RU2780661C1 - Class d amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer - Google Patents

Class d amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer Download PDF

Info

Publication number
RU2780661C1
RU2780661C1 RU2021131395A RU2021131395A RU2780661C1 RU 2780661 C1 RU2780661 C1 RU 2780661C1 RU 2021131395 A RU2021131395 A RU 2021131395A RU 2021131395 A RU2021131395 A RU 2021131395A RU 2780661 C1 RU2780661 C1 RU 2780661C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
low
voltage
hydroacoustic
outputs
Prior art date
Application number
RU2021131395A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Александров
Юрий Витальевич Казаков
Людмила Васильевна Маркова
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг)
Application granted granted Critical
Publication of RU2780661C1 publication Critical patent/RU2780661C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: hydroacuostics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of amplifying and generator technology and can be used in hydroacoustic broadband amplifiers of low-frequency hydroacoustic communication (HC) and hydroacoustic echo ranging (HAR) modes. The result is achieved by matching the channel outputs of key power amplifiers (KPA) with two-channel PWM through low-pass filters with a hydroacoustic converter in the conditions of power supply of the terminal stages of the KPA with a high-voltage voltage generated by a high-frequency inverter, a high-frequency transformer and a rectifier device with a common-mode interference filter.
EFFECT: reduction in the volume and mass of transmitting equipment while expanding the frequency range of signals.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в гидроакустических широкополосных усилителях мощности режимов низкочастотной гидроакустической связи (ГС) и гидролокации (ГЛ).The invention relates to the field of amplifying and generator technology and can be used in hydroacoustic broadband power amplifiers for low-frequency hydroacoustic communication (HS) and sonar (HL) modes.

Низкочастотные (НЧ) гидроакустические передающие тракты (ГАПТ) режимов ГС и ГЛ характеризуются большой мощностью возбуждения гидроакустических излучателей (ГАИ), достигающих единиц и десятков кВА [Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации / Морская радиоэлектроника N1(67) 2019. С. 10-14]. Напряжение сигналов возбуждения НЧ ГАИ, как правило, достигает 700 В в диапазоне частот от сотен Гц до единиц кГц. При этом актуальным направлением развития НЧ ГС и ГЛ является дальнейшее снижение частот излучаемых сигналов и повышение мощности возбуждения ГАИ для увеличения дистанции обнаружения и передачи сообщений. В качестве эффективного направления реализации усилителей низких частот (УНЧ) в составе ГАПТ следует выделить ключевые усилители мощности (КУМ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), определенные по принятой классификации как усилители класса D [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь. 1980. с. 207].Low-frequency (LF) hydroacoustic transmission paths (HAPT) of the GS and GL modes are characterized by a high excitation power of hydroacoustic emitters (GAI), reaching units and tens of kVA [Aleksandrov V.A. and others. Transmitting paths of low-frequency sonar / Marine radio electronics N1 (67) 2019. P. 10-14]. The voltage of the LF GAI excitation signals, as a rule, reaches 700 V in the frequency range from hundreds of Hz to units of kHz. At the same time, the actual direction in the development of LF GS and GL is a further decrease in the frequencies of emitted signals and an increase in the power of excitation of the traffic police to increase the distance of detection and transmission of messages. As an effective direction for the implementation of low-frequency amplifiers (ULF) as part of the HAPT, one should single out key power amplifiers (KPA) with pulse-width modulation (PWM), defined according to the accepted classification as class D amplifiers [Artym A.D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M.: Communication. 1980. p. 207].

В таких устройствах усиливаемый сигнал преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов, усиливаемых по мощности и поступающих на нагрузку через фильтр нижних частот. В общем случае усилители класса D содержат широтно-импульсный преобразователь (ШИП), ключевой усилитель мощности (КУМ) и фильтр нижних частот (ФНЧ). При использовании в составе ГАПТ, ключевой УНЧ такого типа содержит выходной НЧ трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку нагрузки и соответствующий уровень номинального напряжения возбуждения НЧ ГАИ.In such devices, the amplified signal is converted into a sequence of width-modulated pulses, amplified in power and fed to the load through a low-pass filter. In general, class D amplifiers contain a pulse-width converter (PWM), a key power amplifier (KPA) and a low-pass filter (LPF). When used as part of the GAPT, a key ULF of this type contains an output low-frequency transformer that provides galvanic isolation of the load and the corresponding level of the nominal excitation voltage of the low-frequency GAI.

Для улучшения качества сигналов возбуждения, в гидроакустических усилителях мощности могут использоваться двухканальные схемы построения усилителей класса D [Патент РФ №2188498 Двухканальный усилитель класса D. Опубл. 27.08.2002 БИ №24]. Такая реализация обеспечивает двукратное повышение результирующей частоты переключений, чем достигается расширение динамического и частотного диапазона усиливаемых сигналов. Известное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому, и может быть принято за прототип настоящего изобретения [Патент РФ №2188498]. Устройство-прототип (фиг. 1) содержит двухканальный широтно-импульсный преобразователь ШИП 1, ключевые усилители мощности КУМ 2 и КУМ 3, два фильтра нижних частот ФНЧ 4 и ФНЧ 5, гидроакустический излучатель ГАИ 6 и два низкочастотных трансформатора НЧ TP 7 и НЧ TP 8.To improve the quality of the excitation signals, hydroacoustic power amplifiers can use two-channel schemes for constructing class D amplifiers [RF Patent No. 2188498 Two-channel class D amplifier. Publ. 08/27/2002 BI No. 24]. Such an implementation provides a twofold increase in the resulting switching frequency, thereby expanding the dynamic and frequency range of the amplified signals. Known technical solution is the closest to the proposed one, and can be taken as a prototype of the present invention [RF Patent No. 2188498]. The prototype device (Fig. 1) contains a two-channel pulse-width converter SHIP 1, key power amplifiers KUM 2 and KUM 3, two low-pass filters LPF 4 and LPF 5, hydroacoustic emitter GAI 6 and two low-frequency transformers LF TP 7 and LF TP eight.

