МОДУЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КЛЮЧЕВОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2020 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, технологических и 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 для адаптации к функционированию в многоканальных передающих трактах, реализующих циклическое или 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 не обеспечиваются необходимые условия создания надежных и эффективных модулей ключевого усиления мощности (КУМ): минимизация габаритов, оптимизация топологии и эффективного отвода тепла от мощных ключевых элементов их оконечных каскадов. Выделенные недостатки особенно значимы при реализации высоковольтных схем ключевого усиления, адаптированных к электропитанию от объектовых сетей переменного (3ф.380В.50 Гц) и постоянного тока (175-350 В), где силовое выпрямленное напряжение достигает 600-700 В.

Известны новые подходы реализации модулей КУМ большой мощности, в том числе рассчитанные на высокое напряжение питания, выпускаемые 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 (0,5-1,0 дюйма) модули типа АРТМ имеют одноплатную 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 (500-5000) ВА разработчик вынужден отдать предпочтение схемам на печатных платах, выполненных с использованием дискретных элементов. Наряду с известными недостатками преимуществом таких устройств является реализация требуемых технических средств управления КУМ при обеспечении мер защиты от аварийных режимов работы. Однако, сложность схемотехнической, топологической и конструктивной реализации при необходимости адаптации в ряде случаев к конструктиву аппаратуры, значительно затрудняет применение схем КУМ такого вида и ухудшает характеристики передающих трактов на их основе.

Наиболее близкими к предлагаемому является модуль ключевого усилителя мощности [5], описанный в патенте RU 2573229. Устройство-прототип содержит мостовую схему оконечного каскада, два драйвера импульсных сигналов с прямым и инверсным началами передачи, датчик температуры, звенья оптоэлектронной развязки выходных и входных сигналов и схему управления, включающую R3-триггер, дискретный сумматор, две схемы сравнения и две схемы совпадения. Оконечный каскад известного модуля КУМ выполнен на низковольтных (до 200 В) сильноточных (до 30А) полевых транзисторах, собственные обратные диоды которые имеют удовлетворительные импульсные характеристики, что упрощает схему оконечного каскада и позволяет разместить его элементы на нижней теплоотводящей односторонней печатной плате ограниченного размера (50×70 мм). Номинальное напряжение электропитания такого каскада не превышает 100-150 В и должно обеспечиваться от преобразователя, выход которого гальванически развязан с шиной электропитания от объектовой сети. В этих условиях возможно использование драйверов с плавающей точкой без гальванической развязки, что предложено в устройстве прототипе и выгодно отличает его от известных аналогов.

Кроме того в известном техническом решении при пониженном напряжении электропитания достаточно эффективно использование защиты от перегрузки по возрастанию остаточных напряжений на частных полевых транзисторах схемы оконечного каскада, что также является преимуществом устройства-прототипа.

К недостаткам известного модуля КУМ является невозможность прямой адаптации к относительно высокому уровню напряжения сети объекта, пониженный уровень выходной мощности (до 1000 ВА) и большие потери энергии на остаточных напряжениях на ключевых элементах до 5-7%. Кроме того, реализованная в устройстве-прототипе защита от режима перегрузки по уровню остаточного напряжения на открытых ключевых элементов схемы оконечного каскада характеризуется существенным разбросом порога срабатывания и зависимостью максимального выхода тока от температуры мощных полевых транзисторов. Выделенный фактор может приводить к возникновению аварийной ситуации или к неоправданному ограничению номинальной выходной мощности усилительного устройства. К понижению надежности известного устройства также приводит отсутствие контроля перегрева и отключения сервисного электропитания за допустимые границы изменения.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы модуля ключевого усилителя мощности при минимизации габаритов передающей аппаратуры в условиях адаптации напряжения силового электропитания КУМ к высокому напряжению сети объекта.

Технический результат изобретения заключается в понижение потерь энергии при работе высоковольтных полевых транзисторов в мостовой схеме оконечного каскада КУМ, адаптированного к напряжению электропитания от сети объекта, и обеспечения надежного функционирования при исключении аварийных ситуаций, связанных с перегрузкой по выходному току, перегревом либо отклонением сервисного напряжения за минимальный допускаемый порог изменения, в условиях оптимизации размещения элементов в составе гибридной низкопрофильной сборки модуля.

