МОЩНЫЙ КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H03F3/217 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиовещательных и связных передатчиках большой и средней мощности.

Использование в мощных радиопередатчиках модуляторов на полупроводниковых приборах, работающих в ключевом режиме, позволяет повысить их КПД и надежность, а также улучшить массогабаритные показатели. Кроме того, некоторые схемные решения подобных модуляторов позволяют усиливать огибающую амплитуд однополосного сигнала, следовательно, могут использоваться в однополосных передатчиках. Однако при реализации таких устройств на практике возникают проблемы, связанные с ограниченной мощностью и ограниченными временами срабатывания известных полупроводниковых ключей.

Известна схема многоканального усилителя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), где на выходе усилителя производится суммирование токов или напряжений N ячеек, причем опорные пилообразные напряжения, используемые для формирования последовательностей управляющих ШИМ-импульсов на входах соседних ячеек, сдвинуты относительно друг друга на время I/(Nf_к), где f_к - частота коммутации ключей в ячейках (1). В этом случае эффективная частота коммутации при формировании выходного сигнала усилителя f _кэфф повышается в N раз (f_кэфф = Nf_к), что существенно улучшает качество воспроизведения усиливаемого сигнала. Однако такое утверждение справедливо лишь в допущении, что переключение полупроводниковых приборов происходят мгновенно. Если же длительности переключения (времена задержек переключения, а также времена спада и нарастания напряжений и токов) окажутся сравнимыми с периодом f_кэфф, улучшение качественных показателей будет существенно меньше ожидаемого. Кроме того, из-за ненулевых длительностей переключения статическая характеристика рассматриваемого усилителя, представляющая собой зависимость уровня постоянного напряжения на выходе усилителя (после фильтра низкой частоты) от величины постоянного напряжения на входе имеет нелинейный начальный участок, что затрудняет получение 100 % глубины амплитудной модуляции в передатчике с таким модулятором и в особенности нежелательно при усилении огибающей однополосного сигнала. Наиболее сильно проявятся указанные недостатки в усилителе большой мощности, когда в качестве элементов коммутации используются мощные запираемые тиристоры. Последние обладают намного худшими (по сравнению с транзисторами) частотными свойствами, причем искажение начального участка статической характеристики усилителя существенно возрастет из-за увеличения длительности перезаряда малым током нагрузки емкостей демпфирующих RC-цепочек, которые необходимы для ограничения скорости нарастания напряжения на тиристорах при большом уровне сигнала.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является ключевой усилитель большой мощности, который содержит формирователь ступенчатого напряжения (ФСН), состоящий из N последовательно включенных ячеек, причем к входам ячеек подключены соответствующие выходы схемы управления, представляющей собой многоуровневый компаратор, т. е. число включенных ячеек оказывается пропорциональным уровню входного сигнала (см. фиг. 1, где 1 - усиливаемый сигнал, 2 - напряжение на выходе ФСН). Таким образом, ФСН формирует ступенчатое напряжение, которое грубо воспроизводит усиливаемый сигнал, при этом ячейки ФСН могут быть реализованы на запираемых тиристорах. Точное же воспроизведение усиливаемого сигнала осуществляется с помощью дополнительного ключевого усилителя с ШИМ, который включен последовательно с ФСН в цепь нагрузки и отслеживает разность между истинной формой сигнала 1 и грубым ступенчатым напряжением 2 (см. 3, фиг. 1). Дополнительный ключевой усилитель должен обеспечивать такую же выходную мощность, что и любая из ячеек ФСН. Такой единственный в данном устройстве ключевой усилитель может быть реализован по более сложной схеме на достаточно высокочастотных полевых или биполярных транзисторах. В целом усилитель (2) позволяет сочетать большую выходную мощность с хорошими качественными показателями.

Недостатком прототипа следует считать то, что ячейки ФСН оказываются неравномерно загруженными по току. Из фиг. 1 видно, что "нижние" ячейки, включение которых происходит при малых уровнях сигнала, оказываются почти всегда включенными, в то время как "верхние" включаются лишь изредка. Следовательно, средние и действующие токи, протекающие через вторичные обмотки силового трансформатора, от которых питаются соответствующие ячейки, а также через полупроводниковые приборы, входящие в состав ячеек, оказываются различными. В результате при реализации указанного технического решения либо часть ячеек будет изготовлена со значительным запасом по мощности, либо придется делать ячейки ФСН неоднотипными, что сложно и вряд ли целесообразно.

Целью изобретения является обеспечение равномерной загрузки по току вторичных обмоток сетевого трансформатора и полупроводниковых приборов, входящих в состав ячеек.

