Широтно-импульсный модулятор канала усилителя класса D Российский патент 2023 года по МПК H03K7/08 

Изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано в широкополосных усилителях мощности гидроакустических передающих устройств.

Усилители мощности сигналов возбуждения гидроакустических излучателей характеризуются большой мощностью (от сотен ВА до десятков КВА) и широким диапазоном частот (от сотен Гц до десятков кГц) в сочетании с высоким качеством выходного напряжения при работе на комплексную нагрузку с весьма малым коэффициентом активной мощности. [1. Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации/морская радиоэлектроника №1(67) 2019 с. 10-14]. В качестве эффективного направления развития усилителей мощности с рекуперацией энергии от комплексной нагрузки следует выделить ключевые усилители мощности (КУМ) с широтно-импульсной модуляцией, определенные по принятой классификации как усилители класса D [2. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.:Связь.1980, с. 207]. В таких устройствах усиливаемый сигнал преобразуется в последовательность импульсов, усиливаемых по мощности и поступающих на нагрузку через фильтр нижних частот (ФНЧ), входное индуктивное сопротивление которых ограничивает амплитуду высокочастотного тока КУМ.

Ток дросселя ФНЧ в схемах ключевого усиления замыкается поочередно через открытые ключевые элементы в шины электропитания и нагрузки, чем достигается минимизация статических потерь энергии на остаточном напряжении усилительных приборов при рекуперации реактивной составляющей мощности комплексной нагрузки. Вместе с тем при этом имеет место изменение проводимости усилительных приборов (транзисторов и диодов), что связано с динамическими факторами потерь, главным образом обусловленными сквозными токами транзистор-диод и транзистор-транзистор. Если первый фактор относится к неустранимому процессу закрытия рекуперативных диодов, то влияние второго фактора может быть исключено введением задержек включения транзисторов. Причем в последнем случае задержка включения должна быть больше максимальной задержки выключения транзисторов, величина которой, как правило, значительно (в 3-4 раза) возрастает с ростом выходного тока. Введение таких задержек включения транзисторных КУМ принципиально сказывается на нелинейных искажениях выходного напряжения [3. Александров В.А и др. Вопросы разработки энергетически эффективных широкополосных гидроакустических передающих устройств для звукоподводной связи/ Гидроакустика 32(4). 2017 г. с. 56-64].

Для улучшения качества выходных сигналов ключевого усиления, выполненной на мостовом оконечном каскаде, в известных технических решениях [пат. РФ №2223529 опубл. 10.02.2004; пат. РФ. №2309524 опубл. 27.10.2007] предложено обеспечить управление транзисторами только одной диагонали заданной полярностью модулирующего сигнала. При этом исключается одновременное переключение транзисторов одного канала, выполненного на полумостовой стойке, это устраняет возможность протекания тока транзистор-транзистор без введения дополнительных задержек фронта импульсов управления. Выделенное обстоятельство позволяет уменьшить динамические потери энергии при уменьшении нелинейных искажений в условиях отсутствия фазового сдвига между напряжением и током нагрузки, что имеет место только при коэффициенте активной мощности cosϕ_н=1. Однако, в случае нарушения этого условия на время фазового сдвига между током и напряжением при таком управлении имеет место эффект обрыва тока дросселя, который приводит к весьма значительным нелинейным искажениям выходного сигнала [Александров В.А. и др. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с широтно-импульсной модуляцией / Радиотехника №10. 1996 г. с. 36].

Наиболее близким к предлагаемому устройству является широтно-импульсный модулятор мостового инвертора с поочередным управлением ключевыми элементами для их равномерной загрузки с учетом полярности усиливаемого сигнала, описанный в патенте РФ №2309524, опубликовано 27.10.2007 г. Преимуществом известного устройства является использование раздельных схем управления каналами мостового инвертора, выполненного по полумостовой схеме при раздельной передаче прямого F(+) и инверсного F(-) ШИМ сигналов с учетом состояния двух команд управления. Настоящее устройство по количеству общих признаков в части одноканального усилителя класса D является наиболее близким аналогом предполагаемого устройства и может быть принято за прототип изобретения.