Решение поставленной задачи достигается в известном устройстве, содержащем первый и второй драйверы, входы которых через первое и второе звено цепи гальванической развязки соединены с первой и второй шинами ШИМ сигналов, также содержащий мостовую схему оконечного каскада, выполненную в виде двух стоек, включающих каждая по два транзистора, средние точки которых являются первым и вторым выходами мостовой схемы оконечного каскада, соединенного первым выходом с первым выводом выходного сигнала, а также шину сервисного электропитания, датчик температуры и схему управления, содержащую первую и вторую схемы сравнения, первую и вторую схемы совпадения, RS-триггер, дискретный сумматор, при этом вход схемы управления подключен через третье звено цепи гальванической развязки к выводу команды «Разрешение», выход подсоединен к входам разрешения первого и второго драйверов, а выход контроля соединен через четвертое звено устройства гальванической развязки к выводу сигнала «Готовность», посредствам введения в его состав новой совокупности блоков и связей. А именно в его состав дополнительно введены задающий генератор, квазирезонансный инвертор, многоканальный трансформатор, пять звеньев выпрямителя, четыре звена схемы смещения напряжения, четыре звена задержки фронта импульсов, а также датчик тока, причем мостовая схема оконечного каскада содержит емкостной фильтр, включенный между выводами электропитания, и выполнена на высоковольтных полевых транзисторах с быстродействующим обратным диодом, а прямой и инверсный каналы первого и второго драйверов, выполнены на элементах высоковольтной гальванической развязки ШИМ сигналов, при этом выходы прямого и инверсного каналов первого и второго драйверов подключены к входам транзисторов первой и второй стойки мостовой схемы оконечного каскада через первое и второе, соответственно, третье и четвертое звено задержки фронта импульсов, причем входы электропитания прямого и инверсного каналов первого и второго драйверов соединены с выходами первой, второй и третьей, четвертой звеньев схемы смещения, входы которых соединены, соответственно через первый, второй и третий, четвертый звенья выпрямителя, с первой, второй и третьей, четвертой вторичными обмотками многоканального трансформатора, пятая вторичная обмотка которого через пятое звено выпрямителя соединена с входом электропитания схемы управления, причем первичная обмотка многоканального трансформатора соединена с выходом квазирезонансного инвертора, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а вход электропитания к входу электропитания задающего генератора и шине сервисного электропитания, в свою очередь между вторым выходом мостовой схемы оконечного каскада и вторым выводом выходного сигнала включен датчик тока, гальванически развязанный выход которого соединен с первым контрольным входом схемы управления, второй контрольный вход которой подключен к выходу датчика температуры, а в схему управления дополнительно введены два релейных элемента и схема формирования опорных напряжений, вход которой соединен с входом электропитания схемы управления, а первый и второй выходы соединены с первыми входами первого и второго релейных элементов, третий и четвертый выходы соединены с первыми входами первой и второй схем сравнения, причем вторые входы первого и второго релейных элементов подсоединены, соответственно, к входу электропитания и второму контрольному входу схемы управления, вторые входы первой и второй схем сравнения подключены к первому контрольному входу схемы управления, а выходы - к входам первой схемы совпадения, соединенной выходом с первым входом RS-триггера, второй вход которого подключен к входу схемы управления и первому входу второй схемы совпадения, а выход к третьему входу дискретного сумматора, соединенного первым и вторым входами с выходами первого и второго релейных элементов, а выходом - с выходом контроля схемы управления, соединенного со вторым входом второй схемы совпадения.

Для адаптации к высокому напряжению электропитания и минимизации габаритов заявленного модуля он выполнен в виде гибридной низкопрофильной сборки, соединяющей стенки корпуса, нижнюю печатную плату на алюминиевой основе с изоляционным слоем оксида алюминия, являющуюся теплоотводящим основанием модуля, и верхнюю печатную плату, а также вертикальные штыревые выводы для межплатных соединений и внешних выводов, при этом на нижней печатной плате с внутренней стороны размещены транзисторы мостовой схемы оконечного каскада, датчик температуры, элементы емкостного фильтра между шинами силового электропитания и не менее двух слоев изолированных печатных проводников, а на верхней печатной плате размещены элементы схемы управления, четыре звена задержки фронта импульсов, четыре звена схемы смещения напряжения, пять звена выпрямителя, а также задающий генератор, квазирезонансный инвертор, многоканальный трансформатор, выполненный в виде плоских спиралей в составе отдельных слоев верхней печатной платы, расположенных вокруг отверстий для установки замкнутого магнитопровода многоканального трансформатора, при этом для размещения элементов на верхней печатной плате использован их двухсторонний монтаж и многослойные (не менее шести слоев) печатные проводники, а в устье верхней кромки стенок корпуса установлена верхняя крышка модуля с отверстием для вертикальных штыревых выводов.

