МОДУЛЬ КЛЮЧЕВОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H03F3/217 

Изобретение относится к области усилительной, генераторной и преобразовательной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового и ультразвукового диапазонов в составе усилительных и генераторных устройств, гидроакустических комплексов.

Известны ключевые усилители мощности [1, 2], характеризующиеся высокой энергетической эффективностью и широкими функциональными возможностями. Известные устройства содержат транзисторные оконечные каскады, схемы драйверов импульсных сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), схемы управления и контроля, обеспечивающие их надежную работу, в том числе и при возникновении режимов перегрузки, а также адаптацию к функционированию в многоканальных передающих трактах, реализующих циклическое либо импульсное возбуждение излучающих антенн либо других исполнительных энергоемких устройств. Ключевые усилители такого типа, как правило, содержат дополнительные устройства, обеспечивающие их применение для специализированных задач, конструктивно и топологически выполняются в виде совокупности дискретных компонентов, размещенных на печатных и монтажных платах, компоновка которых требует значительного объемного монтажа. При этом затруднительна реализация необходимых условий создания надежных и эффективных модулей ключевого усиления мощности (КУМ): минимизация габаритов, оптимизация топологии и эффективного отвода тепла от энергонапряженных зон компоновки мощных ключевых элементов.

Известны новые подходы реализации модулей КУМ большой мощности, освоенные, например, фирмой Microsemi, связанные с выполнением функционально и конструктивно законченных модулей [3], содержащих полумостовые либо мостовые схемы оконечных каскадов. Достоинством модулей этой фирмы является применение в оконечных каскадах сильноточных и высоковольтных полевых транзисторов с элементами диодной развязки, исключающей протекание токов через собственные инерционные диоды в структуре полевых транзисторов. Мощные ключевые элементы, транзисторы и диоды оконечного каскада электрически и конструктивно размещаются на токопроводящих шинах оптимальной топологии, интегрированных в теплоотводящее основание. Низкопрофильные (0,5 дюйма) модули типа АРТМ имеют однотипную конструкцию, включающую слаботочные штырьковые выводы и сильноточные плоские площадки для подключения внешних проводников на лицевой (верхней) поверхности модуля. Внутренний объем модуля, ограниченный основанием (нижней платой) и стенками корпуса, конструктивно закрывается верхней крышкой модуля. Модули типа АРТМ позволяют реализовать оконечные каскады КУМ большой мощности (2-20) кВА преимущественно звукового диапазона частот с адаптацией к уровню электропитания (300-600) В. Недостатком известных модулей является отсутствие в их составе необходимых дополнительных устройств: драйверов, схем управления и защиты. Выделенный недостаток затрудняет их применение в составе устройств передающих трактов и требует разработки специальных сложных сильноточных печатных плат, содержащих и слаботочные схемы управления, что приводит к проблемам их электромагнитной совместимости (ЭМС).

Известны микромодули усилителей с ШИМ, например, фирмы APEX [4], в составе которых интегрированы цифровые либо аналоговые модуляторы и мостовые оконечные каскады. Такие модули имеют сложную интегральную структуру, заданную частоту импульсного преобразования, сравнительно малый уровень выходной мощности (10-100) ВА, что ограничивает их применение весьма узким кругом задач генерации сигналов, как правило, звукового диапазона.

Проведенный анализ существующих модулей КУМ малой и большой мощности различной степени интеграции показывает, что в ряде практических случаев проектирования КУМ средней мощности (100-2000) ВА разработчик вынужден отдать предпочтение модулям, выполненным на дискретных компонентах. Достоинством таких устройств является реализация требуемых технических характеристик при обеспечении мер защиты от аварийных режимов работы.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является ключевой усилитель мощности класса BD [5], описанный в авторском свидетельстве СССР 1633481, выполненный на дискретных компонентах и содержащий схемы контроля остаточного напряжения на ключевых элементах.

