而通过变压器，可以进行阻抗变换，减轻了匹配电路的压力，保证了功放单元的安全。

d)多个功放单元直接并联合成，首先需严格保证各功放单元输出信号的相位一定，幅度相同，否则合成后谐波分量大，严重时会造成合成后无功率输出。其次，数量众多的功放单元存在一定差异性，会带来不平衡，产生倒灌，即使增加均流措施效果也不理想。直接并联合成只适用于直流信号并联，不适用于甚低频信号。

实用新型内容

本实用新型的目的是为甚低频液冷固态发射机提供一种安全、耐用的功率放大系统。

为实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案是：一种甚低频液冷固态发射机的功率放大系统，包括数字阶梯波发生器，数字阶梯波发生器将模拟射频激励信号转化成按一定时序排列的开关信号，数字阶梯波发生器输出端设有至少1个数字分配器，数字分配器分别连接有若干个功率放大器，功率放大器分别连接有功率合成变压器；

所述功率放大器为D类放大器，电路方式采用移相全桥控制，包括四支功率开关管，四支功率开关管呈H桥型设置，同一桥臂上的两支功率开关管相位相反，根据场效应管参数留有死区时间；

所述四支功率开关管，分别不同时开通或关断，开通或关断时间受控；对角线设置的两支开关管都导通，功放单元才有输出功率，每支功率开关管导通时间为半个周期；

所述功率开关管分别设有数字驱动保护单元；

所述功率合成变压器包括输入侧线圈、输出侧线圈、磁芯，所述功率放大器连接在输入侧线圈，功率合成变压器输出侧线圈依次串联，构成功率合成电路，输出侧线圈的一端连接地线，另一端为功率放大系统的输出端；

所述功率合成变压器的磁芯采用超微晶材料。

本实用新型的有益效果是：

1.功放单元采用移相全桥控制，使功率开关管不同时开通或关断，并通过控制每只功率开关管的开通或关断时间，减小开关损耗及管子承受的尖峰电压、电流，防止上下管直通，发生短路烧毁器件及电源。

2.采用变压器串联合成方式，该方式无需调谐元件，方便装拆，利于使用维护。

3.功率输出变压器使用超微晶可以增强整机抗雷电、短路、过载等瞬间冲击能力。

附图说明

图1为本实用新型的连接示意图；

图2为本实用新型电路原理图；

图3为本实用新型信号控制关系图；

图4为本实用新型功率合成电路等效电路图；

表1为超微晶与锰锌铁氧体参数对比。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种甚低频液冷固态发射机的功率放大系统，包括数字阶梯波发生器，数字阶梯波发生器将模拟射频激励信号转化成按一定时序 排列的开关信号，数字阶梯波发生器输出端设有至少1个数字分配器，数字分配器分别连接有若干个功率放大器，功率放大器分别连接有功率合成变压器。

如图2所示，所述功率放大器为D类放大器，包括四支功率开关管，采用移相全桥控制；功率开关管不同时开通或关断，并通过控制每只功率开关管的开通或关断时间，减小开关损耗及管子承受的尖峰电压、电流。只有对角线的两只开关管都导通，功放单元才有输出功率。在每个周期中首先导通的两只开关管称为超前桥臂，后导通的两只开关管称为滞后桥臂。每只功率开关管导通时间接近半个周期，即180°，同一桥臂两只开关管的相位相反，根据场效应管参数留有死区时间(该时间可调整)，防止上下管直通，发生短路烧毁器件及电源。

所述四支功率开关管分别设有四个数字驱动保护单元，一号、二号、三号、四号。功率开关采用SiC MOSFET和SiC Diode，通态电阻及开关特性更佳，驱动功率更小，功率开关器件可以减少70％损耗，效率≥97％。

如图3所示，功率放大器输入输出波形，其中一号数字驱动保护单元输出信号A，二号数字驱动保护单元输出信号B，三号数字驱动保护单元输出信号C，四号数字驱动保护单元输出信号D。

本实用新型中功率合成方式为将若干个功率放大器输出进行错相位幅度叠加，合成后输出波形为阶梯波，谐波分量小，对滤波电路压力小，整机谐波指标≤-60dB。阶梯合成是通过将功率放大器输入信号进行移相， 功率放大器本身不改变信号相位，达到输出信号错相的效果。功率放大器输入移相信号由阶梯波发生器产生，方法是将模拟信号激励器的正弦电压信号与参考电压用软件的办法相比较得到一系列时间脉冲，即用一定幅值的电压横向切割正弦模拟信号得到阶梯方波开启和关断时间脉冲，再将这些脉冲进行组合得到移相信号。

所述功率合成变压器包括输入侧线圈、输出侧线圈、磁芯，所述功率放大器连接在输入侧线圈，功率合成变压器输出侧线圈依次串联，构成功率合成电路，输出侧线圈的一端连接地线，另一端为功率放大系统的输出端。

所述功率合成变压器的磁芯采用超微晶材料。超微晶材料具有优良的综合磁性能，集硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点于一身，即高磁感、高导磁率、低损耗及优异的温度稳定性。如表1所示，超微晶的饱和磁感应强度是铁氧体的3倍，同样体积的磁环要比铁氧体输出功率大2倍，同时有更大的抗过载能力。其磁环损耗在20kHz～50kHz的频率范围是铁氧体损耗的1/5～1/2。导磁率是铁氧体的10倍以上，因此激磁功率小，因而也减少了铜损。超微晶的居里温度是570℃，是铁氧体的3倍。功率输出变压器使用超微晶可以增强整机抗雷电、短路、过载等瞬间冲击能力。

表1超微晶与锰锌铁氧体参数对比

所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (1)

1.一种甚低频液冷固态发射机的功率放大系统，其特征在于，包括数字阶梯波发生器，数字阶梯波发生器将模拟射频激励信号转化成按一定时序排列的开关信号，数字阶梯波发生器输出端设有至少1个数字分配器，数字分配器分别连接有若干个功率放大器，功率放大器分别连接有功率合成变压器；

所述功率放大器为D类放大器，电路方式采用移相全桥控制，包括四支功率开关管，四支功率开关管呈H桥型设置，同一桥臂上的两支功率开关管相位相反，根据场效应管参数留有死区时间；

所述四支功率开关管，分别不同时开通或关断，开通或关断时间受控；对角线设置的两支开关管都导通，功放单元才有输出功率，每支功率开关管导通时间为半个周期；

所述功率开关管分别设有数字驱动保护单元；

所述功率合成变压器包括输入侧线圈、输出侧线圈、磁芯，所述功率放大器连接在输入侧线圈，功率合成变压器输出侧线圈依次串联，构成功率合成电路，输出侧线圈的一端连接地线，另一端为功率放大系统的输出端；

所述功率合成变压器的磁芯采用超微晶材料。