RU2767315C1 - Power supply system of pulse power amplifier - Google Patents
Power supply system of pulse power amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2767315C1 RU2767315C1 RU2021112196A RU2021112196A RU2767315C1 RU 2767315 C1 RU2767315 C1 RU 2767315C1 RU 2021112196 A RU2021112196 A RU 2021112196A RU 2021112196 A RU2021112196 A RU 2021112196A RU 2767315 C1 RU2767315 C1 RU 2767315C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- amplifier
- pulse
- power supply
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
Abstract
Description
Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано, главным образом, для электропитания усилителей мощности импульсных режимов работы в передающих устройствах гидролокационных станций (ГЛС) освещения ближней обстановки (ОБО).The invention relates to the field of power electronics and can be used mainly for the power supply of power amplifiers of pulsed modes of operation in transmitters of sonar stations (SLS) for illumination of the near situation (NBO).
Известно, что высокие требования, предъявляемые к тактико-техническим и эксплуатационным показателям современных ГЛС ОБО, должны обеспечиваться использованием сложных зондирующих сигналов, формируемых гидроакустическими фазированными антенными решетками (ФАР) в импульсных режимах работы [Александров В.А., Смирнов В.А., Ермолаева Е.Ю., Игнатьев К.В. Цифровые генераторные устройства гидролокационных станций освещения ближней области // Гидроакустика 2018 г., № 33, с. 70-77]. При этом выходная мощность возбуждения ФАР может достигать единиц и десятков кВт, при длительности циклов излучения единицы и десятки мс, что позволяет использовать емкостные накопители энергии для минимизации максимальной мощности потребления и габаритов передающей аппаратуры. Диапазон частот ГЛС ОБО, как правило, составляет десятки кГц при относительной полосе не более октавы. Соответственно, импульсные усилители мощности такого режима должны быть снабжены емкостным фильтром по шинам электропитания, наличие которого является необходимым условием их работы, особенно при существенно реактивном характере импеданса гидроакустических излучателей с коэффициентом активной мощности не более 0,3-0,5.It is known that the high requirements for the tactical, technical and operational performance of modern GLS OBO should be ensured by the use of complex probing signals generated by hydroacoustic phased antenna arrays (PAR) in pulsed operating modes [Aleksandrov V.A., Smirnov V.A., Ermolaeva E.Yu., Ignatiev K.V. Digital generator devices for sonar lighting stations in the near area // Hydroacoustics 2018, No. 33, p. 70-77]. At the same time, the output power of the PAR excitation can reach units and tens of kW, with a duration of emission cycles of a unit and tens of ms, which makes it possible to use capacitive energy storage devices to minimize the maximum power consumption and dimensions of the transmitting equipment. The frequency range of the GLS OBO, as a rule, is tens of kHz with a relative bandwidth of no more than an octave. Accordingly, pulsed power amplifiers of this mode should be equipped with a capacitive filter on the power supply buses, the presence of which is a necessary condition for their operation, especially with the essentially reactive nature of the impedance of hydroacoustic emitters with an active power factor of not more than 0.3-0.5.
Технические требования к передающей аппаратуре ГЛС во многом аналогичны требованиям, предъявляемым к радиопередающим устройствам радиолокационных схем (РЛС), где также используются емкостные накопители энергии для обеспечения импульсных режимов работы [Шумилин М.С., Головин О.В., Севальнев В.П. и др. Радиопередающие устройства. М.: Высшая школа, 1981, патент РФ № 2465627. Стабилизатор постоянного напряжения. Опубл. 27.10.2012].The technical requirements for the GLS transmitting equipment are in many ways similar to the requirements for radio transmitters of radar circuits (RLS), which also use capacitive energy storage devices to provide pulsed operating modes [Shumilin M.S., Golovin O.V., Sevalnev V.P. and other radio transmitting devices. M.: Higher school, 1981, RF patent No. 2465627. Constant voltage stabilizer. Published October 27, 2012].
Однако силовое электропитание импульсного усилителя мощности непосредственно от емкостного накопителя имеет ряд существенных недостатков, а именно: уменьшение уровня напряжения электропитания и, соответственно, уровня выходного сигнала в цикле излучения, отсутствие возможности динамического управления уровнем и формой огибающей выходного сигнала посредством изменения напряжения электропитания. Последнее обстоятельство существенно ограничивает динамический диапазон регулирования выходной мощности импульсного усилителя и может приводить к заметным потерям энергии в передающей аппаратуре в номинальных режимах возбуждения ФАР.However, the power supply of a pulsed power amplifier directly from a capacitive storage device has a number of significant drawbacks, namely: a decrease in the power supply voltage level and, accordingly, the output signal level in the radiation cycle, the inability to dynamically control the level and shape of the output signal envelope by changing the power supply voltage. The latter circumstance significantly limits the dynamic range of regulation of the output power of the pulse amplifier and can lead to noticeable energy losses in the transmitting equipment in the nominal modes of PAR excitation.