Устройство-прототип содержит двухтактный широтно-импульсный модулятор, первый и второй выходы которого являются первой и второй шиной ШИМ-сигналов, соединенных соответственно с первыми входами первого и второго коммутаторов, выходы которых соединены с входами управления биполярных транзисторов мостовой схемы оконечного каскада, шины электропитания которого соединены с шинами силового электропитания, а первый и второй выходы подключены к выходным шинам, а также первую и вторую схемы сравнения, первые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам мостовой схемы оконечного каскада, вторые входы подключены к шинам опорного напряжения, а выходы соответственно соединены с первыми входами первой и второй схем разрешения, вторые входы которых подключены к первым входам первого и второго коммутатора, а вторые входы коммутаторов соединены с выходом триггера, первый установочный вход которого подключен к выходу первой схемы разрешения, а второй установочный вход - к выходу второй схемы разрешения.

Структурная схема устройства-прототипа, представленная на фиг. 1, содержит мостовую схему оконечного каскада 1, коммутаторы 2, 3, схемы сравнения 4, 5, триггер 6, схемы разрешения 7, 8, а также шины ШИМ-сигналов (ШИМ 1, ШИМ 2), шины электропитания (+Е, -Е) и шины выходов (Вых. 1, Вых. 2).

Работа устройства-прототипа осуществляется следующим образом.

На шины ШИМ-сигналов поступают импульсные последовательности, соответствующие двухтактной широтно-импульсной модуляции [1], обеспечивающие работу мостовой схемы оконечного каскада в режиме BD. Традиционно в таком режиме обеспечивается поочередная работа диагоналей мостовой схемы в соответствии с полярностью модулирующего воздействия. При этом исключается одновременное переключение транзисторов полумостовых схем и достигается минимизация динамических потерь энергии, что особенно значимо при реализации оконечных каскадов КУМ на инерционных сильноточных биполярных транзисторах. Вместе с тем, работа мостовой схемы в режиме BD характеризуется повышенными нелинейными искажениями при работе на комплексную нагрузку, обусловленными обрывом тока через диод, что приводит к значительным остаточным напряжениям на отключенных ключевых элементах, содержащих параллельно включенные транзистор и диод.

Отличительной особенностью устройства-прототипа является регистрация повышения остаточных напряжений на закрытых ключевых элементах и перевод транзисторов в режим коммутации. Такой процесс обеспечивается в каждой полумостовой схеме мостового оконечного каскада посредством выделения схемами сравнения 4, 5, сигнала превышения остаточного напряжения уровня опорного напряжения U₀ и передачей этого сигнала через схемы разрешения 7, 8 на соответствующие установочные входы триггера 6. В результате через коммутаторы 2, 3 импульсные последовательности ШИМ-сигналов поступают на управление транзисторами ключевых элементов, чем обеспечивается фиксация напряжения на выходных шинах мостовой схемы 1 на уровне напряжения соответствующих шин электропитания. Соответственно исключаются искажения выходного напряжения мостовой схемы, связанные с обрывом выходного тока в условиях фазового сдвига выходных тока и напряжения. Выделенное преимущество устройства-прототипа позволяет даже в условиях комплексного характера нагрузки устранить искажения выходного импульсного напряжения мостовой схемы КУМ при реализации энергетически эффективного режима BD. Вместе с тем, устройство-прототип имеет ряд недостатков, препятствующих его использованию в многоканальных передающих трактах, а именно в гидроакустических передающих трактах, обеспечивающих возбуждение фазированных антенных решеток, управляемых от централизованного формирователя сигналов.

К недостаткам известного устройства относятся:

- отсутствие защиты от режимов токовой перегрузки и короткого замыкания;

- повышенные потери на переключение биполярных транзисторов в мостовой схеме оконечного каскада;

- топологическая и конструктивная сложность реализации на дискретных компонентах;

- пониженная надежность работы при повышении температуры отдельных энергонапряженных элементов в условиях отсутствия контроля температуры;

- недостаточная стойкость к воздействию механических и кинематических факторов на отдельные дискретные компоненты в составе комбинированной модульной структуры.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и энергоэффективности работы в составе многоканальных передающих трактов при минимизации габаритов в условиях оптимизации топологического и конструктивного выполнения модуля ключевого усилителя мощности.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении защиты заявленного модуля КУМ от режимов перегрузки при уменьшении потерь энергии и перегрева, что приводит к повышению надежности, а также в оптимизации топологического и конструктивного выполнения в составе гибридной низкопрофильной сборки и повышенной устойчивостью к внешним воздействиям при обеспечении контроля собственной температуры сборки.