Силовое электропитание КУМ 2 и КУМ 3 осуществляется от напряжения Е0 (+Е0, - Е0), как правило, гальванически связанного с объектовой сетью. Например, для объектовой сети постоянного тока выводы электропитания КУМ непосредственно связаны с шинами сетевого напряжения, а для объектовой сети переменного тока напряжение силового электропитания может формироваться низкочастотным силовым выпрямителем. Оконечные каскады КУМ 2 и КУМ 3 реализуются на основе полумостовых транзисторных схем, адаптированных к напряжению Е0, снабженных драйверами импульсных сигналов с гальванической развязкой. В результате усиления сигналов ШИМ на выходах КУМ формируются импульсные напряжения V1 и V2, суммарная амплитуда которых определяется напряжением VM0. Соответственно, между выходами ФНЧ 4 и ФНЧ 5 выделяется низкочастотное напряжение U, относительная амплитуда которого определяется индексом модуляции т: m=Uм/E0.The power supply of KUM 2 and KUM 3 is carried out from the voltage E 0 (+E 0 , - E 0 ), as a rule, galvanically connected to the object network. For example, for the object DC network, the power supply terminals of the KUM are directly connected to the mains voltage buses, and for the object AC network, the power supply voltage can be formed by a low-frequency power rectifier. The final stages of KUM 2 and KUM 3 are implemented on the basis of half-bridge transistor circuits adapted to the voltage E 0 , equipped with pulse signal drivers with galvanic isolation. As a result of the amplification of the PWM signals at the outputs of the KUM, pulsed voltages V 1 and V 2 are formed, the total amplitude of which is determined by the voltage V M =E 0 . Accordingly, between the outputs of the low-frequency filter 4 and low-frequency filter 5, a low-frequency voltage U is allocated, the relative amplitude of which is determined by the modulation index t: m=U m /E 0 .

При этом на нагрузке формируется напряжение UH, амплитуда которого задается коэффициентом передачи низкочастотных трансформаторов КТНЧ:In this case, a voltage UH is formed on the load, the amplitude of which is set by the transmission coefficient of low-frequency transformers K LF :

Figure 00000001
Figure 00000001

В режиме номинальной выходной мощности при m=1 на нагрузке достигается максимальная амплитуда напряжения

Figure 00000002
соответствующая требуемой максимальной мощности тонального сигнала возбуждения гидроакустического излучателя на заданной частоте Ω при импедансе нагрузки Z(Ω):In the rated output power mode at m=1, the maximum voltage amplitude is reached on the load
Figure 00000002
corresponding to the required maximum power of the hydroacoustic emitter excitation tone signal at a given frequency Ω with load impedance Z(Ω):

Figure 00000003
Figure 00000003

Таким образом, в устройстве-прототипе низкочастотные трансформаторы 7 и 8 обеспечивают как гальваническую развязку нагрузки, так и требуемое максимальное выходное напряжение для достижения режима максимальной мощности возбуждения ГАИ.Thus, in the prototype device, low-frequency transformers 7 and 8 provide both galvanic isolation of the load and the required maximum output voltage to achieve the mode of maximum excitation power of the GAI.

Вместе с тем, с понижением частоты усиливаемого сигнала резко возрастают масса, габариты и потери энергии в низкочастотных трансформаторах. Так, например, при нижней частоте рабочего диапазона Fн=1 кГц и номинальной мощности 1 кВт, габариты НЧ трансформаторов превосходят суммарные габариты остальных узлов УНЧ при соизмеримых потерях энергии.At the same time, with a decrease in the frequency of the amplified signal, the mass, dimensions and energy losses in low-frequency transformers sharply increase. So, for example, at the lower frequency of the operating range F n \u003d 1 kHz and a rated power of 1 kW, the dimensions of the low-frequency transformers exceed the total dimensions of the remaining ULF nodes with comparable energy losses.

При дальнейшем понижении частоты до Fн=0,3 кГц, объем и масса УНЧ более чем на 70-80% определяются только массогабаритными показателями низкочастотных трансформаторов.With a further decrease in frequency to F n \u003d 0.3 kHz, the volume and mass of ULF by more than 70-80% are determined only by the weight and size indicators of low-frequency transformers.

Наряду с неприемлемым ухудшением массогабаритных показателей устройства-прототипа с понижением нижней частоты рабочего диапазона, применение НЧ трансформаторов связано с существенной индуктивностью рассеивания Ls, значение которой может превосходить минимально допустимую индуктивность Lф ФНЧ, определенной из условия обеспечения верхней частоты Fв рабочего диапазона.Along with the unacceptable deterioration in the weight and size parameters of the prototype device with a decrease in the lower frequency of the operating range, the use of low-frequency transformers is associated with a significant leakage inductance L s , the value of which may exceed the minimum allowable inductance L f LPF, determined from the condition of providing the upper frequency F in the operating range.