Известно устройство электропитания, включающее зарядное устройство, емкостной накопитель и регулируемый импульсный преобразователь [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 во время цикла излучения независимо от изменения напряжения на емкостном накопителе. В результате допускается большой разряд, что позволяет значительно снизить емкостные габариты накопительных конденсаторов при уменьшении потерь энергии в импульсном усилителе. Недостатком известного устройства является ограниченная скорость снижения напряжения электропитания. Принимая во внимание весьма малый ток в паузе между циклами излучения, ограничение скорости снижения напряжения электропитания препятствует динамическому снижению уровня мощности, что существенно ухудшает тактико-технические показатели ГЛС.A power supply device is known, including a charger, a capacitive storage device and an adjustable pulse converter [Kushnerev N.A. Power supply device for a pulsed solid-state transmitter with high specific performance // Radio engineering. 2009. No. 5]. The advantage of this scheme is the ability to regulate the power supply voltage of the power amplifier during the radiation cycle, regardless of the change in voltage on the capacitive storage. As a result, a large discharge is allowed, which makes it possible to significantly reduce the capacitive dimensions of storage capacitors while reducing energy losses in the pulse amplifier. A disadvantage of the known device is the limited rate of reduction of the power supply voltage. Taking into account a very small current in the pause between radiation cycles, limiting the rate of decrease in the power supply voltage prevents a dynamic decrease in the power level, which significantly worsens the performance characteristics of the GLS.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система электропитания импульсного усилителя, описанная в патенте РФ 2629788, опубликована в БИ № 1 01.09.2017. В устройстве-прототипе, в отличие от ранее приведенного аналога для электропитания импульсного усилителя мощности от емкостного накопителя, предложено использование обратного ключевого преобразователя напряжения, обеспечивающего принудительный разряд динамической емкости фильтра, что принципиально улучшает динамические характеристики регулирования.The closest technical solution, chosen as a prototype, is the power supply system of a pulse amplifier described in RF patent 2629788, published in BI No. 1 on 09/01/2017. In the prototype device, in contrast to the previously given analogue for powering a switching power amplifier from a capacitive storage, it is proposed to use a reverse switching voltage converter that provides forced discharge of the filter's dynamic capacitance, which fundamentally improves the dynamic characteristics of regulation.
Устройство-прототип (фиг. 1) содержит зарядное устройство 1 (ЗУ 1), емкостной накопитель 2 (ЕН 2), ключевой преобразователь 3, фильтр 4 нижних частот (ФНЧ 4), схему 5 управления, цепь 6 обратной связи по напряжению (ОСН 6) и импульсный усилитель 7 мощности (УМ 7). Причем ключевой преобразователь 3 выполнен на силовых ключах, обеспечивающих управляемый заряд и разряд емкости ФНЧ 4 в соответствии с сигналом на выходе схемы 5 управления из условия стабилизации напряжения электропитания УМ 7 на уровне, определяемом сигналом, поступающим с шины управления. Таким образом, в устройстве-прототипе обеспечивается заданный уровень напряжения электропитания импульсного усилителя мощности с возможностью быстрого нарастания и спада напряжения при широком диапазоне изменения напряжения емкостного накопителя ЕН 2.The prototype device (Fig. 1) contains a charger 1 (memory 1), a capacitive storage 2 (EN 2), a
Вместе с тем, динамическое управление напряжением электропитания в устройстве-прототипе связано практически с неограниченной амплитудой тока заряда и разряда, что приводит к понижению надежности и ухудшению энергетической эффективности известной системы электропитания импульсного усилителя мощности.At the same time, the dynamic control of the power supply voltage in the prototype device is associated with an almost unlimited amplitude of the charge and discharge current, which leads to a decrease in reliability and a deterioration in the energy efficiency of the known power supply system of a switching power amplifier.
Выделенные недостатки обусловлены переходными процессами динамического изменения напряжения емкости фильтра.The identified shortcomings are due to transient processes of dynamic change in the filter capacitance voltage.
Однако и в этом случае, несмотря на возрастание потерь энергии, в устройстве-прототипе наблюдается кратное превышение амплитуды выходного тока ключевого преобразователя 3 по сравнению с максимальным током потребления УМ 7. Особенно критическое значение имеет большое время, необходимое для разряда емкости фильтра для передающей аппаратуры ГЛС, где значительный уровень мощности каналов импульсных усилителей, обеспечивающих возбуждение гидроакустических ФАР, сочетаются с жесткими требованиями к габаритным показателям при значительных запасах использования силовых ключей по току.However, in this case, despite the increase in energy losses, in the prototype device, there is a multiple excess of the amplitude of the output current of the
Задачей изобретения является повышение надежности и энергетической эффективности системы электропитания импульсного усилителя мощности при расширении области использования.The objective of the invention is to improve the reliability and energy efficiency of the power supply system of a pulsed power amplifier while expanding the area of use.
Технический результат изобретения заключается в ограничении максимального значения тока перезаряда, и исключении экстремальных импульсных токов, влияющих на понижение надежности работы системы электропитания.The technical result of the invention is to limit the maximum value of the overcharge current, and the exclusion of extreme pulsed currents that affect the decrease in the reliability of the power supply system.