Это достигается тем, что в мощном ключевом усилителе, содержащем схему управления, выходы которой подключены к соответствующим управляющим входам формирователя ступенчатого напряжения, состоящего из N последовательно включенных ячеек, силовые входы ячеек подключены к соответствующим вторичным обмоткам сетевого трансформатора, первичная обмотка трансформатора соединена с сетью переменного тока, а также дополнительный ключевой усилитель, положительный отвод которого через первый фильтр низкой частоты соединен с заземленной нагрузкой, отрицательный отвод формирователя ступенчатого напряжения заземлен, отрицательный отвод дополнительного ключевого усилителя через делитель напряжения подключен к инвертирующему входу схемы разности, выход которой соединен с входом дополнительного ключевого усилителя, схема управления выполнена в виде многофазного формирователя ШИМ-сигналов, вход схемы управления подключен к выходу сумматора, один из входов которого соединен с источником отрицательного смещения, а другой является входом для усиливаемого сигнала и через схему задержки соединен с неинвертирующим входом схемы разности, причем между выходом (положительным отводом) формирователя ступенчатого напряжения и отрицательным отводом дополнительного ключевого усилителя включен второй фильтр низкой частоты.

Введение новых признаков влечет за собой новые свойства усилителя, заключающееся в том, что вторичные обмотки сетевого трансформатора, а также полупроводниковые приборы, оказываются равномерно загруженными по току. Это иллюстрируется на фиг. 2, где N = 2, 1 и 2 - эпюры опорных пилообразных напряжений 1-го и 2-го каналов, 3 - постоянный уровень входного напряжения, 4 и 5 - напряжения на выходе 1-й и 2-й ячеек, 6 - напряжение на выходе ФСН. Выходные напряжения ячеек имеют одинаковую форму, т. е. ячейки работают в одинаковом режиме. Приведенные выше рассуждения остаются справедливыми и при усилении изменяющегося во времени входного сигнала, т. к. скорость изменения модулирующего напряжения существенно меньше скорости изменения пилообразных напряжений 1 и 2. Многофазный формирователь ШИМ-сигналов может быть изготовлен по известной схеме (1), однако там целью его использования было снижение нелинейных искажений выходного сигнала усилителя. Использование такого формирователя в качестве схемы управления вместо многоуровневого компаратора в известной схеме [2] не может улучшить качественные показатели прототипа, поскольку их высокий уровень обеспечивается применением дополнительного усилителя, но приводит к появлению нового свойства, неочевидного из простого сопоставления технических решений [1] и [2] - высокое качество выходного сигнала обеспечивается при равномерной загрузке по току вторичных обмоток сетевого трансформатора и полупроводниковых приборов, входящих в состав ячеек ФСН.

Учитывая вышесказанное, а также то, что подобная совокупность признаков не встречена, отличительные признаки можно считать существенными.

На фиг. 1 приведены эпюры напряжений, характеризующие работу прототипа; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие, как формируется напряжение на выходе ФСН по изобретению; на фиг. 3 - функциональная схема предлагаемого усилителя.

Функциональная схема включает схему 1 управления, формирователь 2 ступенчатого напряжения, состоящий из N последовательно включенных ячеек 3i (i = 1, 2, . . . , N), сетевой трансформатор 4 с N вторичными обмотками, дополнительный ключевой усилитель 5, первый фильтр 6 низкой частоты, нагрузку 7, делитель 8 напряжения, схему 9 разности, сумматор 10, источник 11 отрицательного смещения, схему 12 задержки, второй фильтр 13 низкой частоты и сеть 14 переменного тока.

При этом выходы схемы 1 подключены к соответствующим управляющим входам формирователя 2 ступенчатого напряжения, состоящего из N последовательно включенных ячеек 3i, силовые входы ячеек 3i подключены к соответствующим вторичным обмоткам сетевого трансформатора 4, первичная обмотка трансформатора 4 соединена с сетью 14 переменного тока, положительный отвод дополнительного ключевого усилителя 5 через первый фильтр 6 низкой частоты соединен с заземленной нагрузкой 7, отрицательный отвод формирователя 2 заземлен, отрицательный отвод дополнительного ключевого усилителя 5 через делитель 8 подключен к инвертирующему входу схемы 9, выход которой соединен с входом дополнительного ключевого усилителя 5, схема 1 выполнена в виде многофазного формирователя ШИМ-сигналов, вход схемы управления подключен к выходу сумматора 10, один из входов которого соединен с источником 11, а другой является входом для усиливаемого сигнала и через схему 12 соединен с неинвертирующим входом схемы 9, причем между выходом (положительным отводом) формирователя 2 ступенчатого напряжения и отрицательным отводом дополнительного ключевого усилителя 5 включен второй фильтр 13.

Устройство работает следующим образом.

Входное напряжение усилителя U_вх, смещенное сумматором 10 на некоторую величину Δ, поступает на вход схемы 1. Схема управления формирует последовательности ШИМ-импульсов, сдвинутые относительно друг друга во времени на величину I/(Nf_к), которые поступают на управляющие входы ячеек формирователя 2. Выходное напряжение ФСН, являющееся суммой выходных напряжений ячеек, имеет форму, аналогичную изображенной на фиг. 1 сумме напряжений 2 и 3, т. е. это напряжение имеет грубую ступенчатую форму, состоящую при полном размахе сигнала из N ступеней, а переходы усиливаемого сигнала между уровнями "отслеживаются" ШИМ-импульсами, амплитуда которых равна величине напряжения одной ступени, а частота равна Nf_к. Однако, как отмечалось выше, из-за значительных длительностей переключения мощных полупроводниковых приборов форма этого напряжения оказывается сильно искаженной.