Структурная схема устройства-прототипа, приведенная на фиг. 1, содержит схему 1 управления и ключевой усилитель 2, выполненный по известным правилам на стойке ключевых элементов КЭ1 и КЭ2, включенных в полумостовую схему между шинами электропитания +Е и -Е. Ключевые элементы 2.1, 2.2. содержат полевые транзисторы с обратным диодом и драйверы импульсных сигналов, поступающих с выходов схемы 1 управления. В свою очередь первый и второй входы схемы 1 подключены к шинам прямого F(+) и инверсного F(-) ШИМ сигналов, а первый и второй входы управления к шинам управления Y₁ и Y₂.

В соответствии с принципом действия устройства-прототипа в качестве сигналов управления используется сигнал Y₁ синхронизации, представляющий импульсную последовательность типа меандр, полученную делением тактовых импульсов, определяющих формирование ШИМ сигналов, и клейпированный усиливаемый сигнал Y₂, определяющий полярность полуволн модулирующего воздействия:

Именно сигнал Y₂ определяет прохождение импульсов F(+) либо F(-) на управление верхним 2.1 либо нижним 2.2 ключевым элементом ключевого усилителя 2.

Импульсные сигналы Х₁ и Х₂, поступающие на входы управления ключевого усилителя 2 определяются из условий:

При этом отсутствуют одновременные переключения транзисторов, смена проводимости которых определяется изменением полярности модулирующего воздействия формирования выходного напряжения ключевого усилителя 2, подключенного по известным правилам через дроссель ФНЧ. Напряжение на нагрузку обеспечивается проводящим транзистором данного КЭ и открытым обратным диодом другого КЭ. Например, для U>0 импульсный сигнал F(+) поступает на управление транзистором КЭ1, фиксирующим на выходе ключевого усилителя напряжение V₁=+Е на время импульса τ_и(+). Во время паузы между импульсами t_и(-) и t_и(+) выходное напряжение V формируется за счет замыкания тока дросселя ФНЧ через рекуперативный диод КЭ2, V=-Е. Для U<0 обеспечивается управление транзистором КЭ2, фиксирующим во время импульсов длительностью t_и(-) выходное напряжение V₁=-Е, а во время паузы между импульсами длительностями t_и(+) и t_и(-) напряжение V₁=+Е, определяется открытым диодом КЭ1. Таким образом, для выходного тока t₁, совпадающего по фазе с сигналом U в устройстве-прототипе формируется неискаженное импульсное напряжение V, совпадающее с ШИМ сигналом F в условиях отсутствия одновременного переключения транзисторов КЭ1 и КЭ2 с тактовой частотой ШИМ, чем достигается минимизация искажений выходного сигнала при уменьшении динамических потерь энергии.

Однако предложенный в устройстве-прототипе принцип действия приводит к значительным искажениям выходного сигнала при наличии существенных фазовых сдвигов между напряжением и током нагрузки. Характерным для широкополосных гидроакустических излучателей является фазовый сдвиг ϕ_н, соответствующий коэффициенту активной мощности cosϕ_н=0,11…0,5. В этих условиях на фазовом интервале ϕ_н через ключевой усилитель 2 должен замыкаться ток обратной полярности по сравнению с полярностью модулирующего сигнала:

При этом в устройстве-прототипе управляемый ключевой элемент замыкает напряжение V через открытый рекуперативный диод на соответствующую шину напряжения Е, а через неуправляемый ключевой элемент ток дросселя не замыкается, и наблюдается эффект обрыва тока. Ток в дросселе отсутствует, и на выходе ключевого усилителя 2 формируется напряжение нагрузки, определенное емкостью фильтра. В результате нарушается линейность модуляционной характеристики широтно-импульсного модулятора, что приводит к недопустимым искажениям сигнала на нагрузке, достигающим 10-30%.

Выделенный эффект подробно проанализирован в работе [4. Александров В.А. и др. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с широтно-импульсной модуляцией / Радиотехника 1986 №10. с 37-40].

Применительно к полумостовой схеме усилителя класса D, искаженная амплитудная характеристика имеет аналогичный характер с учетом особенностей протекания высокочастотного тока дросселя ФНЧ. Этот недостаток приводит к увеличению нелинейных искажений в устройстве-прототипе и технических аналогах, что препятствует применению известных технических решений, направленных на понижение динамических потерь энергии.