Технический результат достигается тем, что в известной системе электропитания импульсного усилителя мощности, содержащей зарядное устройство, подключенное входом к шине силового электропитания, а выходом - через емкостной накопитель к входу ключевого преобразователя, выход которого подключен к входу фильтра нижних частот, а вход управления ключевого преобразователя соединен с выходом схемы управления, контрольный вход которой через цепь обратной связи по напряжению подключен к выходу фильтра нижних частот и к шине электропитания импульсного усилителя мощности, а вход - к шине управления, посредством того, что в его состав введены новые признаки, а именно: введен датчик тока, а схема управления содержит широтно-импульсный преобразователь, балансный сумматор, пороговый усилитель, вычитающее устройство и двухсторонний ограничитель, причем L-вход фильтра нижних частот через датчик тока соединен с выходом ключевого преобразователя, выполненного на обратимом ключевом усилителе мощности, в свою очередь выход датчика тока через цепь обратной связи по току соединен с дополнительным контрольным входом схемы управления, подключенным через пороговый усилитель к первом входу балансного сумматора, выход которого соединен с входом широтно-импульсного преобразователя, а второй вход - через двухсторонний ограничитель соединен с выходом вычитающего устройства, первый вход которого подключен к контрольному входу схемы управления, а второй вход - к входу схемы управления, выход которой подключен к выходу широтно-импульсного преобразователя.The technical result is achieved by the fact that in a known power supply system of a switching power amplifier, containing a charger connected by input to the power supply bus, and by output through a capacitive storage to the input of the key converter, the output of which is connected to the input of the low-pass filter, and the control input of the key converter is connected to the output of the control circuit, the control input of which is connected through a voltage feedback circuit to the output of the low-pass filter and to the power supply bus of the switching power amplifier, and the input is connected to the control bus, by means of the fact that new features have been introduced into its composition, namely: a current sensor is introduced, and the control circuit contains a pulse-width converter, a balanced adder, a threshold amplifier, a subtractor and a two-way limiter, and the L-input of the low-pass filter is connected through the current sensor to the output of a key converter made on a reversible key power amplifier, in the over In turn, the output of the current sensor through the current feedback circuit is connected to an additional control input of the control circuit, connected through a threshold amplifier to the first input of the balanced adder, the output of which is connected to the input of the pulse-width converter, and the second input is connected to the output of the subtractor through a two-way limiter. device, the first input of which is connected to the control input of the control circuit, and the second input - to the input of the control circuit, the output of which is connected to the output of the pulse-width converter.
В предлагаемой системе электропитания (СЭП) реализация заявленного технического результата обеспечивается совокупностью вновь вводимых блоков и связей. Повышение надежности достигается за счет ограничения максимальной величины прямого и обратного тока заряда и разряда емкости фильтра при сохранении глубокой обратной связи по выходному напряжению в номинальных режимах работы посредством использования вычитающего устройства, двухстороннего ограничителя разностного сигнала по напряжению и обратной связи по току через пороговый усилитель, а также балансного сумматора, формирующего результирующий сигнал управления широтно-импульсным преобразователем в режимах стабилизации напряжения и ограничения тока ключевого преобразователя. При этом уменьшение потерь энергии достигается выполнением ключевого преобразователя на высокоэффективном обратимом ключевом усилителе мощности сигналов с широтно-импульсной модуляцией. В свою очередь повышение надежности и энергетической эффективности СЭП позволяют распространить применяемость предлагаемого технического решения для передающих трактов большой мощности, используемых в ГЛС ОБО.In the proposed power supply system (PSS), the implementation of the claimed technical result is provided by a set of newly introduced blocks and connections. The increase in reliability is achieved by limiting the maximum value of the direct and reverse current of the charge and discharge of the filter capacitance while maintaining deep feedback on the output voltage in nominal operating modes through the use of a subtractor, a two-way limiter of the difference signal in voltage and feedback in current through a threshold amplifier, and as well as a balanced adder that generates the resulting signal for controlling the pulse-width converter in the voltage stabilization and current limiting modes of the key converter. In this case, the reduction of energy losses is achieved by performing a key converter on a highly efficient reversible key signal power amplifier with pulse-width modulation. In turn, the increase in the reliability and energy efficiency of the PSS makes it possible to extend the applicability of the proposed technical solution for high-power transmission paths used in the SFS OBO.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где приведены структурная схема заявленного устройства-прототипа (фиг. 1), структурная схема заявленного устройства (фиг. 2) и временные диаграммы, поясняющие его работу (фиг. 3, фиг. 4) при дискретном управлении уровнем сигнала импульсного усилителя мощности.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-4, which shows a block diagram of the claimed prototype device (Fig. 1), a block diagram of the claimed device (Fig. 2) and timing diagrams explaining its operation (Fig. 3, Fig. 4) with discrete control of the signal level of a pulse amplifier power.