Технический результат, связанный с повышением энергетической эффективности и надежности модуля ключевого усилителя мощности в условиях адаптации к высокому напряжению электропитания объекта, достигается новой совокупностью схемотехнических и технических приемов.

Во-первых - повышение энергетической эффективности высоковольтной схемы КУМ обеспечивается использованием высоковольтных полевых транзисторов с улучшенными характеристиками быстродействия при соответствующем управлении режимов переключений разно полярными импульсными сигналами номинального положительного и отрицательного управления гальванически связанными с истоком соответствующего транзистора мостовой схемы ключевого усиления.

Выделенное условие достигается включением в состав устройства многоканального квазирезонансного конвертора, выполненного на задающем генераторе, квазирезонансном инверторе и многоканальном трансформаторе, а также 5 звеньев выпрямителя и 4 звена устройств смещения уровня для каждого из четырех высоковольтных полевых транзисторов мостовой схемы оконечного каскада. При этом импульсные сигналы управления передаются на входы управления транзисторов через гальванически развязанные прямые и инверсные каналы драйверов и через соответствующие 4 звена схемы задержки фронта импульсных сигналов. В результате достигается эффективная и надежная работа оконечного каскада модуля высоковольтного КУМ. При сокращении тепловыделения и габаритов.

Во-вторых - обеспечение надежности функционирования предлагаемого модуля КУМ также достигается устранением аварийных режимов работы, связанных с перегревом, перегрузкой и уменьшением сервисного электропитания. Механизмы защиты устройства реализуются в схеме управления введением новой совокупности блоков и связей, обеспечивающих пороговый контроль сигнала датчика температуры и фиксацию понижения сервисного напряжения релейными элементами, а также определение повышения положительной либо отрицательной полуволны выходного сигнала датчика тока за допустимые границы измерения с фиксацией режима перегрузки.

В условиях возникновения любой из аварийных ситуаций дискретный сумматор запрещает работу драйверов и закрывает транзисторы схемы оконечного каскада впредь до устранения либо повторного включения. Таким образом, предотвращаются возможные выходы из строя, и обеспечивается надежность работы даже в условиях появления перегрузки, повышения температуры и понижения напряжения сервисного электропитания.

В результате совокупности принятых технических средств и приемов заявленный модуль высоковольтного ключевого усилителя мощности (ВКУМ) может быть адаптирован по электропитанию от высоковольтных сети объекта с возможными перенапряжениями до 700-800 В при двукратном уменьшении относительных потерь энергии для выходной мощности в 5-10 раз выше, чем в устройстве прототипа, рассчитанного на напряжение электропитания не более 150 В.

Сущность изобретения поясняется структурной схемой устройства (фиг. 1), функциональной схемой канала ключевого усиления (фиг. 2) и диаграммами сигналов, поясняющими их работу (фиг. 3).

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит: мостовую схему 1 оконечного каскада, выполненную на двух полумостовых стойках 1.1 и 1.2; драйверы 2.1, 2.2; схему 3 управления; звенья 4.1,…4.4 гальванической развязки; задающий генератор 5; квазирезонансный инвертор 6; многоканальный трансформатор 7; звенья 8.1,…8.5 выпрямителя; звенья 9.1,…9.4 схемы смещения; звенья 10.1,…10.4 схемы задержки фронта импульсов; датчик 11 тока. При этом мостовая схема 1 оконечного каскада включает высоковольтные полевые транзисторы 1.1.1, 1.1.2 и 1.2.1, 1.2.2 с быстродействующими обратными диодами, емкостной фильтр 1.6 и датчик 1.5 температуры.