Здесь следует отметить, что нагрузка ГАИ, выполненных на активных пьезоматериалах, имеет выраженный емкостной характер при значении емкости Сн, соответствующей коэффициенту активной мощности нагрузки cosϕ(Fв) не более 0,1. В этих условиях частота среза ФНЧ Fc для требуемой равномерности АЧХ должна выбираться из условия:It should be noted here that the load of traffic police, made on active piezomaterials, has a pronounced capacitive character with a capacitance value C n corresponding to the active power factor of the load cosϕ(F in ) no more than 0.1. Under these conditions, the low-pass filter cutoff frequency F c for the required frequency response uniformity must be selected from the condition:

Figure 00000004
Figure 00000004

где L - результирующая индуктивность фильтра, приведенная к нагрузке.where L is the resulting filter inductance, reduced to the load.

Принимая во внимание составляющие результирующей индуктивности: Lф -индуктивность фильтров ФНЧ 4 и ФНЧ 5; Ls - индуктивность рассеивания со стороны первичных обмоток НЧ TP 7 И НЧ TP 8; с учетом коэффициента трансформации КТНЧ получим:Taking into account the components of the resulting inductance: L f is the inductance of the filters LPF 4 and LPF 5; L s - leakage inductance from the side of the primary windings LF TP 7 AND LF TP 8; taking into account the transformation ratio K TNP we get:

Figure 00000005
Figure 00000005

Проведенная оценка показывает, что для НЧ TP с нижней частотой 0,3 кГц наличие Ls ограничивает полосу рабочих частот возбуждения ГАИ в диапазоне 2 октав, что не соответствует современным требованиям расширения частотного диапазона при соотношении Fв/Fн более 10.The assessment shows that for LF TP with a lower frequency of 0.3 kHz, the presence of L s limits the operating frequency band of the GAI excitation in the range of 2 octaves, which does not meet modern requirements for expanding the frequency range with a ratio of F in / F n more than 10.

Выделенные недостатки существенно ограничивают применение устройства-прототипа для реализации передающей аппаратуры малогабаритных широкополосных ГАПТ, обеспечивающих возбуждение НЧ ГАИ.The identified shortcomings significantly limit the use of the prototype device for the implementation of the transmitting equipment of small-sized broadband HAPTs that provide excitation of the LF GAI.

Задачей настоящего изобретения является улучшение массогабаритных и энергетических показателей усилителей мощности при расширении частотного диапазона сигналов возбуждения низкочастотных гидроакустических преобразователей.The objective of the present invention is to improve the weight, size and energy performance of power amplifiers while expanding the frequency range of the excitation signals of low-frequency hydroacoustic transducers.

Для решения поставленной задачи, в известный усилитель класса D для возбуждения низкочастотных гидроакустических преобразователей, содержащий двухканальный широтно-импульсный преобразователь, подсоединенный входом к шине входного сигнала, а первый и второй выходы которого подключены, соответственно, к входам первого и второго ключевых усилителей мощности, входы электропитания которых соединены с шинами силового электропитания, а выходы - с входами первого и второго фильтров нижних частот, предлагается ввести следующие новые признаки, а именно: высокочастотный инвертор, высокочастотный трансформатор и выпрямительное устройство, выходы которого через фильтр синфазной помехи подключены к шинам силового электропитания, а входы через высокочастотный трансформатор и высокочастотный инвертор соединены с шинами напряжения объектовой сети, в свою очередь выходы первого и второго фильтров нижних частот подключены, соответственно, к первому и второму выводу низкочастотного гидроакустического излучателя.To solve this problem, in a known class D amplifier for excitation of low-frequency hydroacoustic transducers, containing a two-channel pulse-width converter connected by an input to the input signal bus, and the first and second outputs of which are connected, respectively, to the inputs of the first and second key power amplifiers, the inputs whose power supplies are connected to the power supply buses, and the outputs are connected to the inputs of the first and second low-pass filters, it is proposed to introduce the following new features, namely: a high-frequency inverter, a high-frequency transformer and a rectifier device, the outputs of which are connected to the power supply buses through a common-mode noise filter, and the inputs through a high-frequency transformer and a high-frequency inverter are connected to the voltage buses of the object network, in turn, the outputs of the first and second low-pass filters are connected, respectively, to the first and second outputs of the low-frequency hydroacoustic radiation chatter.

Технический результат от применения совокупности новых признаков позволяет обеспечить сокращение объема и кратное уменьшение массы усилителя мощности при расширении частотного диапазона сигналов за счет исключения громоздкого низкочастотного трансформатора с существенной индуктивностью рассеивания в условиях прямого согласования оконечных каскадов КУМ с нагрузкой на ГАИ при силовом напряжении электропитания заданного уровня, гальванически развязанного от объектовой сети.The technical result from the use of a combination of new features makes it possible to reduce the volume and multiple reduction in the mass of the power amplifier while expanding the frequency range of signals due to the elimination of a bulky low-frequency transformer with significant leakage inductance under conditions of direct matching of the terminal stages of the CCM with the load on the traffic police at a power supply voltage of a given level, galvanically isolated from the object network.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где представлены структурные схемы устройства-прототипа (фиг. 1) и заявляемого устройства (фиг. 2), а также временные диаграммы сигналов (фиг. 3), поясняющие особенности работы предлагаемого технического решения.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, fig. 2 and FIG. 3, which shows block diagrams of the prototype device (Fig. 1) and the proposed device (Fig. 2), as well as timing diagrams of signals (Fig. 3), explaining the features of the proposed technical solution.