Структурная схема предлагаемого устройства (фиг. 2) содержит зарядное устройство 1 (ЗУ 1), емкостной накопитель (ЕН 2), ключевой усилитель 3 мощности, датчик 8 тока (ДТ 8), фильтр 4 нижних частот (ФНЧ 4), схему 5 управления, включающую вычитающее устройство 5.4 (ВУ 5.4), широтно-импульсный преобразователь 5.1 (ШИП 5.1), балансный сумматор 5.2 (БС 5.2), пороговый усилитель 5.3 (ПУ 5.3), двухсторонний ограничитель 5.5 (ДО 5.5), а также цепь 6 обратной связи по напряжению (ОСН 6), цепь 9 обратной связи по току (ОСТ 9) и импульсный усилитель мощности 7 (УМ 7).The structural diagram of the proposed device (Fig. 2) contains a charger 1 (memory 1), a capacitive storage (EN 2), a
Для пояснения принципа действия предлагаемого технического решения в режиме формирования огибающей сигнала УМ 7 на фиг. 3 иллюстрируются временные диаграммы сигналов со следующими обозначениями:To explain the principle of operation of the proposed technical solution in the mode of forming the
UOC - сигнал цепи ОСН 6, приведенный к первому входу ВУ 5.4;U OC -
VOC - сигнал на выходе двухстороннего ограничителя 5.5 с порогом ограничения VOC max и VOC min максимального и минимального уровней;V OC - signal at the output of the two-way limiter 5.5 with a limit threshold V OC max and V OC min maximum and minimum levels;
iOC - сигнал цепи ОСТ 9, приведенный к входу порогового усилителя ПУ 5.3 порогами чувствительности IOC max и IOC min для положительных и отрицательных значений сигнала;i OC -
IOC - сигнал по выходу порогового усилителя ПУ 5.3 с зоной нечувствительности: при IOC max > iOC > IOC min, IOC = 0;I OC - signal at the output of the threshold amplifier PU 5.3 with a dead zone: at I OC max > i OC > I OC min , I OC = 0;
Up - результирующий разностный сигнал на выходе балансного сумматора БС 5.2;U p - the resulting difference signal at the output of the balanced adder BS 5.2;
Vп - опорное пилообразное напряжение тактовой частоты ƒт в ШИП 5.1 для формирования последовательности импульсов по результату сравнения с сигналом Up;V p - reference sawtooth voltage of the clock frequency ƒ t in PWM 5.1 to form a sequence of pulses based on the result of comparison with the signal U p ;
VШИМ - последовательность импульсов напряжения с широтно-импульсной модуляцией ШИМ, формируемых на выходе КУМ 3, амплитудой которых определяется напряжением Е емкостного накопителя.V PWM - a sequence of voltage pulses with pulse-width modulation PWM, generated at the output of the
U - напряжение силового электропитания УМ 7.U - power
На временных диаграммах, приведенных на фиг. 4, приняты следующие обозначения сигналов:In the timing diagrams shown in Fig. 4, the following signal designations are accepted:
Vy - сигнал управления с дискретными уровнями V1, V2, V3;V y - control signal with discrete levels V 1 , V 2 , V 3 ;
Е - напряжение емкостного носителя 2, изменяющееся относительно номинального значения Е0 от минимального Emin до максимального Emax значения;E - the voltage of the
U - напряжение силового электропитания импульсного усилителя 7 мощности;U - power supply voltage of the
Uвч - напряжение выходного высокочастотного сигнала дискретного уровня U1, U2, U3, формируемого УМ 7 для возбуждения канала излучающей антенны;U HF - the voltage of the output high-frequency signal of a discrete level U1, U 2 , U 3 generated
i - выходной ток КУМ 3 в циклах излучения с дискретными значениями I1, I2, I3 и в интервалах перезаряда конденсатора ФНЧ 4 через входной дроссель при изменении уровня U с ограничением максимального тока Im (без ограничения - пунктирные линии).i is the output current of the
Все структурные блоки, входящие в состав предложенной СЭП, выполняются по известным правилам, а их совокупное использование приводит к заявляемым техническим результатам.All structural blocks included in the proposed SEP are performed according to known rules, and their combined use leads to the claimed technical results.
Зарядное устройство 1 выполняется аналогичным образом, как и в устройстве-прототипе с режимом ограничения тока заряда и стабилизации максимального напряжения на емкостном накопителе 2. При силовом электропитании от объектовой сети зарядное устройство целесообразно выполнять на основе ключевых преобразователей напряжения с трансформаторной развязкой, например, выполненных по мостовой схеме, либо полумостовой схеме.The
Емкостной накопитель 2 представляет собой набор последовательно-параллельно включенных электролитических конденсаторов, схема включения которых обеспечивает адаптацию к заданному максимальному напряжению Emax при требуемой емкости, необходимой для энергетической поддержки работы импульсного усилителя мощности при заданной длительности tи и мощности Pmax сигнала в цикле излучения в условиях установленной скважности возбуждения излучающей антенны. Так, например, для номинального напряжения Е=250 В при допустимом разряде ΔЕ=50 B в условиях заданных значений Pmax=1 кВт и tи rnax=0,2 c емкость накопителя должна быть обеспечена не менее:
Причем с уменьшением допустимого разряда во время импульса необходимая емкость и, соответственно, габариты накопителя ЕН 2 существенно возрастают.Moreover, with a decrease in the allowable discharge during the pulse, the required capacitance and, accordingly, the dimensions of the