В свою очередь схема 3 управления включает следующие элементы: схему 3.1 формирования опорных напряжений; релейные элементы 3.2, 3.3; схемы 3.4, 3.5 сравнения; схемы 3.6, 3.7 сравнения. RS-триггеры 3.8, дискретный сумматор 3.9.

Функциональная схема (фиг. 2), подтверждающая реализуемость заявленного технического решения, показывает выполнение квазирезонансного инвертора 6 на полумостовой схеме, использующей низковольтные полевые транзисторы 6.1, 6.2, а также элементы 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, формирующие квазирезонансные траектории переключения, емкостной делитель 6.9, 6.10 и рекуперативные диоды 6.7, 6.8. Там же представлена возможная реализация звеньев выпрямителя 8.1, схемы смещения 9.1 и схемы задержки фронта импульсов 10.1, выполненные на низковольтных импульсных диодах 8.1.1,…8.1.4, 10.1.1, конденсаторах 9.1.3, 9.1.4, 10.1.4, резисторах 9.1.1, 10.1.2, 10.1.3, 10.1.5, а также стабилитрона 9.1.2 обеспечивающим заданное смещение напряжения электропитания канала драйвера 2.1.1 и формирования номинальных напряжений положительных и отрицательных импульсов управления транзистором 1.1.1 схемы конечного каскада. В качестве рекомендуемого типа высоковольтных полевых транзисторов предложено применение транзисторов класса Silcon Corbide Power MOSFET (CREE) типа C3M0065100 с допустимым напряжением до 1200 В и драйверы типа Si8234, соответствующие требованиям по гальванической развязке и быстродействию.

Уменьшение габаритов, оптимизация топологии и обеспечение эффективного теплоотвода в предлагаемом техническом решении достигается посредством выполнения модуля высоковольтного ключевого усилителя мощности в виде гибридной низкопрофильной сборки включающей нижнюю и верхнюю печатные платы. Тепловыделяющих элементы схемы оконечного каскада размещаются на нижней двухслойной теплопроводящей печатной плате. Для улучшения электромагнитной совместимости модуля КУМ непосредственно на нижней печатной плате размещается узел емкостного фильтра, выполненный на высоковольтных керамических конденсаторах.

Верхняя плата выполняется многослойной и содержит элементы драйверов с соответствующей обвязкой, элементы схемы управления, а также задающий генератор, квазирезонансный инвертор и многоканальный трансформатор, причем обмотки трансформатора выполнены каждая в отдельном слое печатной платы, а низкопрофильный магнитопровод устанавливается непосредственно в профильные отверстия печатной платы.

На нижней теплоотводящей плате, являющейся основанием модуля, установлены транзисторы мостовой схемы 1 оконечного каскада, элементы емкостного фильтра 1.6 и датчик температуры 1.5, а также запаяны основания штыревых выводов шин силового электропитания и выходов схемы КУМ. Элементы схемы 3 управления, звенья сервисного и дополнительного многоканального электропитания, а также драйверы и входные цепи транзисторов оконечного каскада размещаются на внешней и внутренней поверхности верхней печатной платы. Там же между силовыми выходами модуля и схемы оконечного каскада установлена микросхема датчика тока 11, расположенная над шиной входа. В верхней печатной плате и предусмотрены профильные отверстия для установки магнитопровода многоканального трансформатора 7, обмотки которого реализуются в соответствующих слоях печатной платы.

Для крепления модуля к теплоотводящей панели предусмотрены резьбовые стойки, которые также являются элементами крепления верхней печатной платы. Образующие стенки каркаса модуля закрепляются на основании модуля и могут обеспечить заливку внутреннего объема теплопроводящим электроизолирующим влагостойким компаундом. Сверху объем модуля закрывается панелью с указанием типа и функционального назначения выводов.

Принцип действия предлагаемого модуля ВКУМ поясняется временными диаграммами сигналов, приведенными в фиг. 3.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Выходные сигналы последовательностей импульсов (фиг. 3) ШИМ1 и ШИМ2, как правило, соответствующие двухканальной модуляции, поступают через звенья 4.1 и 4.2 схемы гальванической развязки на входы драйверов 2.1 и 2.2 импульсных сигналов, где формируются противофазные сигналы управления, которые при наличии команды разрешения на входах управления драйверов 2.1, 2.2 передаются, соответственно через прямой и инверсный каналы с гальванической развязкой, на их выходы. Функционирование драйверов такого типа обеспечивается гальванически развязанными напряжениями +U,-U электропитания, подключенными общим выводом к истоку соответствующих транзисторов схемы мостового оконечного каскада.