Отфильтрованное фильтром 13 выходное напряжение ФСН приводится делителем 8 к уровню входного сигнала и поступает на инвертирующий вход схемы разности 9, на неинвертирующий вход которой поступает входной сигнал, задержанный схемой 12. Схема задержки компенсирует задержку, которая возникает при прохождении сигнала через фильтр 13. Выделенный схемой разности сигнал ошибки усиливается дополнительным ключевым усилителем 5, который реализован на более высокочастотных полупроводниковых приборах, чем ФСН 2. Выходное напряжение дополнительного усилителя 5 суммируется с отфильтрованным фильтром 13 выходным напряжением ФСН, реализуя таким образом связь "вперед". Полученное напряжение через фильтр 6 поступает в нагрузку 7, роль которой играет оконечный каскад радиопередатчика. Полоса частот модулирующего сигнала U_вх порядка 10 кГц, а частота коммутации дополнительного усилителя 5 - сотни кГц, поэтому частоты среза фильтров 13 и 6 могут быть сильно разнесены, так что эти фильтры практически не влияют друг на друга.

Поскольку выходные зажимы дополнительного ключевого усилителя 5, а также ячеек ФСН 3i, начиная со 2-ой, находятся под "плавающим" потенциалом относительно земли, их управляющие входы, как и в прототипе, должны иметь гальваническую развязку (целесообразно использовать оптическую развязку, т. е. она обеспечивает требуемую электрическую прочность и может передавать постоянную составляющую усиливаемого сигнала).

Выходное напряжение ФСН в рассматриваемом случае может иметь отклонение от требуемой формы 1 (см. фиг. 1) как в положительную, так и в отрицательную сторону в то время как дополнительный усилитель 5, реализованный в соответствии с [2] , обеспечивает на выходе напряжение лишь одной полярности. Во избежание роста нелинейных искажений выходного сигнала входное напряжение, как уже отмечалось, смещается в отрицательную сторону на величину Δ с помощью сумматора 10 и источника отрицательного смещения 11. Величину Δ следует выбирать такой, чтобы отрицательное смещение выходного напряжения ФСН составляло примерно половину амплитуды выходного напряжения одной ячейки 3. Добавляемый от дополнительного усилителя сигнал положительной полярности позволяет в этом случае восстановить требуемую форму напряжения.

Отметим, что при устранении схемы 12 и фильтра 13 предлагаемая схема остается работоспособной, однако уровень нелинейных искажений выходного сигнала несколько возрастает, так как дополнительный усилитель 5 в этом случае "отслеживает" также пульсации напряжения на выходе ФСН.

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется тем, что благодаря ему удается по сравнению с прототипом упростить конструкцию сетевого трансформатора, а также снизить требования к полупроводниковым приборам, входящим в состав ячеек формирователя ступенчатого напряжения. (56) Патент США N 4164714, кл. H 03 F 3/38, 1979.

Патент ФРГ N 3044956, кл. H 03 F 3/217, 1981.

Использование: в радиовещательных и связных передатчиках большой и средней мощности. Сущность изобретения: в ключевом усилителе мощности, содержащем формирователь ступенчатого напряжения, выполненный на соединенных последовательно по постоянному току ячейках, силовые входы каждой из которых подключены к соответствующей вторичной обмотке силового трансформатора, блок управления выполнен в виде многофазного формирователя ШИМ-сигналов, благодаря чему все ячейки оказываются загруженными равномерно. 3 ил.

МОЩНЫЙ КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий блок управления, выходы которого подключены к соответствующим входам формирователя ступенчатого напряжения, выполненного на соединенных последовательно по постоянному току ячейках, силовые входы каждой из которых подключены к соответствующей вторичной обмотке сетевого трансформатора, первичная обмотка которого соединена с сетевым источником переменного тока, дополнительный ключевой усилитель, выход которого через первый фильтр низкой частоты соединен с заземленной нагрузкой, при этом опорный вход дополнительного ключевого усилителя через делитель напряжения соединен с первым входом блока разности, выход которого подключен к информационному входу дополнительного ключевого усилителя, отличающийся тем, что, с целью уменьшения мощности рассеяния путем повышения равномерности загрузки вторичных обмоток сетевого трансформатора, блок управления выполнен в виде многофазного формирователя широтно-импульсно-модулированных сигналов, а также введены сумматор, блок задержки, источник напряжения смещения и второй фильтр низкой частоты, включенный между выходом формирователя ступенчатого напряжения и опорным входом дополнительного ключевого усилителя, при этом первый вход сумматора является входом мощного ключевого усилителя и через блок задержки соединен с вторым входом блока разности, а второй вход сумматора соединен с выходом источника напряжения смещения.