Ключевой преобразователь 3 представляет схему обратимого ключевого усилителя мощности (КУМ), выполненную, например, на стойке мощных полевых транзисторов с собственными обратными диодами, включенных в полумостовую схему. Обратимый КУМ такого типа обладает высокой энергетической эффективностью при весьма высоких частотах переключения и выполняет функцию генератора импульсного напряжения. При этом, через ключевой преобразователь 3, в зависимости от разности среднего значения импульсного напряжения и напряжения на емкости ФНЧ 4, может замыкаться ток различной направленности, как от емкостного накопителя ЕН 2 через ФНЧ 4 к потребителю УМ 7, так и от емкости ФНЧ 4 в емкостной накопитель ЕН 2 при необходимости быстрого уменьшения напряжения Е в условиях рекуперации энергии.Key Converter 3 is a circuit reversible key power amplifier (KUM), made, for example, on the rack of powerful field-effect transistors with their own freewheeling diodes included in the half-bridge circuit. A reversible AFB of this type has high energy efficiency at very high switching frequencies and functions as a pulsed voltage generator. At the same time, through the
ФНЧ 4 содержит дроссель индуктивностью Lф и конденсатор емкостью cф, выход которого подключен к шине силового электропитания УМ 7, a L - вход (вход дросселя Lф) к выходу ключевого преобразователя 3. Выбор емкости ФНЧ cф определяется из условия эффективного замыкания переменного тока потребления импульсного усилителя мощности УМ 7 Для ГЛС режима ОБО с минимальной рабочей частотой ƒр возбуждения канала гидроакустической ФАР при максимальной мощности потребления 1,0 кВт от стабилизированного напряжения Ес=Emin=200 В емкость ФНЧ 4 должна быть не менее:
где ƒр=10 кГц - максимальная рабочая частота;where ƒ p =10 kHz - maximum operating frequency;
Хс=0,1Ec/iprnax - выходное сопротивление ФНЧ 4 на рабочей частоте (ipmax - амплитуда максимального переменного тока потребления УМ 7).X c =0.1E c /i prnax - output impedance of the
В результате для iprnax=Pmax/Ec получим значение сф=1 мФ. Следует отметить, что перезаряд такой емкости при изменении напряжения электропитания УМ 7 в соответствии с сигналом управления приводит к значительным переходным процессам с экстремальными значениями токов через ключевой преобразователь 3.As a result, for i prnax =P max /E c we get the value with f =1 mF. It should be noted that the overcharging of such a capacitance with a change in the power supply voltage of the
Для ограничения токов перезаряда используются высокочастотное управление параметрами импульсного напряжения на L-входе ФНЧ 4 с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При частоте ШИМ ƒ0 значительно (более чем в 5 раз) выше рабочей частоты ƒр УМ 7 может быть обеспечено плавное регулирование выходного напряжения ФНЧ 4 при ограничении высокочастотного тока дросселя фильтра. Индуктивность дросселя Lф в конечном счете определяет постоянную времени τф ФНЧ 4, ограничивающую динамические характеристики СЭП.To limit the recharge currents, high-frequency control of the parameters of the pulsed voltage at the L-input of the low-
Минимальное значение индуктивности Lф выбирается из условия ограничения максимальной амплитуды ВЧ тока через дроссель на уровне:The minimum value of the inductance L f is selected from the condition of limiting the maximum amplitude of the RF current through the inductor at the level:
Для принятых значений: imax=5 А; Emax=300 В; ƒ0=100 кГц - получим значение Lmin=150 мкГн, что соответствует постоянной времени:For the accepted values: i max =5 A; E max =300 V; ƒ 0 \u003d 100 kHz - we get the value L min \u003d 150 μH, which corresponds to the time constant:
Соответственно частота среза фильтра ФНЧ-4 составитAccordingly, the cutoff frequency of the LPF-4 filter will be
Представленная оценка параметров емкости и индуктивности LC ФНЧ 4 подтверждает возможность динамического регулирования напряжения силового электропитания УМ 7 с установкой требуемого значения за 3-5 периодов рабочей частоты, что является приемлемым для реализации ГЛС режима ОБО. При этом в предлагаемом техническом решении реализуются ограничения экстремальных токов перезаряда емкости cф на допустимом уровне, превышающем максимальный ток потребления УМ 7 не более чем на (30-50)%. Такое ограничение, являющееся неотъемлемой частью обеспечения надежного функционирования СЭП, достигается соответствующей реализацией схемы 5 управления с использованием вновь введенных блоков (фиг. 2): ШИП 5.1, БС 5.2, ПУ 5.3, ВУ 5.4, ДО 5.5.The presented assessment of the capacitance and inductance
Широтно-импульсный преобразователь ШИП 5.1 должен обеспечить формирование последовательности импульсов VШИМ с частотой ƒ0 для управления ключевым преобразователем 3. Типовая реализация ШИП 5.1 основана на использовании генератора пилообразного симметричного опорного напряжения Vп компаратора, обеспечивающего формирование ШИМ сигнала по результату сравнения напряжения Vп частотой ƒ0 с результирующим разностным сигналом Up (фиг. 3), включающим динамические изменения сигнала управления Vy, с учетом сигналов обратной связи по напряжения UOC и току iOC (фиг. 3).Pulse-width converter SHIP 5.1 must ensure the formation of a sequence of pulses V PWM with a frequency of ƒ 0 to control the
Вычитающее устройство 5.4, обеспечивающее формирование разности сигналов UOC как разность сигналов Vy и uOC (фиг. 3), ВУ 5.4 выполняется на дифференциальном усилителе, коэффициент усиления KU которого определяет глубину обратной связи по напряжению.The subtractor 5.4, which provides the formation of the signal difference U OC as the difference between the signals V y and u OC (Fig. 3), VU 5.4 is performed on a differential amplifier, the gain K U of which determines the depth of the voltage feedback.