Для этого в предлагаемом устройстве используется многоканальный квазирезонансный конвертор с электропитанием от шины сервисного напряжения, выполненный по известным правилам, например, в соответствии с RU 2267218 (трансформатор постоянного напряжения) [6]. Для упрощения электропитания каналов драйверов 2.1, 2.2 применены схемы 9.1, 9.2, 9,3, 9.4 смещения, на выходах которых формируются вторичные напряжения положительной полярности +U=12В и отрицательной полярности -U=4B, что соответствует номинальному режиму импульсного управления транзисторов типа CREE, используемых в мостовой схеме 1 оконечного каскада.

Таким образом, в цепь Затвор-Исток каждого транзистора 1.1.1, 1.1.2, 1.2.1, 1.2.2 передаются знакопеременные импульсные напряжения U_1.1, U_1.2 и U_2.1, U_2.2 (фиг. 3), соответствующие прямым и инверсным сигналам ШИМ1 и ШИМ2 для транзисторов 1.1.1, 1.1.2 и 1.2.1, 1.2.2 каждой стойки мостовой схемы 1 оконечного каскада.

Устранение сквозных токов Транзистор-Транзистор в стойках транзисторов мостовой схемы 1 достигается включением звеньев 10.1…10.4 задержки фронта импульсов в состав входной цепи каждого транзистора. Простейшая схема звеньев такого типа, представленная на фиг. 2 (звено 10.1), выполняется на RCD-цепи, обеспечивающей форсированный спад и плавное нарастание фронта импульсов для формирования задержки включения. Как правило, для быстродействующих полевых транзисторов величина задержки, гарантирующей исключение сквозных токов такого вида, не превышает 0.1 мкс, что может быть реализовано с использованием входной емкости транзисторов и конденсаторов соизмеримой емкости в составе звена задержки фронта импульсов. Таким образом, время закрытого состояния двух транзисторов в составе стоек оконечного каскада весьма мало и не сказывается существенным образом на искажение импульсных напряжений V₁ и V₂ (фиг. 3) на выходах модуля. С учетом инверсии напряжения V₂, которая достигается соответствующим управлением каналами драйверов 2.1, 2.2, в диагонали мостовой схемы 1 (между выводами выходного сигнала) формируется суммарное импульсное напряжение V, соответствующее исходным сигналам ШИМ1 и ШИМ2 для двухканальной модуляции.

V=V₁+V₂

Важным фактором работоспособности модуля ВКУМ является размещение непосредственно в схеме оконечного каскада емкостного фильтра 1.6 между шинами силового электропитания. Наличие высоковольтных высокочастотных конденсаторов, емкостью до 1 мкф существенно улучшает показатели электромагнитной совместимости устройства и устраняет выбросы импульсного напряжения на транзисторах в процессе коммутации. Такие конденсаторы в составе модуля частично замыкают высокочастотные составляющие тока дросселя фильтра, что обеспечивает реализацию внешних элементов фильтра по напряжению силового электропитания модуля.

Нагрузка модуля ВКУМ подключается по известным правилам [1,2] через фильтр нижних частот LC второго порядка с выходным дросселем, индуктивность которого позволяет обеспечить амплитуду высокочастотных (ВЧ) составляющих тока не более 10-20% от амплитуды номинального низкочастотного (НЧ) тока нагрузки. В результате через элементы оконечного каскада протекает ток дросселя I, в котором присутствуют НЧ и ВЧ составляющие. В номинальном режиме работы максимальная амплитуда отрицательной и положительной полуволны выходного тока не превышает допустимого уровня. Контроль отсутствия перегрузки осуществляется в результате сравнения сигнала с выхода датчика 11 тока, поступающего на первый вход контроля схемы 3 управления, с заданными уровнями напряжений на входах схем 3.4 и 3.5 сравнения, определенных схемой 3.1 формирования опорных напряжений (соответственно граничным значениям амплитуды положительной и отрицательной полуволн выходного тока). В режиме перегрузки результирующий сигнал превышения выходного тока через схему 3.6 совпадений поступает на установочный вход RS-триггера 3.8, переводя его выходной сигнал на низкий уровень, что приводит к низкому уровню сигнала на выходе дискретного сумматора 3.9 и, соответственно, обеспечивается блокировка прохождения команды Разрешения. При этом схема 3.7 совпадения формирует сигнал низкого уровня, поступающий через выход схемы 3 управления на управляющие входы драйверов 2.1 и 2.2. В результате транзисторы схемы оконечного каскада закрываются, чем достигается защита устройства от режима перегрузки и короткого замыкания. Повторное выключение устройства после срабатывания механизма защиты возможно только при снятии и повторной подаче команды разрешения, что приводит к сбросу запрещающего состояния RS-триггера 3.8.