Решение поставленной задачи достигается в известном устройстве, содержащем первую и вторую шины ШИМ-сигналов, первый и второй коммутаторы сигналов, выходы которых соединены с соответствующими входами управления транзисторов мостовой схемы оконечного каскада, шины электропитания которого соединены с шинами силового электропитания, а первый и второй выходы подключены к шинам выходов, а также первую и вторую схемы сравнения, первые входы которых подключены к первому и второму выходу мостовой схемы оконечного каскада, вторые входы соединены с шиной опорного напряжения, а выходы подключены соответственно к первым входам первой и второй схем разрешения, вторые входы которых подключены к первым входам первого и второго коммутаторов, а также триггера, первый установочный вход которого подключен к выходу первой схемы разрешения, посредством введения в его состав новой совокупности блоков и связей.

В это устройство согласно изобретению дополнительно введены первый и второй драйверы импульсных сигналов, четырехканальная схема оптоэлектронной развязки, диодный сумматор и шины Разрешения и Контроля, причем мостовой оконечный каскад выполнен на сильноточных полевых транзисторах, в свою очередь, выходы первой и второй схем разрешения подключены к первому установочному входу триггера, а второй установочный вход триггера соединен через первый канал схемы оптоэлектронной развязки к входу шины Разрешение и к первому входу диодного сумматора, выход триггера соединен со вторым входом диодного сумматора и через второй канал схемы оптоэлектронной развязки - с выходом шины Готовность, выход диодного сумматора подключен ко вторым входам первого и второго коммутаторов, первые входы которых, соединены соответственно через последовательно включенные третий канал оптоэлектронной развязки и первый драйвер с первой шиной ШИМ-сигналов и через последовательно включенные второй драйвер и четвертый канал оптоэлектронной развязки соединен со второй шиной ШИМ-сигналов.

Для повышения технологичности и надежности предлагаемого устройства модуль ключевого усилителя мощности может быть выполнен в виде гибридной интегральной низкопрофильной сборки, содержащей стенки корпуса, верхнюю и нижнюю печатные платы, расположенные друг над другом, причем нижняя печатная плата выполнена на алюминиевой основе, с изоляцией однослойных печатных проводников, на которой установлены сильноточные полевые транзисторы мостовой схемы оконечного каскада, шины электропитания и выходы которого соединены с сильноточными штыревыми выводами шин электропитания и шин выходов, соединенных перпендикулярно с печатными проводниками нижней печатной платы и проходящих через отверстия верхней печатной платы, причем на внутренней поверхности верхней печатной платы размещаются слаботочные элементы модуля ключевого усилителя мощности, а именно первый и второй коммутаторы, первая и вторая схемы сравнения, первая и вторая схемы разрешения, выполненные соответственно группами в составе первой и второй микросхем импульсного управления, а также микросхемы драйверов импульсных сигналов, микросхема четырехканальной схемы оптоэлектронной развязки, элементы триггера и диодного сумматора; в свою очередь, верхняя печатная плата соединена с первой и второй шинами ШИМ-сигналов, шинами готовности и разрешения через слаботочные штыревые выводы, адаптированные к подключению разъемного соединителя, причем нижняя печатная плата является основанием низкопрофильной гибридной сборки и снабжена контурным профильным пазом для установки стенок корпуса.

Кроме того, для контроля температуры и защиты от перегрева в состав модуля ключевого усилителя мощности может быть введен цифровой датчик температуры, установленный вблизи нижней печатной платы. Цепи сервисного электропитания и выходного сигнала цифрового датчика температуры соединены соответствующими дополнительными шинами модуля ключевого усилителя мощности через слаботочные штыревые выводы верхней печатной платы.

Для повышения устойчивости к воздействию механических и климатических внешних факторов после электрического монтажа и механической сборки внутренний объем модуля может быть залит компаундом, обеспечивающим влагоизоляцию и электроизоляцию, механическую прочность и объемный отвод тепла на основание низкопрофильной гибридной сборки.

Повышение надежности работы в составе многоканальных передающих трактов при минимизации габаритов в условиях оптимизации топологического и конструктивного выполнения модуля КУМ в известном устройстве достигается использованием следующей новой совокупности схемотехнических и технических приемов.