При превышении сигнала UOC установленных границ изменения UOCrnax и UOCmin уровень сигнала ограничивается, как иллюстрируется на фиг. 3. Эту функцию ограничения выполняет двухсторонний ограничитель 5.5, который может быть выполнен, например, на двух стабилитронах, включенных через ограничивающих резистор параллельно выходу ВУ 5.4. Характер ограничения выходного сигнала ВУ 5.4 при формировании разностного сигнала по напряжению на выходе сигнала ДО 5.5 иллюстрируется на фиг. 3 и соответствует выполнению следующего условия:When the signal U OC exceeds the set limits for changing U OCrnax and U OCmin , the signal level is limited, as illustrated in FIG. 3. This limiting function is performed by a two-sided limiter 5.5, which can be performed, for example, on two zener diodes connected through a limiting resistor in parallel with the output of VU 5.4. The nature of limiting the output signal of VU 5.4 during the formation of a difference voltage signal at the signal output of DO 5.5 is illustrated in Fig. 3 and corresponds to the following condition:
где UOCmax, UOCmin - границы ограничения максимального и минимального ДО 5.5.where U OCmax , U OCmin - the limits of the maximum and minimum limits TO 5.5.
Пороговый усилитель 5.3 предназначен для передачи сигнала обратной связи по току iOC при превышении его уровня максимально допустимых значений тока прямого IOCmax и обратного IOCmin направлений. ПУ 5.3 может быть выполнено на типовом операционном усилителе с коэффициентом усиления KI с последовательным выключением ограничивающих стабилизаторов. При этом выходной сигнал IOC порогового усилителя определяется соотношением:Threshold amplifier 5.3 is designed to transmit a feedback signal for current i OC when its level exceeds the maximum allowable values of the forward current I OCmax and reverse I OCmin directions. PU 5.3 can be performed on a typical operational amplifier with a gain K I with sequential switching off of limiting stabilizers. In this case, the output signal I OC of the threshold amplifier is determined by the relation:
Принцип действия ПУ 5.3 иллюстрируется временными диаграммами сигналов на входе iOC и на выходе IOC, представленными на фиг. 3.The principle of operation of CP 5.3 is illustrated by the timing diagrams of the signals at the input i OC and at the output I OC shown in Fig. 3.
Балансный сумматор 5.2 предназначен для формирования результирующего разностного сигнала Up в соответствии с выражением:Balance adder 5.2 is designed to generate the resulting difference signal U p in accordance with the expression:
БС 5.2 может быть реализован на дифференциальном усилителе с коэффициентом усиления Kp. При необходимости входные сигналы БС 5.2 могут передаваться через резистивные делители, изменяющие результирующие коэффициенты передачи сигналов обратной связи по напряжению KOCU и току KOCI:BS 5.2 can be implemented on a differential amplifier with a gain K p . If necessary, BS 5.2 input signals can be transmitted through resistive dividers that change the resulting feedback signal transmission coefficients for voltage K OCU and current K OCI :
где KΔI, KΔU - коэффициенты деления сигналов UOC и IOC на входах БС 5.2.where K ΔI , K ΔU - division ratios of the signals U OC and I OC at the inputs of the BS 5.2.
Проведенное описание блоков из состава заявленной СЭП импульсного усилителя мощности подтверждает практическую реализуемость предлагаемого технического решения.The description of the blocks from the composition of the declared PSS of a pulsed power amplifier confirms the practical feasibility of the proposed technical solution.
Заявляемое устройство работает следующим образом.The claimed device works as follows.