Дискретный сумматор 3.9 реализован по принципу логической схемы «И», наличие на любом входе которого сигнала низкого уровня приводит к низкому уровню сигнала на выходе и, соответственно, к блокировке команды Разрешение. При этом снимается контрольный сигнал «Готовность», который передается через звено 4.4 схемы гальванической развязки на выход контроля устройства.

Приведенный механизм защиты от превышения выходного тока максимально допустимого уровня выгодно отличает заявляемое устройство от модуля-прототипа, где реализован механизм защиты от превышения остаточного напряжения на транзисторах. Известная схема защиты имеет значительный разброс срабатывания по уровню выходного тока и существенно зависит от температуры транзисторов. Кроме того такой подход возможен только при сравнительно низких напряжениях электропитания (в устройстве прототипе не более 150 В) и совершенно неприемлем для высоковольтных схем КУМ. Выделение достоверной информации о величине выходного тока по остаточному напряжению не более (1…2) В на открытом транзисторе при последующем импульсном нарастании напряжения до 500-800 В весьма затруднено наличием коммутационной помехи, что существенно влияет на точность определения контролируемого параметра. Для высоковольтного КУМ контроль сигнала датчика тока является более предпочтительным для выделения режима перегрузки, что может быть обеспечено при использовании микросхемы датчика тока, например типа FNS40-P/SP600, весьма малого размера, расположенной над шиной выходного сигнала, соединяющей второй выход мостовой схемы 1 с выводом выходного сигнала заявляемого устройства.

Аналогичным образом в модуле ВКУМ реализованы дополнительные механизмы защиты от перегрева и отклонения сервисного электропитания за нижний уровень допустимого режима работы, что имеет также принципиальные значения для исключения возможных аварийных ситуаций и обеспечивает необходимое повышение надежности работы модуля. Для этого используются контрольные сигналы, поступающие от входа электропитания схемы 3 управления и, через ее второй контрольный вход, от датчика температуры 1.5.

Контрольные сигналы по температуре и напряжению электропитания, в отличие от сигнала с датчика 11 тока, имеют медленно изменяющиеся параметры и могут контролироваться релейными элементами 3.2, 3.3. При отклонении таких сигналов за допустимый порог срабатывания релейных элементов, на их выходах формируются сигналы низкого уровня, что соответствует срабатыванию механизма запрета дискретного сумматора 3.9. При восстановлении допустимого режима работы (понижение температуры либо повышение сервисного напряжения) релейные элементы переходят в исходное состояние, чем разрешается работа модуля ВКУМ.

Предложенная совокупность схемотехнических средств обеспечивает эффективную работу высоковольтных полевых транзисторов в составе модуля ВКУМ. Например, применение транзисторов CREE рекомендованного типа с допустимым напряжением до 1200 В и весьма низким сопротивлением открытого канала (не более 0,1 Ом) при высоком быстродействии собственного обратного диода с постоянной времени восстановления не более 0,06 мкс позволяет обеспечить относительные потери энергии не более 1-2% при частоте переключений до 300 кГц для номинальной выходной мощности 2,5-5,0 кВА в условиях электропитания от сети объекта постоянным (выпрямленным) напряжением 300-600 В. Достигнутые энергетические характеристики значительно превосходят параметры модуля-прототипа, где потери энергии достигали 3-4% при максимальной выходной мощности 0,5-1,5 кВА в условиях электропитания постоянным, гальванически развязанным от сети объекта, напряжением не более 150 В.