На фиг. 3 приняты следующие обозначения:In FIG. 3 adopted the following designations:

- на фиг 3а): U - напряжение в шине входного сигнала, Uп1, Uп2 - пилообразные противофазные напряжения с полупериодом Тк, формируемые в ШИП 1 для формирования ШИМ-сигналов ШИМ 1, ШИМ 2, ШИМ 1, ШИМ 2 - последовательности импульсов на выходах ШИП 1, формируемые в результате сравнения входного сигнала U соответственно с пилообразными напряжениями Uп1, Uп2;- in Fig 3a): U - voltage in the input signal bus, U p1 , U p2 - sawtooth antiphase voltages with a half-cycle T to formed in PWM 1 to generate PWM signals PWM 1, PWM 2, PWM 1, PWM 2 - sequences pulses at the outputs of PWM 1, generated by comparing the input signal U, respectively, with sawtooth voltages U p1 , U p2 ;

- на фиг 3б): Vr - высокочастотное импульсное напряжение с периодом Т0, формируемое в ВЧИ 9 посредством ключевого преобразования напряжения электропитания Е0 объектовой сети постоянного тока;- in Fig 3b): V r - high-frequency pulsed voltage with a period of T 0 generated in the RFID 9 by key conversion of the power supply voltage E 0 object DC network;

- на фиг 3в): Vвч - напряжение вторичной обмотки ВЧ TP 10, на первичную обмотку которого поступает импульсное напряжение Vr через дополнительные фильтрующие элементы в составе ВЧИ 9;- in Fig 3c): V HF - the voltage of the secondary winding of the RF TP 10, the primary winding of which is supplied with a pulsed voltage V r through additional filter elements as part of the RF 9;

- на фиг 3г, д): V1, V2 - импульсные напряжения на выходах КУМ 2, КУМ 3 амплитудой Е, сформированные посредством ключевого усиления по мощности сигналов ШИМ 1 и ШИМ 2, ±Е - выходное напряжение, формируемое на выходе ВУ 11 посредством выпрямления и фильтрации напряжения Vвч;- in Fig 3d, e): V1, V2 - pulse voltage at the outputs of KUM 2, KUM 3 with amplitude E, formed by key amplification in terms of power of PWM 1 and PWM 2 signals, ± E - output voltage generated at the output of VU 11 by means of rectification and voltage filtering V HF ;

- на фиг 3е): V- суммарное импульсное напряжение, поступающее с выходов КУМ 2 и КУМ 3 на входы ФНЧ 4 и ФНЧ 5, Vн, Uн - соответственно низкочастотная составляющая импульсного напряжения V и низкочастотное напряжение на нагрузке ГАИ 6.- in Fig 3f): V is the total pulse voltage coming from the outputs of the KUM 2 and KUM 3 to the inputs of the low-pass filter 4 and low-pass filter 5, V n , U n - respectively, the low-frequency component of the impulse voltage V and the low-frequency voltage at the load GAI 6.

Предлагаемый усилитель класса D для возбуждения низкочастотных гидроакустических преобразователей (фиг. 2) содержит двухканальный широтно-импульсный преобразователь ШИП 1, ключевые усилители мощности КУМ 2, КУМ 3, фильтры нижних частот ФНЧ 4, ФНЧ 5, гидроакустический излучатель ГАИ 6, высокочастотный инвертор ВЧИ 9, высокочастотный трансформатор ВЧТР 10, выпрямительное устройство ВУ 11, фильтр синфазной помехи ФСП 12.The proposed class D amplifier for excitation of low-frequency hydroacoustic transducers (Fig. 2) contains a two-channel pulse-width converter SHIP 1, key power amplifiers KUM 2, KUM 3, low-pass filters LPF 4, LPF 5, hydroacoustic emitter GAI 6, high-frequency RF inverter 9 , high-frequency transformer VChTR 10, rectifier VU 11, common mode filter FSP 12.

В состав предлагаемого устройства входят блоки, выполненные по известным правилам в соответствии с заявленными особенностями реализации, совокупное применение которых обеспечивает достижение технического результата.The composition of the proposed device includes blocks made according to known rules in accordance with the declared implementation features, the combined use of which ensures the achievement of a technical result.

Широтно-импульсный преобразователь ШИП 1 выполняется так же, как в известном устройстве по патенту №2188498 по двухканальной схеме и может содержать парафазный генератор опорных пилообразных напряжений Uп1, Uп2 и два компаратора с выходными драйверами, обеспечивающими управление схемами ключевого усиления.The pulse-width converter PWM 1 is performed in the same way as in the known device according to patent No. 2188498 in a two-channel scheme and may contain a paraphase generator of reference sawtooth voltages U p1 , U p2 and two comparators with output drivers that control the switching amplification circuits.