Напряжение силового электропитания через зарядное устройство 1 обеспечивает заряд емкостного накопителя 2 до номинального значения напряжения Ен=Е0 при подготовке УМ 7 к работе. Одновременно входной сигнал управления Vy поступает через вычитающее устройство 5.4 и двухсторонний ограничитель в виде сигнала UOC на прямой вход балансного сумматора 5.2. В результате на входе широтно-импульсного преобразователя 5.1 формируется сигнал Up большого уровня, что приводит к переключению ключевого преобразователя 3 в соответствии с сигналом VШИМ. При этом через датчик 8 тока и дроссель Lф ФНЧ 4 замыкается ток заряда конденсатора cф. По мере нарастания напряжения U на выходе ФНЧ 4, возрастание сигнала uOC на выходе цепи ООС, что приводит к уменьшению сигнала UOC и, соответственно, Up до уровня стабилизации выходного напряжения ФНЧThe voltage of the power supply through the
где βU - коэффициент передачи цепи ОСН 6.where β U is the transmission coefficient of the
Точность стабилизации выходного напряжения ФНЧ 4 определяется глубиной обратной связи по напряжению, которая задается значением KOCU, как правило, достигающим 20-30 дБ. При этом в номинальном режиме работы в условиях iOC<IOCmax (iOC>IOCmin) обратная связь по току не влияет на формирование результирующего разностного сигнала (сигнал на выходе порогового усилителя IOC=0), что позволяет повысить стабильность напряжения в условиях изменения выходного тока ключевого преобразователя 3.The accuracy of the stabilization of the output voltage of the
Вместе с тем, при перезаряде конденсатора cф ФНЧ 4 имеет место увеличение прямого либо обратного выходного тока КУМ установленных значений: iOC>IOCmax - для прямого тока; iOC<IOCmin _ для обратного тока. В этом случае на выходе порогового усилителя формируется сигнал IOC, поступающий на инверсный вход БС 5.2 и изменяющий уровень Up (фиг. 4: уменьшение при заряде конденсатора в условиях iOC>IOCmax; увеличение при разряде конденсатора в условиях iOC<IOCmin). Соответственно при изменении управляющего сигнала Vy резко изменяется напряжение UOC на выходе вычитающего устройства, однако его значение ограничивается двухсторонним ограничителем 5.5 и далее не влияет на формирование результирующего разностного сигнала Up, что позволяет перейти в режим ограничения выходного тока ключевого преобразователя 3.At the same time, when recharging the capacitor c f LPF 4, there is an increase in the direct or reverse output current of the KUM of the set values: i OC >I OCmax - for direct current; i OC <I OCmin _ for reverse current. In this case, a signal I OC is generated at the output of the threshold amplifier, which is fed to the inverse input of the BS 5.2 and changes the level U p (Fig. 4: decrease when the capacitor is charged under conditions i OC >I OCmax ; increase when the capacitor is discharged under conditions i OC <I OCmin ). Accordingly, when the control signal V y changes, the voltage U OC at the output of the subtractor device changes sharply, however, its value is limited by the two-sided limiter 5.5 and then does not affect the formation of the resulting difference signal U p , which allows switching to the mode of limiting the output current of the switching
Глубина обратной связи по выходному току в этом режиме определяется значением KOCI и составляет не менее 30 дБ. При этом достигается ограничение выходного тока IOC (фиг. 4) в прямом и обратном направлении на максимально допустимом уровне. В результате может быть минимизировано время перезаряда tп конденсатора cф ФНЧ 4 в соответствии с постоянной времени фильтра Следует отметить, что передача и возврат энергии между емкостным накопителем и емкостью cф ФНЧ 4 через ключевой преобразователь 3 и дроссель Lф осуществляется без существенных переходных процессов и потерь энергии при высоких динамических характеристиках регулирования напряжения U электропитания импульсного усилителя 7 мощности в соответствии с сигналом управления Vy (фиг. 4). Причем быстрый спад напряжения U достигается в том числе и во время паузы импульсов излучения UВЧ (фиг. 4).The output current feedback depth in this mode is determined by the K OCI value and is at least 30 dB. This achieves the limitation of the output current I OC (Fig. 4) in the forward and reverse directions at the maximum allowable level. As a result, the recharge time t p of the capacitor c f LPF 4 can be minimized in accordance with the filter time constant It should be noted that the transfer and return of energy between the capacitive storage and the capacitance c f LPF 4 through the
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует требованиям динамического управления напряжением электропитания усилителя мощности в импульсных режимах работы с дискретным и непрерывным регулированием уровня возбуждения излучающей антенны. При этом в отличие от устройства-прототипа в предлагаемой СЭП достигается ограничение максимального значения тока перезаряда, и исключаются экспериментальные импульсные токи, влияющие на понижение надежности работы.Thus, the proposed technical solution meets the requirements of dynamic control of the power supply voltage of the power amplifier in pulsed operating modes with discrete and continuous control of the excitation level of the radiating antenna. At the same time, unlike the prototype device, the proposed PDS achieves a limitation of the maximum value of the overcharge current, and excludes experimental pulsed currents that affect the decrease in reliability.
Как показано на фиг. 4 максимальный уровень токов перезаряда при стабилизации выходного тока КУМ (сплошные линии) кратно меньше импульсных токов в устройстве-прототипе (пунктирные линии) и незначительно на 20-30% превышает максимальный выходной ток IЗ в циклах излучения. Относительные потери энергии в заявленном устройстве главным образом определяются потерями в ключевом усилителе мощности и не превышают 10% от максимальной мощности потребления импульсного усилителя мощности.As shown in FIG. 4, the maximum level of recharging currents when stabilizing the output current of the CCM (solid lines) is a multiple of the pulse currents in the prototype device (dashed lines) and slightly exceeds the maximum output current I C in radiation cycles by 20-30%. The relative energy losses in the claimed device are mainly determined by the losses in the key power amplifier and do not exceed 10% of the maximum power consumption of the switching power amplifier.
Достигнутая энергетическая эффективность существенно выше, чем в известных устройствах, где использование диссипативных звеньев для уменьшения переходных процессов может приводить к относительным потерям более 20%.The achieved energy efficiency is significantly higher than in known devices, where the use of dissipative links to reduce transients can lead to relative losses of more than 20%.