Во-первых, повышение надежности и энергоэффективности модуля КУМ достигается контролем остаточных напряжений U_ост на ключевых элементах мостовой схемы оконечного каскада, выполненных на сильноточных полевых транзисторах с собственными быстродействующими диодами. Контроль проводится по напряжению на выходных шинах мостовой схемы во время открытых состояний нижних транзисторов, истоки которых соединены с отрицательной шиной электропитания с учетом весьма малого уровня контролируемых сигналов (U_ост≤2…3 B). Такое включение обеспечивает достоверность контроля и надежность предотвращения аварийных режимов перегрузки, характеризующихся повышенным уровнем остаточного напряжения и перегревом энергонапряженных зон схемы оконечного каскада КУМ при минимальных потерях энергии. Выявление аварийных режимов перегрузки достигается новой совокупностью узлов и связей, предложенных в заявленном устройстве.

Во-вторых, оптимальная топология и конструкция достигаются реализацией модуля КУМ в виде гибридной низкопрофильной сборки, состоящей из верхней и нижней печатных плат, где элементы оконечного каскада расположены на внутренней стороне нижней теплоотводящей платы, являющейся основанием модуля, а микросхемы управления и контроля размещены на верхней печатной плате, при этом верхняя и нижняя печатные платы объединены штыревыми выводами по кратчайшему пути при минимальном межплатном расстоянии, что соответствует минимизации габаритов предлагаемого модуля КУМ.

В-третьих, при использовании модуля КУМ в многоканальных передающих трактах дополнительное повышение надежности достигается включением в состав модуля цифрового датчика температуры, обеспечивающего передачу информации о температурном режиме в централизованную систему диагностики, реализующей контроль и при необходимости изменения энергонапряженности режима работы отдельных каналов и передающего тракта в целом.

В-четвертых, прочность к механическим и климатическим воздействиям для повышения надежности применения модулей КУМ в составе специальных изделий достигается заливкой внутреннего объема модуля теплопроводящим, влагостойким, электроизоляционным компаундом, обеспечивающим эффективный отвод тепла на нижнюю теплопроводящую плату, являющуюся основанием модуля, который может быть установлен на теплоотводящую панель.

Совокупность вновь введенных блоков связей и технических средств в известных ключевых усилителях мощности ранее не использовалась, что позволяет впервые реализовать ключевой усилитель с устройством управления и контроля в модульном исполнении при обеспечении защиты от токовой перегрузки по остаточному напряжению на полевых транзисторах мостовой схемы оконечного каскада, также позволяет вдвое сократить потери энергии и повысить надежность работы модуля в составе многоканального передающего тракта при значительном (более чем в два раза) сокращении габаритных размеров модуля.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где на фиг 1 приведена структурная схема устройства-прототипа, на фиг. 2 - схема заявленного ключевого усилителя мощности, на фиг. 3 - компоновка предлагаемого модуля КУМ, на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие его работу,

Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит схему 1 мостового оконечного каскада 1, коммутаторы 2 и 3, схемы сравнения 4 и 5, триггер 6, схемы 7 и 8 разрешения, диодный сумматор 9, четырехканальную схему 10 оптоэлектронной развязки, драйверы (11 и 12) импульсного сигнала, шины ШИМ-сигналов (ШИМ1 и ШИМ2), также содержит выходные шины (Вых. 1 и Вых. 2) и шины электропитания (+Е и -Е). Коммутаторы 2 и 3, схемы 4 и 5 сравнения и схемы 7 и 8 разрешения могут быть сгруппированы в отдельные схемы 13 и 14 импульсного управления, выполненные, например, на микросхемах типа IRS20124S.

Дополнительно в состав предлагаемого устройства может быть введен цифровой датчик температуры 15, обеспечивающий передачу информации на дополнительную шину модуля (контроль температуры).

Элементы, входящие в состав предлагаемого модуля КУМ (фиг. 3а), компонуются на двух печатных платах: нижняя плата 16 с транзисторами схемы мостового каскада, снабженная сильноточными штыревыми выводами 18; верхняя плата 17 с микросхемами и элементами схем управления и контроля соединенная со слаботочными штыревыми выводами 19. Внутренний объем модуля, ограниченный стенками корпуса 20 и печатными платами 16 и 17 залит компаундом 21.