Соответственно ключевые усилители мощности КУМ 2 и КУМ 3 реализуются аналогичным образом, как в устройстве-прототипе, по полумостовым схемам на высоковольтных транзисторах, совместное включение которых образует мостовую схему ключевого усиления. Выбор транзисторов должен соответствовать требованиям заданного уровня напряжения Е силового электропитания, определяющего амплитуду импульсного напряжения V и, соответственно, максимальную амплитуду низкочастотного напряжения Uн возбуждения ГАИ 6. Причем для НЧ гидроакустических излучателей значение Uн должно быть не менее 1000 В, при номинальной мощности возбуждения до Рнм=10 кВА, что определяет требуемое значение допустимых напряжений и токов мощных транзисторов:Accordingly, the key power amplifiers KUM 2 and KUM 3 are implemented in the same way as in the prototype device, according to half-bridge circuits on high-voltage transistors, the joint inclusion of which forms a bridge circuit of the key amplification. The choice of transistors must comply with the requirements of the specified voltage level E of the power supply, which determines the amplitude of the pulsed voltage V and, accordingly, the maximum amplitude of the low-frequency voltage U n of excitation of the traffic police 6. Moreover, for low-frequency hydroacoustic emitters, the value of U n must be at least 1000 V, at rated excitation power up to Рnm=10 kVA, which determines the required value of allowable voltages and currents of powerful transistors:

Figure 00000006
Figure 00000006

соответственно, при коэффициентах запаса на надежную работу КU=1,2 и KI=2,0.respectively, with safety factors for reliable operation K U =1.2 and K I =2.0.

Транзисторы оконечных каскадов КУМ должны быть рассчитаны на допустимые параметры Uдоп ≥1,2 кВ, Iдоп=40А. При этом для использования в составе мощных ключевых УНЧ с ШИМ на частотах переключений 50-100 кГц должно быть обеспечено высокое быстродействие с инерционностью переключений не более 0,1-0,2 мкс при весьма малом внутреннем сопровождении в открытом состоянии не более 0,1-0,2 Ом.The transistors of the terminal stages of the KUM must be designed for permissible parameters U add ≥1.2 kV, I add = 40A. At the same time, for use as part of powerful key ULF with PWM at switching frequencies of 50-100 kHz, high speed with a switching inertia of no more than 0.1-0.2 μs should be ensured with a very small internal accompaniment in the open state of not more than 0.1- 0.2 ohm.

До настоящего времени сочетание указанных требований практически исключало возможность реализации высоковольтных оконечных каскадов КУМ с приемлемыми параметрами энергетической эффективности и качества усиления импульсных сигналов с ШИМ. С появлением нового класса полевых транзисторов, созданных с использованием карбид-кремниевых технологий, необходимое сочетание параметров становится достижимым. Так транзисторы фирмы CREE, например типа C2M0025120D, удовлетворяют требованиям Uдоп 1200 В Iдоп 60 А при сопротивлении канала 0,025 Ом и максимальной задержке выключения не более 0,15 мкс.Until now, the combination of these requirements has practically excluded the possibility of implementing high-voltage terminal stages of the CCM with acceptable parameters of energy efficiency and the quality of amplification of pulsed signals with PWM. With the advent of a new class of field-effect transistors, created using silicon carbide technology, the required combination of parameters becomes achievable. So CREE transistors, for example, type C2M0025120D, meet the requirements of U add 1200 V I add 60 A with a channel resistance of 0.025 Ohm and a maximum turn-off delay of not more than 0.15 μs.

Фильтры нижних частот (ФНЧ 4 и ФНЧ 5) предназначены для подавления высокочастотных составляющих импульсного напряжения V и выделения низкочастотной составляющей Vн на нагрузке. В простейшем случае ФНЧ 4, ФНЧ 5 выполняются на дросселях, суммарная индуктивность L которых определяется из соотношения (3) с учетом емкости нагрузки Сн и заданной верхней границы Fв частотного диапазона.Low-pass filters (LPF 4 and LPF 5) are designed to suppress the high-frequency components of the impulse voltage V and isolate the low-frequency component V n at the load. In the simplest case, low-pass filter 4, low-pass filter 5 are performed on chokes, the total inductance L of which is determined from relation (3), taking into account the load capacitance C n and the specified upper limit F in the frequency range.

Высокочастотный инвертор ВЧИ 9 предназначен для высокоэффективного преобразования постоянного напряжения Е0 в высокочастотное напряжение Vr с периодом Т0 для передачи энергии электропитания КУМ 2 и КУМ 3 через высокочастотный трансформатор (ВЧ TP 10). В составе ВЧИ 9 реализуется формирователь ВЧ импульсов с драйвером управления и оконечный каскад на мощных полевых транзисторах, выполненный на полумостовой, либо мостовой схеме. Выходная мощность оконечного каскада ВЧИ 9 должна соответствовать активной составляющей максимальной мощности нагрузки Мах|Рн|. С учетом коэффициента активной мощности ГАИ 6 cosϕ=0,2-0,5, для максимальной мощности Рн=10 кВА выходная мощность ВЧИ 9 должна достигать 5 кВт.The high-frequency inverter VFI 9 is designed for highly efficient conversion of DC voltage E 0 into high-frequency voltage V r with a period of T 0 for power transmission of power supply KUM 2 and KUM 3 through a high-frequency transformer (HF TP 10). As part of the RFI 9, an RF pulse shaper with a control driver and a final stage on powerful field-effect transistors are implemented, made on a half-bridge or bridge circuit. The output power of the final stage RFID 9 must correspond to the active component of the maximum load power Max|P n |. Taking into account the active power factor of the traffic police 6 cosϕ=0.2-0.5, for maximum power P n =10 kVA, the output power of the RFID 9 should reach 5 kW.