Повышение надежности модуля ВКУМ по сравнению с модулем-прототипом и технологическими аналогами достигается как выбором оптимальных режимов управления переключением высоковольтных полевых транзисторов, так и устранением возможных аварийных ситуаций, связанных с перегревом, перегрузкой и изменением сервисного напряжения электропитания. Важной составляющей обеспечения надежности является применение многоканального квазирезонансного конвертора для электропитания гальванически развязанных выходных цепей каналов драйверов импульсных сигналов так и для сервисного электропитания элементов схемы управления. Использование квазирезонансного высокочастотного инвертора 6 позволяет сформировать мягкие траектории ВЧ импульсных напряжения на вторичных обмотках многоканального трансформатора для улучшения условий электромагнитной совместимости. (ЭМС) схемы 3 управления и мостовой схемы 1 ключевого усилителя мощности.

При этом элементная база и технические решения модуля ВКУМ обеспечили минимизацию массогабаритных характеристик устройства при существенном увеличении функциональной интеграции и расширение области применения. В этом направление принципиальное значение имеет топологическая и конструктивная реализация модуля ВКУМ.

Совокупность преимуществ заявляемого устройства и особенности его конструктивной реализации выгодно отличают его от известных устройств и позволяют реализовать на основе предлагаемого модуля ВКУМ каналы усилителей мощности многоканальных передающих трактов с непосредственным электропитанием оконечных каскадов модулей предающей аппаратуры от высокого напряжения сети объекта. Выделенное обстоятельство позволяет более чем в два раза сократить габариты энергоемких усилительных устройств и уменьшить тепловыделение передающей аппаратуры

В настоящее время разработаны и изготовлены опытные образцы модулей ВКУМ, результаты испытаний которых подтвердили преимущества, определенные техническими результатами настоящего изобретения. Опытные образцы имеют габаритные размеры 105×62×17 мм при номинальной выходной мощности 5 кВА и напряжении силового электропитания до 600 В, в условиях высокой степени интеграции, улучшающей возможности применения в блоках передающей аппаратуры. При этом габаритная мощность модуля кратно превосходит показатели аналогичных модулей и в 1,5 раза лучше, чем для модуля прототипа. Так если модуль КУМ с напряжением электропитания до 150 В при частоте ШИМ 150 кГц имеет КПД 95% при выходной мощности 1,0 кВА, то предлагаемый модуль ВКУМ при напряжение электропитания до 600 В и той же частоте переключений имеет КПД 98% при выходной мощности до 5,0 кВА. В ходе длительных испытаний, включающих режимы короткого замыкания и перегрузки модулей ВКУМ, подтвердили высокую надежность работы, что обеспечивает перспективы широкого внедрения в усилительные и генераторные устройства гидроакустических и технологических передающих трактах большой мощности.

Источники информации:

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. 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-Bridge MOSFET Power Module, www.microsemi.com.

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

5. Патент РФ№2573229. Модуль ключевого усилителя мощности. /В.А. Александров, П.А. Киселев, А.В. Куреной. Приоритет от 15.12.2014, опубликован 12.2015.

6. Патент РФ №2267219. Трансформатор постоянного тока. /В.А. Александров и др., опубликован 27.12.2005.