Элементы установлены на внутренней поверхности печатных плат 16, 17 и, соответственно, входят в объем модуля, залитый герметичным, теплопроводящим и электроизоляционным компаундом 21. Штыревые выводы 18 и 19 модуля разделены на сильноточные и слаботочные шины и соединены соответственно с нижней и верхней печатными платами.

Пример размещения элементов нижней и верхней печатной платы приведены на фиг. 3б и фиг. 3в соответственно. На нижней печатной плате кроме сильноточных штыревых выводов 13, 14,7, 12,1 и сильноточных транзисторов VT1-VT4 мостовой схемы оконечного каскада также установлены конденсаторы С13 - С16 и С9 - С12 емкостного фильтра напряжения силового электропитания и демпфирующие цепи из элементов R4, R5, R8, R9 и С3, С4, С7, С8 напряжения шин выходов. На верхней печатной плате (фиг. 3в) показана установка микросхем драйверов 11 и 12 ШИМ-сигналов (DA2, DA3), схемы 10 четырехканальной оптоэлектронной развязки (DA4), микросхем 13 и 14 импульсного управления (DA5, DA6), элементы триггера 6 микросхема (DD1) и диодного сумматора VD1, VD2, датчика 15 температуры (DD2), а также стабилизатор сервисного питания DA1 и другие дискретные элементы, обеспечивающие взаимосвязи и функционирование основных функциональных узлов управления и контроля.

Принципы действия модуля КУМ поясняются временными диаграммами сигналов, приведенными на фиг. 4.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Входные последовательности импульсных сигналов ШИМ1 и ШИМ2, соответствующие двухканальной ШИМ, поступают на входы драйверов 11, 12 импульсного сигнала, обеспечивающих согласованный прием и усиление модулированных импульсных сигналов от централизованного устройства формирования импульсных сигналов в составе многоканального передающего тракта. Сигналы с выходов драйверов 11, 12 через отдельные каналы схемы 10 оптоэлектронной развязки передаются на первые входы коммутаторов 2 и 3, где формируются противофазные сигналы управления транзисторами полумостовых схем мостового оконечного каскада 1. При наличии команды разрешения положительной полярности, поступающей через отдельный канал схемы оптоэлектронной развязки и диодный сумматор в виде команда управления на вторые входы коммутаторов 2 и 3, парофазные управляющие сигналы с их выходов поступают на соответствующие входы управления транзисторов оконечного каскада. В результате на шинах выходов (Вых 1 и Вых 2) формируются импульсные напряжения V1 и V2, совпадающие с исходными сигналами с ШИМ для прямого сигнала ШИМ1 и инверсного ШИМ2.

Таким образом, результирующее импульсное напряжение V на выходе мостовой схемы представляет собой двухтактную импульсную последовательность широтно-модулируемых импульсов:

V=V1-V2.

При подключении к шинам выходов модуля КУМ через дроссель фильтра активно-емкостной нагрузки через транзисторы 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 мостовой схемы оконечного каскада замыкается выходной ток I, содержащий полезную низкочастотную составляющую выходного сигнала и дополнительные высокочастотные составляющие как результат широтно-импульсного преобразования и последующего ключевого усиления мощности. В результате протекания выходного тока через нижние полевые транзисторы 1.2 и 1.3 мостовой схемы, соединенные истоками с шиной электропитания -Е, на внутреннем сопротивлении сток-исток R_си открытых транзисторов выделяется остаточное напряжение U_от1 либо U_от2, пропорциональное величине полуволн протекающего тока положительной либо отрицательной полярности. В аварийном режиме перегрузки для значений выходного тока, соответствующих граничным значениям режима перегрузок, величина остаточных напряжений превышает установленное пороговое значение U_o:

В этом случае во время импульсов управления нижними транзисторами на выходах схем 4 либо 5 сравнения формируются импульсы, проходящие через схемы 7 либо 8 разрешения на первый установочный вход триггера 6.

В результате, на выходе триггера 6 устанавливается сигнал низкого уровня, который через диодный сумматор блокирует прохождение сигнала разрешения и на вторые входы коммутаторов 2 и 3, чем запрещается прохождение импульсов управления на входы полевых транзисторов мостовой схемы оконечного каскада и обеспечивается режим защиты.