При напряжении электропитания от объектовой сети постоянного тока Е0≅220 В для реализации оконечного каскада ВЧИ 9 могут быть использованы MOSFET транзисторы типа IPW60R017C7 с допустимым напряжением электропитания 600 В и максимальным током до 100 А, включенные в полумостовую схему. Высокое быстродействие таких полевых транзисторов позволяет на их основе реализовать высокочастотный инвертор в ключевом режиме с мягкими траекториями переключений на частоте порядка 100 кГц с относительными потерями энергии не более 2%, что соответствует условию высокой энергетической эффективности тракта высокочастотной трансформации напряжения силового электропитания высоковольтных КУМ с использованием ВЧ TP 10 и ВУ 11.With a power supply voltage from the object DC network E 0 ≅220 V, MOSFET transistors of the IPW60R017C7 type with a permissible power supply voltage of 600 V and a maximum current of up to 100 A, included in a half-bridge circuit, can be used to implement the final stage of the RFI 9. The high speed of such field-effect transistors makes it possible on their basis to implement a high-frequency inverter in the key mode with soft switching paths at a frequency of about 100 kHz with a relative energy loss of no more than 2%, which corresponds to the condition of high energy efficiency of the high-frequency voltage transformation path of the power supply of high-voltage CCM using RF TP 10 and VU 11.

Высокочастотный трансформатор ВЧ TP 10 должен обеспечивать гальваническую развязку и согласование напряжения Е силового электропитания КУМ 2 и КУМ 3 от напряжения Е0 объектовой сети в условиях требуемого уровня максимального напряжения возбуждения ГАИ 6:The high-frequency transformer HF TP 10 must provide galvanic isolation and voltage matching E of the power supply of KUM 2 and KUM 3 from the voltage E 0 of the facility network under the conditions of the required level of maximum excitation voltage GAI 6:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Ктвч - коэффициент трансформации ВЧ ТР.where K tvch is the transformation ratio of the HF TR.

Для реализации ВЧ TP может быть использован высокочастотный магнитопровод, например, феррит типа N87, что позволяет на частоте 100 кГц обеспечить удельную мощность трансформатора более чем 2 кВт/кг при относительных потерях энергии менее 1%. Приведенные параметры принципиально отличаются от показателей НЧ TP, которые обеспечивают, например, для нижней частоты 300 Гц удельную мощность 0,2 кВт/кг и потери более 2%.To implement RF TP, a high-frequency magnetic core, for example, ferrite type N87, can be used, which makes it possible at a frequency of 100 kHz to provide a specific transformer power of more than 2 kW/kg with a relative energy loss of less than 1%. The given parameters are fundamentally different from the LF TP indicators, which provide, for example, for a lower frequency of 300 Hz, a specific power of 0.2 kW/kg and a loss of more than 2%.

Выпрямительное устройство ВУ 11 должно обеспечивать преобразование ВЧ напряжения Vвч амплитудой Е в постоянное напряжение заданного уровня. С учетом высокой частоты преобразования в 100 кГц и высокого уровня электропитания E=1000 В, выпрямительное устройство целесообразно реализовать по мостовой схеме на высоковольтных импульсных диодах с допустимым напряжением более 1200 В и максимальным током 10 А. Относительные потери энергии в таком высоковольтном ВУ, как правило, не превышают 0,5%.The rectifying device VU 11 must ensure the conversion of the RF voltage V HF amplitude E into a constant voltage of a given level. Taking into account the high conversion frequency of 100 kHz and the high level of power supply E = 1000 V, it is advisable to implement the rectifier device in a bridge circuit on high-voltage pulsed diodes with a permissible voltage of more than 1200 V and a maximum current of 10 A. The relative energy losses in such a high-voltage VU, as a rule, do not exceed 0.5%.

Особенностью реализации предлагаемого решения является наличие значительного уровня синфазных помех, обусловленных гальванической привязкой выходов оконечных каскадов КУМ 2 и КУМ 3 непосредственно к выходам ГИА 6, что может обуславливать высокочастотные синфазные токи через паразитные емкости элементов схемы ключевого усиления на корпус и далее на общую шину напряжения объектовой сети. Подавление синфазных помех такого типа обеспечивается использованием симметричного ФСП 12, включающего входной и выходной конденсаторы С1 и С2, а также симметричный дроссель на высокочастотном магнитопроводе с встречно включенными обмотками. Индуктивность отдельной обмотки устанавливается порядка 0,5-2,0 мГн, что обеспечивает эффективное подавление синфазных помех с частотами значительно выше 100 кГц. Введение в состав предлагаемого устройства ФСП 12 такого типа является необходимым условием обеспечения устойчивой работы КУМ без НЧ трансформаторной развязки с нагрузкой.A feature of the implementation of the proposed solution is the presence of a significant level of common-mode interference due to the galvanic binding of the outputs of the final stages of the KUM 2 and KUM 3 directly to the outputs of the GIA 6, which can cause high-frequency common-mode currents through parasitic capacitances of the elements of the key amplification circuit to the housing and then to the common voltage bus of the object networks. The suppression of this type of common-mode interference is ensured by using a symmetrical FSP 12, which includes input and output capacitors C1 and C2, as well as a symmetrical choke on a high-frequency magnetic circuit with back-to-back windings. The inductance of a separate winding is set to about 0.5-2.0 mH, which provides effective suppression of common mode noise with frequencies well above 100 kHz. The introduction of this type of FSP 12 into the composition of the proposed device is a necessary condition for ensuring the stable operation of the CCM without low-frequency transformer isolation from the load.

Предлагаемый усилитель класса D для возбуждения низкочастотного гидроакустического преобразователя работает следующим образом.The proposed class D amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer operates as follows.