Изобретение относится к области усилительной, генераторной и преобразовательной техники и может быть использовано в передающих трактах гидроакустических и технологических систем. Технический результат заключается в повышении надежности работы модуля при минимизации габаритов передающей аппаратуры. Это достигается применением мостовой схемы ключевых усилителей мощности на высоковольтных полевых транзисторах типа CREE с использованием драйверов импульсных сигналов с гальванической развязкой многоканального устройства сервисного электропитания на высокочастотном преобразователе и многообмоточного трансформатора плоской конструкции, отдельных звеньев выпрямителя, смещения напряжения электропитания и задержки фронта импульсного сигнала для каждого элемента ключевого усиления, а также многофункциональной схемы управления, исключающей аварийные режимы, связанные перегрузкой, перегревом и понижением сервисного напряжения электропитания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Модуль высоковольтного ключевого усилителя мощности, содержащий первый и второй драйверы, входы которых через первое и второе звено цепи гальванической развязки соединены с первой и второй шинами ШИМ сигналов, также содержащий оконечный каскад, выполненный в виде двух стоек, включающий каждая по два транзистора, средние точки которых являются первым и вторым выходами мостовой схемы оконечного каскада, соединенного первым выходом с первым выводом выходного сигнала, а также шину сервисного электропитания, датчик температуры и схему управления, содержащую первую и вторую схемы сравнения, первую и вторую схемы совпадения, RS-триггер; дискретный сумматор, при этом вход схемы управления подключен через третье звено цепи гальванической развязки к выводу команды «Разрешение», выход подсоединен к входам разрешения первого и второго драйверов, а выход контроля соединен через четвертое звено устройства гальванической развязки к выводу сигнала «Готовность», отличающийся тем, что в его состав введены задающий генератор, квазирезонансный инвертор, многоканальный трансформатор, пять звеньев выпрямителя, четыре звена схемы смещения напряжения, четыре звена задержки фронта импульсов, а также датчик тока, причем мостовая схема оконечного каскада содержит емкостной фильтр, включенный между выводами электропитания, и выполнена на высоковольтных полевых транзисторах с быстродействующим обратным диодом, а прямой и инверсный каналы первого и второго драйверов, выполнены на элементах высоковольтной гальванической развязки ШИМ сигналов, при этом выходы прямого и инверсного каналов первого и второго драйверов подключены к входам транзисторов первой и второй стойки мостовой схемы оконечного каскада через первое и второе, соответственно, третье и четвертое звено задержки фронта импульсов, причем входы электропитания прямого и инверсного каналов первого и второго драйверов соединены с выходами первой, второй и третьей, четвертой звеньев схемы смещения, входы которых соединены, соответственно через первый, второй и третий, четвертый звенья выпрямителя, с первой, второй и третьей, четвертой вторичными обмотками многоканального трансформатора, пятая вторичная обмотка которого через пятое звено выпрямителя соединена с входом электропитания схемы управления, причем первичная обмотка многоканального трансформатора соединена с выходом квазирезонансного инвертора, вход которого подключен к выходу задающего генератора, а вход электропитания к входу электропитания задающего генератора и шине сервисного электропитания, в свою очередь между вторым выходом мостовой схемы оконечного каскада и вторым выводом выходного сигнала включен датчик тока, гальванически развязанный выход которого соединен с первым контрольным входом схемы управления, второй контрольный вход которой подключен к выходу датчика температуры, а в схему управления дополнительно введены два релейных элемента и схема формирования опорных напряжений, вход которой соединен с входом электропитания схемы управления, а первый и второй выходы соединены с первыми входами первого и второго релейных элементов, третий и четвертый выходы соединены с первыми входами первой и второй схем сравнения, причем вторые входы первого и второго релейных элементов подсоединены, соответственно, к входу электропитания и второму контрольному входу схемы управления, вторые входы первой и второй схем сравнения подключены к первому контрольному входу схемы управления, а выходы - к входам первой схемы совпадения, соединенной выходом с первым входом RS-триггера, второй вход которого подключен к входу схемы управления и первому входу второй схемы совпадения, а выход к третьему входу дискретного сумматора, соединенного первым и вторым входами с выходами первого и второго релейных элементов, а выходом - с выходом контроля схемы управления, соединенного со вторым входом второй схемы совпадения.

2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде гибридной низко-профильной сборки, соединяющей стенки корпуса, нижнюю печатную плату на алюминиевой основе с изоляционным слоем оксида алюминия, являющуюся теплоотводящим основанием модуля, и верхнюю печатную плату, а также вертикальные штыревые выводы для межплатных соединений и внешних выводов, при этом на нижней печатной плате с внутренней стороны размещены транзисторы мостовой схемы оконечного каскада, датчик температуры, элементы емкостного фильтра между шинами силового электропитания и не менее двух слоев изолированных печатных проводников, а на верхней печатной плате размещены элементы схемы управления, четыре звена задержки фронта импульсов, четыре звена схемы смещения напряжения, пять звена выпрямителя, а также задающий генератор, квазирезонансный инвертор, многоканальный трансформатор, выполненный в виде плоских спиралей в составе отдельных слоев верхней печатной платы, расположенных вокруг отверстий для установки замкнутого магнитопровода многоканального трансформатора, при этом для размещения элементов на верхней печатной плате использован их двухсторонний монтаж и многослойные (не менее шести слоев) печатные проводники, а в устье верхней кромки стенок корпуса установлена верхняя крышка модуля с отверстием для вертикальных штыревых выводов.