Одновременно низкий уровень сигнала с выхода триггера 6 передается через канал схемы 10 оптоэлектронной развязки на шину Готовность, низкий уровень сигнала на выходе которой соответствует отсутствию готовности работы модуля в цикле излучения. При завершении цикла излучения на вход шины Разрешение модуля поступает сигнал низкого уровня, который через канал схемы 10 оптоэлектронной развязки поступает на второй установочный вход триггера 6, устанавливая на его выходе сигнал высокого уровня. Одновременно низкий уровень сигнала шины Разрешение через диодный сумматор 9 блокирует прохождение сигнала высокого уровня с выхода триггера на вторые входы коммутаторов, что соответствует закрытому состоянию полевых транзисторов мостовой схемы оконечного каскада в паузе между циклами излучения. При следующем цикле излучения сигнал высокого уровня с шины разрешения через канал схемы 10 гальванической развязки и через диодный сумматор 9 проходит на вторые входы коммутаторов 2 и 3, чем достигается прохождение импульсных сигналов ШИМ1 и ШИМ2 через каналы схемы 10 гальванической развязки и коммутаторы 2 и 3 на управление полевыми транзисторами мостовой схемы оконечного каскада 1.

Таким образом, обеспечивается ключевое усиление сигналов двухканальной ШИМ в режиме излучения. В отсутствие перегрузки работа ключевого усилителя мощности осуществляется в номинальном режиме во всем цикле излучения, соответствующем высокому уровню сигнала на шине разрешения. При этом информация о работоспособности модуля передается с выхода триггера 6 через канал схемы 10 гальванической развязки в виде сигнала высокого уровня на шине Готовность.

Применение в составе схемы мостового оконечного каскада модуля КУМ сильноточных полевых транзисторов с собственными диодами, характеризующимися высоким быстродействием в условиях выделения информации о возникновении режима перегрузки без дополнительных потерь энергии, непосредственно по остаточным напряжениям на транзисторах позволяет обеспечить повышение надежности и энергетической эффективности предлагаемого устройства. В свою очередь использование двухканальной широтно-импульсной модуляции позволяет снизить потери на переключение без дополнительных искажений выходного сигнала, что также выгодно отличает заявленный модуль КУМ от известных устройств и устройства-прототипа.

Фактором повышения надежности работы предлагаемого устройства в условиях повышенной температуры является возрастание R_си и, соответственно, величины остаточных напряжений на открытых транзисторах в режиме перегрева. В результате обеспечивается срабатывание механизма защиты от перегрузки при более низких выходных токах в условиях уменьшения потерь энергии на транзисторах мостовой схемы оконечного каскада 1.

Для предотвращения перегрева модуля при его работе в составе многоканального передающего тракта в состав предлагаемого устройства достаточно ввести цифровой датчик температуры 15. Информация с цифрового датчика передается по дополнительной контрольной шине в систему диагностики многоканального передающего тракта и может быть использована для принятия соответствующего решения при нарушении номинального температурного режима работы.

Техническая реализация предлагаемого устройства для использования в составе многоканальных передающих трактов предполагает централизованное силовое и сервисное электропитание ряда модулей, управляемых отдельными ШИМ-сигналами с групповым включением в цикле излучения. Предлагаемая реализация модуля наиболее полно отвечает условиям групповой работы и обеспечивает централизованный сбор контрольной информации о работоспособности и режимах работы каналов передающего тракта.

Уровень силового напряжения электропитания модулей определяется типом транзисторов мостовой схемы оконечного каскада. С учетом особенностей работы транзисторов в схеме ключевого усилителя мощности при выборе типа полевых транзисторов особое внимание уделяется быстродействию собственного обратного диода и малому значению внутреннего сопротивления транзисторов в открытом состоянии. Из современных полевых транзисторов совокупности указанных свойств наилучшим образом соответствует транзистор типа IRFS4227PBF с временем восстановления обратного диода менее 10 нс, номинальным током 30 А и максимально допустимым напряжением 200 В. При реализации мостовой схемы оконечного каскада на таких транзисторах напряжение силового электропитания может быть обеспечено на уровне 100-130 В, что соответствует номинальной мощности модуля КУМ порядка 1 кВА. Для выполнения в составе модуля функциональные узлы предлагаемого устройства реализуются на микросхемах в корпусах для поверхностного монтажа с максимальной интеграцией. Группы узлов 2, 4, 7 и 3, 5, 8 могут быть выполнены в составе микросхем типа IRS20124S, представляющих собой драйверы с плавающей точкой с необходимой периферией. Схема 10 четырехканальной гальванической развязки реализуется, например, на микросхеме IS0724CDW. Драйверы сигналов ШИМ могут быть выполнены на микросхемах MAX13486EESA. Для реализации триггера 6 применена типовая микросхема 74HCT132D, диодный сумматор предложено выполнить на малогабаритных дискретных диодах, например, типа BAS21. Контроль температуры внутреннего объема модуля КУМ осуществляется с помощью цифрового термодатчика, выполненного на микросхеме типа TMP03FT9. В качестве элементов схемы управления и контроля могут использоваться отечественные аналоги предложенных микросхем.