Повышение энергетической эффективности и надежности работы предлагаемой системы электропитания импульсного усилителя мощности обеспечивают внедрение заявляемого технического решения в передающих трактах ГЛС режима ОБО. В настоящее время на предприятии изготовлены экспериментальные образцы устройства электропитания усилителей мощности ультразвукового диапазона импульсных режимов работы, результаты которых подтвердили преимущества предлагаемого технического решения, что позволяет рекомендовать разработанное техническое решение для использования в опытных образцах ГЛС ОБО.Improving the energy efficiency and reliability of the proposed power supply system of a pulsed power amplifier is ensured by the introduction of the proposed technical solution in the transmission paths of the FLS of the OBO mode. At present, the enterprise has manufactured experimental samples of the power supply device for ultrasonic range power amplifiers of pulsed operating modes, the results of which confirmed the advantages of the proposed technical solution, which makes it possible to recommend the developed technical solution for use in prototypes of FLS OBO.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021112196A RU2767315C1 (en) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Power supply system of pulse power amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021112196A RU2767315C1 (en) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Power supply system of pulse power amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2767315C1 true RU2767315C1 (en) | 2022-03-17 |
Family
ID=80737167
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021112196A RU2767315C1 (en) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Power supply system of pulse power amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2767315C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2794346C1 (en) * | 2022-10-31 | 2023-04-17 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Class d amplifier |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU900413A1 (en) * | 1979-07-02 | 1982-01-23 | Предприятие П/Я В-2156 | Device for charging reservoir capacitor |
CN201985777U (en) * | 2010-12-02 | 2011-09-21 | 北京航天斯达新技术装备公司 | High-voltage high-power switching power amplifier |
RU110569U1 (en) * | 2011-06-20 | 2011-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | HIGH VOLTAGE STABILIZED POWER SUPPLY FOR PULSE LOAD |
US8089253B2 (en) * | 2007-05-07 | 2012-01-03 | Nokia Corporation | Power supplies for RF power amplifier |
RU133664U1 (en) * | 2013-06-05 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "Северный пресс" | PULSE SOURCE OF SECONDARY POWER SUPPLY OF UNMANNED AIRCRAFT POWER AMPLIFIER |
RU2629748C2 (en) * | 2015-11-18 | 2017-09-01 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Power supply system of impulse power amplifier |
CN111564958A (en) * | 2020-06-10 | 2020-08-21 | 钟武清 | Power amplifier power supply system beneficial to prolonging service life and improving reliability |
-
2021
- 2021-04-26 RU RU2021112196A patent/RU2767315C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU900413A1 (en) * | 1979-07-02 | 1982-01-23 | Предприятие П/Я В-2156 | Device for charging reservoir capacitor |
US8089253B2 (en) * | 2007-05-07 | 2012-01-03 | Nokia Corporation | Power supplies for RF power amplifier |
CN201985777U (en) * | 2010-12-02 | 2011-09-21 | 北京航天斯达新技术装备公司 | High-voltage high-power switching power amplifier |
RU110569U1 (en) * | 2011-06-20 | 2011-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | HIGH VOLTAGE STABILIZED POWER SUPPLY FOR PULSE LOAD |
RU133664U1 (en) * | 2013-06-05 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "Северный пресс" | PULSE SOURCE OF SECONDARY POWER SUPPLY OF UNMANNED AIRCRAFT POWER AMPLIFIER |
RU2629748C2 (en) * | 2015-11-18 | 2017-09-01 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Power supply system of impulse power amplifier |
CN111564958A (en) * | 2020-06-10 | 2020-08-21 | 钟武清 | Power amplifier power supply system beneficial to prolonging service life and improving reliability |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2794346C1 (en) * | 2022-10-31 | 2023-04-17 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Class d amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9438115B2 (en) | Power supply system | |
US5359280A (en) | Bilateral power converter for a satellite power system | |
KR101521137B1 (en) | 3-phase high-power ups | |
CN109687704B (en) | Capacitance control method and device of three-level buck converter and buck conversion system | |
US20140269799A1 (en) | Diode driver for battery operated laser systems | |
EP4125201A1 (en) | Three-level direct current converter, power supply system, and chip | |
CN110739848A (en) | High-gain DC-DC converter for electric vehicle | |
RU2767315C1 (en) | Power supply system of pulse power amplifier | |
US10298122B2 (en) | Switching mode DC/DC power converter for delivering a direct current to a pulse radar unit | |
CN112787530A (en) | Three-level inverter with bus midpoint voltage compensation and control method thereof | |
Kumar et al. | Improving the Stability of Cascaded DC Power Supply System by Adaptive Active Capacitor Converter | |
CN108023481B (en) | Circuit with variable output and converter controller including the same | |
US20220006398A1 (en) | Driving circuit and driving method | |
RU2716289C1 (en) | Excitation pulse generator | |
Harchandani et al. | Pulse forming network for Marx generator with boosting operation | |
CN114389452A (en) | Switch converter and control circuit and control method thereof | |
CN112531804A (en) | Charging and discharging device | |
CN112217393A (en) | DC-DC converter and control method thereof | |
RU2805305C1 (en) | Hydroacoustic log transmitting device | |
KR101774113B1 (en) | Power converter based on quasi z-source inverter | |
RU2808233C1 (en) | Key phase current normalizer | |
WO2023015523A1 (en) | Voltage conversion apparatus having current equalization function, current equalization method and apparatus, and medium | |
KR102301354B1 (en) | Error amplifier and power converter including thereof | |
US20230073099A1 (en) | Power converter and control method thereof | |
RU2810649C1 (en) | Key stabilized converter |