Напряжение Е0 электропитания от объектовой сети преобразуется ВЧИ 9 в высокочастотное импульсное напряжение Vr (фиг. 3б), которое через ВЧ TP 10 трансформируется в напряжение Vвч (фиг. 3в) заданной амплитуды Е0. В результате на выходе ВУ 11 образуется напряжение силового электропитания Е заданного уровня, которое через ФСП 12 поступает на шины силового электропитания оконечных каскадов КУМ 2 и КУМ 3.The voltage E 0 of the power supply from the object network is converted by the RFID 9 into a high-frequency pulse voltage V r (Fig. 3b), which, through the RF TP 10, is transformed into a voltage V RF (Fig. 3c) of a given amplitude E 0 . As a result, at the output of VU 11, a power supply voltage E of a given level is formed, which, through the FSP 12, is supplied to the power supply buses of the terminal stages of KUM 2 and KUM 3.

В свою очередь напряжение входного сигнала U поступает на вход ШИП 1, где в результате сравнения с противофазными пилообразными напряжениями Uп1, Uп2 обеспечивает формирование сигналов ШИМ 1 и ШИМ 2 (фиг. 3а), которые поступают на входы управления КУМ 2 и КУМ 3. В результате ключевого усиления по мощности сигналов ШИМ 1 и ШИМ 2 на выходах КУМ 2 и КУМ 3 формируются напряжения V1 и V2 (фиг. 3г, д), которые через ФНЧ 4 м ФНЧ 5 поступают в нагрузку ГАИ 6.In turn, the input signal voltage U is fed to the input of SHIP 1, where, as a result of comparison with antiphase sawtooth voltages U p1 , U p2 , it provides the formation of PWM 1 and PWM 2 signals (Fig. 3a), which are fed to the control inputs of KUM 2 and KUM 3 As a result of the key power amplification of the PWM 1 and PWM 2 signals, voltages V1 and V2 are formed at the outputs of the PWM 2 and PWM 3 (Fig. 3d, e), which through the LPF 4 m LPF 5 enter the load of the traffic police 6.

При этом на входах ФНЧ 4 и ФНЧ 5 образуется результирующее импульсное напряжение V амплитудой Е (фиг. 3е), низкочастотная составляющая которого VH имеет амплитуду, пропорциональную индексу модуляции т:At the same time, at the inputs of LPF 4 and LPF 5, the resulting pulse voltage V with amplitude E (Fig. 3f) is formed, the low-frequency component of which VH has an amplitude proportional to the modulation index m:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Uпм - амплитуда опорного пилообразного напряжения.where U pm is the amplitude of the reference sawtooth voltage.

Соответственно на выходах ФНЧ 4, ФНЧ 5, подключенных к нагрузке, выделяется низкочастотное напряжение UH, амплитуда и фаза которого практически (с точностью до передаточных характеристик ФНЧ) совпадает с параметрами низкочастотной составляющей VH результирующего импульсного напряжения. В условиях выполнения рекомендаций по выбору результирующей индуктивности фильтра в соответствии с выражением (3) коэффициент передачи ФНЧ в полосе рабочих частот близок к Kф=1 при весьма малом фазовом сдвиге (не более 5-10 град). Следовательно, максимальное напряжение Max|Uн|, поступающее на ГАИ 6 определяется выражением (6).Accordingly, at the outputs of LPF 4, LPF 5, connected to the load, a low-frequency voltage UH is allocated, the amplitude and phase of which practically (up to the transfer characteristics of the LPF) coincides with the parameters of the low-frequency component VH of the resulting impulse voltage. Under the conditions of fulfilling the recommendations for choosing the resulting filter inductance in accordance with expression (3), the LPF transfer coefficient in the operating frequency band is close to K f =1 with a very small phase shift (no more than 5-10 deg). Therefore, the maximum voltage Max|U n |, supplied to the traffic police 6 is determined by the expression (6).

Таким образом, в заявляемом устройстве достигается бестрансформаторное согласование выхода ключевого УНЧ с низкочастотным ГАИ при соответствующем формировании высоковольтного электропитания оконечных каскадов каналов КУМ 2 и КУМ 3. По сравнению с прототипом достигается принципиальное (не менее, чем в два раза) улучшение массогабаритных показателей за счет исключения громоздких НЧ трансформаторов при уменьшении относительных потерь энергии (с 15% до 10%) в условиях расширения полосы рабочих частот (с 2 октав до 3-4 октав).Thus, in the claimed device, a transformerless matching of the output of the key ULF with a low-frequency GAI is achieved with the corresponding formation of a high-voltage power supply for the terminal stages of the KUM 2 and KUM 3 channels. bulky low-frequency transformers with a decrease in relative energy losses (from 15% to 10%) in the conditions of expanding the operating frequency band (from 2 octaves to 3-4 octaves).

Следует отметить сложность электромагнитной совместимости (ЭМС) предлагаемого технического решения, требующую применения дополнительных технических средств синфазной фильтрации высоковольтного гальванически развязанного напряжения силового электропитания КУМ. Решение этих вопросов достигается применением специального фильтра синфазной помехи ФСП 12, введение которого практически устраняет влияние импульсной ВЧ помехи на условия ЭМС. При этом габариты и потери энергии в ФСП 12 весьма малы и практически не сказываются на характеристиках устройства в целом.It should be noted the complexity of the electromagnetic compatibility (EMC) of the proposed technical solution, which requires the use of additional technical means of common-mode filtering of the high-voltage galvanically isolated voltage of the power supply of the KUM. The solution of these issues is achieved by using a special common-mode noise filter FSP 12, the introduction of which practically eliminates the influence of pulsed RF noise on EMC conditions. At the same time, the dimensions and energy losses in FSP 12 are very small and practically do not affect the characteristics of the device as a whole.