Приведенный пример выполнения модуля КУМ подтверждает реализуемость предлагаемого устройства, адаптированного к применению в составе канала многоканального передающего тракта.

Вместе с тем, применение в предлагаемом устройстве новой совокупности узлов, связей и технических приемов схемотехнического, топологического и конструктивного выполнения позволяет получить технический эффект, связанный с повышением надежности и энергоэффективности при минимизации габаритов и обеспечении удобства применения модулей КУМ в составе многоканальных передающих трактов. Выделенные преимущества предлагаемого модуля КУМ по сравнению с известными устройствами обеспечивают защиту от режимов перегрузки без увеличения потерь энергии и перегрева в экстремальном режиме, а также более чем в 2 раза сократить удельные габаритные размеры модуля при обеспечении эффективного отвода тепла на теплоотводящую панель за счет низкого профиля модуля (высота не более 15 мм) и использование в качестве основания теплоотводящей печатной платы.

Удобство применения предлагаемого модуля КУМ обеспечивается размещением в его составе мостового оконечного каскада на сильноточных полевых транзисторах драйверов импульсного сигнала, узлов и элементов управления и контроля, позволяющих реализовать дистанционное управление по шинам ШИМ-сигналов, сбор необходимой контрольной информации и централизованное электропитание ряда модулей КУМ в составе многоканального передающего тракта.

Совокупность преимуществ заявляемого устройства выгодно отличает его от известных устройств и позволяет внедрить в многоканальные передающие тракты для гидроакустических комплексов. В настоящее время разработан модуль КУМ с номинальной выходной мощностью 1000 ВА и изготовлены опытные образцы на основе заявляемого устройства. Результаты испытаний подтвердили представленные преимущества модуля КУМ. Опытные образцы имеют габариты 70×50×12 мм при максимальной высоте с учетом выводов 22 мм. При номинальном напряжении электропитания 110 В, максимальная выходная мощность обеспечивается до 1500 ВА в условиях защиты от перегрузки на уровне амплитуды выходного тока порядка 30 А. КПД модуля КУМ в номинальном режиме при работе на активную нагрузку через фильтр нижних частот составляет 95% при частоте ШИМ 150 кГц. Опытные образцы модулей КУМ апробированы в составе прибора многоканального цифрового генераторного устройства ЦГУ ультразвукового диапазона гидроакустического передающего тракта обзора освещения обстановки. В составе прибора ЦГУ 48 каналов на основе модулей КУМ. В ходе длительных испытаний, включающих режимы короткого замыкания и перегрузки, модули КУМ подтвердили высокую надежность работы.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявляемого технического решения, что позволяет рекомендовать его внедрение в передающие тракты гидроакустических комплексов.

Источники информации

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. - М.: Связь, 1980, с. 207.

2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. - М.: Энергия, 1980, с. 232.

3. Phase leg series & SiC parallel diodes MOSFET. Power Module., Full-Blidge MOSFET Power Module, www.microsemi.com.

4. Pulse width modulation amplifiers SA 07, SA 12. www.apexmicrotech.com.

5. Авторское свидетельство СССР №1633481. Ключевой усилитель мощности класса BD / Александров В.А. и др. Опубл. 07.03.91. БИ №9.

Изобретение относится к области усилительной, генераторной и преобразовательной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового и ультразвукового диапазона в составе усилительных и генераторных устройств, гидроакустических комплексов. Техническим результатом является повышение надежности и энергоэффективности работы в составе многоканальных передающих трактов в условиях оптимизации топологического и конструктивного выполнения при минимизации габаритов модуля ключевого усилителя мощности. Изобретение обеспечивает контроль остаточных напряжений на открытых ключевых элементах мостовой схемы оконечного каскада, выполненных на сильноточных полевых транзисторах, и их отключении в режимах токовой перегрузки посредством использования двух схем импульсного управления транзисторами, каждая из которых содержит коммутатор, схему сравнения и схему разрешения, а также триггера и диодного сумматора. Для использования в многоканальных трактах в состав модуля КУМ введены два драйвера импульсных сигналов и схема оптоэлектронной развязки, а также датчик температуры. Для повышения устойчивости к воздействию механических и климатических внешних факторов после электрического монтажа и механической сборки внутренний объем модуля заливается специальным компаундом, обеспечивающим влагоизоляцию и электрическую изоляцию, механическую прочность и объемный теплоотвод на основание низкопрофильной гибридной сборки. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Модуль ключевого усилителя мощности, содержащий первую и вторую шины ШИМ-сигналов, первый и второй коммутаторы, выходы которых соединены с соответствующими входами управления транзисторов мостовой схемы оконечного каскада, шины электропитания которого присоединены к шинам силового электропитания, а первый и второй выходы подключены к шинам выходов и первым входам первой и второй схем сравнения, вторые входы которых подключены к шинам опорного напряжения, а выходы соответственно соединены с первыми входами первой и второй схем разрешения, вторые входы которых подключены к первым входам первого и второго коммутаторов, а также триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу первой схемы разрешения, отличающийся тем, что в него введены первый и второй драйверы импульсных сигналов, четырехканальная схема оптоэлектронной развязки, диодный сумматор, а также шины Разрешение и Готовность, причем мостовой оконечный каскад выполнен на сильноточных полевых транзисторах, выходы первой и второй схем разрешения подключены к первому установочному входу триггера, а второй вход триггера подключен через первый канал схемы оптоэлектронной развязки к входу шины разрешения и к первому входу диодного сумматора, выход триггера подключен через второй канал схемы оптоэлектронной развязки к выходу шины Готовность и второму входу диодного сумматора, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго коммутаторов, первые входы которых соединены соответственно через последовательно включенные первый драйвер и третий канал оптоэлектронной развязки с первой шиной ШИМ-сигналов и через последовательно включенные второй драйвер и четвертый канал оптоэлектронной развязки - со второй шиной ШИМ-сигналов.

2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде гибридной низкопрофильной сборки, содержащей стенки корпуса, верхнюю и нижнюю печатные платы, расположенные друг над другом, причем нижняя печатная палата выполнена на алюминиевой основе с изоляцией однослойных печатных проводников, на которых установлены сильноточные полевые транзисторы мостовой схемы оконечного каскада шины электропитания и выходы которого соединены с сильноточными штыревыми выводами шин электропитания и шин выходов, подключенных перпендикулярно к печатным проводникам нижней печатной платы, эти сильноточные штыревые выводы проходят через отверстия верхней печатной платы, на которой размещаются слаботочные элементы модуля ключевого усиления, а именно: первый и второй коммутаторы, первая и вторая схемы сравнения, первая и вторая схемы разрешения, выполненные соответственно группами в составе первой и второй микросхем импульсного управления, а также микросхемы драйверов импульсных сигналов, микросхема четырехканальной оптоэлектронной развязки и элементы триггера и диодного сумматора, при этом верхняя печатная плата соединена с шинами ШИМ-сигналов Готовность и Разрешение через слаботочные штыревые выводы, причем нижняя печатная плата является основанием гибридной сборки и снабжена контурным профильным пазом для установки стенок.

3. Модуль по п. 2, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введен цифровой датчик температуры, установленный вблизи нижней печатной платы, цепи сервисного электропитания и выходного сигнала контроля температуры которого соединены с соответствующими дополнительными шинами модуля ключевого усиления мощности через слаботочные штыревые выводы верхней печатной платы.

4. Модуль по п. 3, отличающийся тем, что в его внутренний объем после электрического монтажа и механической сборки заливают компаундом, который обеспечивает влагозащиту, электрическую изоляцию и объемный отвод тепла на основание нижней печатной платы гибридной низкопрофильной сборки.