На предприятии изготовлен экспериментальный образец предлагаемого усилителя класса D для возбуждения низкочастотного гидроакустического преобразователя, результаты испытания которого в составе канала излучающего тракта подтвердили достижение заявляемого эффекта при амплитуде выходного напряжения на нагрузке до 1 кВ и номинальной выходной мощности 5 кВА. Предложено внедрить настоящее изобретение в ряде приоритетных разработок передающих трактов режимов низкочастотной гидроакустической связи и гидролокации.The enterprise manufactured an experimental sample of the proposed class D amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer, the test results of which as part of the radiating path channel confirmed the achievement of the claimed effect with an output voltage amplitude at a load of up to 1 kV and a rated output power of 5 kVA. It is proposed to implement the present invention in a number of priority developments of the transmission paths of the modes of low-frequency hydroacoustic communication and sonar.

Claims (1)

Усилитель класса D, содержащий двухканальный широтно-импульсный преобразователь, подключенный входом к шине входного сигнала, а его первый и второй выходы подключены, соответственно, к входам первого и второго ключевых усилителей мощности, входы электропитания которых соединены с шинами силового электропитания, а выходы, соответственно, с входами первого и второго фильтров нижних частот, отличающийся тем, что в его состав введены высокочастотный инвертор, высокочастотный трансформатор и выпрямительное устройство, выходы которого через фильтр синфазной помехи подключены к шинам силового электропитания, а входы через высокочастотный трансформатор и высокочастотный инвертор соединены с шинами напряжения объектовой сети, при этом выходы первого и второго фильтров нижних частот подключены, соответственно, к первому и второму выводам низкочастотного гидроакустического излучателя.A class D amplifier containing a two-channel pulse-width converter connected by its input to the input signal bus, and its first and second outputs are connected, respectively, to the inputs of the first and second key power amplifiers, the power supply inputs of which are connected to the power supply buses, and the outputs, respectively , with the inputs of the first and second low-pass filters, characterized in that it includes a high-frequency inverter, a high-frequency transformer and a rectifier, the outputs of which are connected to the power supply buses through a common-mode noise filter, and the inputs are connected to the buses through a high-frequency transformer and a high-frequency inverter object network voltage, while the outputs of the first and second low-pass filters are connected, respectively, to the first and second outputs of the low-frequency hydroacoustic radiator.
RU2021131395A 2021-10-26 Class d amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer RU2780661C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2780661C1 true RU2780661C1 (en) 2022-09-28

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1131023A1 (en) * 1983-07-21 1984-12-23 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Class d amplifier
US5262733A (en) * 1991-03-11 1993-11-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Pulse-width modulation amplifier
RU2188498C1 (en) * 2001-01-29 2002-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Class d dual-channel amplifier
RU2716041C1 (en) * 2018-10-30 2020-03-05 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Module of high-voltage key amplifier

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1131023A1 (en) * 1983-07-21 1984-12-23 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Class d amplifier
US5262733A (en) * 1991-03-11 1993-11-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Pulse-width modulation amplifier
RU2188498C1 (en) * 2001-01-29 2002-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Class d dual-channel amplifier
RU2716041C1 (en) * 2018-10-30 2020-03-05 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Module of high-voltage key amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4888675A (en) Switching power supply filter
Wang et al. Investigation of hybrid EMI filters for common-mode EMI suppression in a motor drive system
Chen et al. A novel inverter-output passive filter for reducing both differential-and common-mode $ dv/dt $ at the motor terminals in PWM drive systems
RU2558945C2 (en) Ultra-high efficiency switching power inverter and power amplifier
Cochrane et al. Passive cancellation of common-mode noise in power electronic circuits
US6687137B1 (en) Resonant switching power supply circuit with voltage doubler output
RU2416867C1 (en) Electric energy conversion device for electrically driven car
US10569301B2 (en) Power supply for electromagnetic acoustic transducer (EMAT) sensors
US7142440B2 (en) Ripple-current reduction for transformers
US8649193B2 (en) Leakage current reducing apparatus
KR102147028B1 (en) Power conversion device
JP2000201044A (en) Common mode noise reducing device
US11336205B1 (en) Inverter for a low frequency amplifier with high drive voltage, high power density, high efficiency, and wide bandwidth operation
Middelstaedt et al. Investigation of the root causes of electromagnetic noise of an interleaved DC–DC converter with GaN or Si transistors and corresponding optimization strategies
Cuzner et al. Control and characterization of electromagnetic emissions in wide band gap based converter modules for ungrounded grid-forming applications
Amin et al. A review on recent characterization effort of CM EMI in power electronics system with emerging wide band gap switch
Li et al. A symmetrical resonant converter and PCB transformer structure for common mode noise reduction
US11218069B2 (en) Power conversion device
Waffler et al. High temperature (≫ 200° C) isolated gate drive topologies for silicon carbide (SiC) JFET
Gohil Dual-output isolated gate driver power supply for medium voltage converters using high frequency wireless power transfer
RU2780661C1 (en) Class d amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer
WO2021024879A1 (en) Power conversion device
US11777412B2 (en) Switching power supply apparatus for reducing common mode noise due to line-to-ground capacitances
Han et al. Hybrid common-mode EMI filter design for electric vehicle traction inverters
Ohara et al. A novel active common-noise canceler combining feedforward and feedback control