Задачей изобретения является улучшение показателей качества выходного сигнала при улучшении энергетических характеристик одноканального усилителя класса D.

Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в дополнении режима поочередного управления ключевыми элементами полумостовой схемы режимом совместного управления с минимальной задержкой фронта импульсов при разной полярности напряжения и тока нагрузки, что обуславливает минимизацию линейных искажений при уменьшении динамических потерь энергии.

Технический результат достигается тем, что в известном широтно-импульсном модуляторе усилителя класса D, содержащем схему управления, первый и второй входы которой соединены, соответственно, с шинами первого и второго широтно-модулированных импульсных сигналов, первый и второй входы управления, соответственно, с первой и второй шинами управления, а первый и второй выходы подключены к первому и второму входам ключевого усилителя, соединенного выводами электропитания с шинами положительного и отрицательного напряжения, также содержащего шину нагрузки предлагается ввести двухпороговую схему сравнения и датчик тока, включенный между выходом ключевого усилителя и шиной нагрузки, причем выход датчика тока соединен с входом двухпороговой схемы сравнения, первый и второй выходы которой соединены с первой и второй шинами управления, а, схема управления включает первый и второй узел задержки фронта импульсов, а также первую и вторую схему совпадения, выходы которых соединены с первым и вторым выходом схемы управления, а первые входы - с первым и вторым входами управления схемы управления, первый и второй входы которой подключены через первый и второй узел задержки фронта импульсов со вторыми входами, соответственно, первой и второй схемы совпадений.

Введение новых признаков позволяет уменьшить нелинейные искажения, обусловленные обрывом выходного тока ключевого усилителя при работе на комплексную нагрузку при повешении энергетической эффективности посредством исключения сквозного тока транзистор-транзистор и обеспечении переключений только одного транзистора при совпадении полярности выходного низкочастотного (НЧ) напряжения и тока.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4а, 4б, где представлены структурная схема устройства-прототипа (фиг. 1) и заявленного устройства (фиг. 2), а также временные диаграммы сигналов (фиг. 3 и фиг. 4а), поясняющие особенности работы предлагаемого широтно-импульсного модулятора канала усилителя класса D при сравнении с устройством-прототипом (фиг. 4б). На фиг. 3 и фиг. 4а и 4б приняты следующие обозначения:

u - напряжение модулирующего сигнала;

U_n - опорное пилообразное напряжение для формирования ШИМ сигналов;

F₁ и F₂- прямой и инверсный ШИМ сигналы на выходных шинах устройства;

V и U - выходное импульсное напряжение и низкочастотная составляющая усиленного и модулирующего сигнала;

U_i и U_iн - измеренные величины выходного тока ключевого усилителя и низкочастотная, составляющая выходного тока нагрузки;

+U₀ и - U₀ - пороговые значения измеренной величины выходного тока ключевого усилителя, установленные в двухпороговой схеме сравнения; (Y₁ и Y₂ - сигналы на первой и второй шинах управления;

Х₁ и Х₂ - выходные сигналы схемы управления, поступающие на входы ключевого усилителя;

ϕ - фазовый сдвиг между низкочастотной составляющей выходного напряжения и низкочастотной составляющей тока нагрузки;

U' - искаженное значение низкочастотной составляющей выходного напряжения;

ΔU - отклонение значения U' от величины U, обусловленное эффектом обрыва тока.

Предлагаемый широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D (фиг. 2) содержит схему управления 1, включающую узлы задержки 1.3, 1.4 фронта импульсов и схемы совпадений 1.1, 1.2, с шинами ШИМ сигналов F_{1шим и} F_2шим и шинами управления Y₁ и Y₂, а также с выходными шинами Х₁ и Х₂, подключенными к входам ключевого усилителя 2, с шинами напряжений электропитания -1-Е и - Е, между которыми включены ключевые элементы КЭ1 и КЭ2, и выходной шиной соединенной через датчик 3 тока с шиной нагрузки, и двухпороговую схему 4 сравнения, включающую две ключевых схемы 4.1 и 4.2.

В состав предлагаемого устройства входят блоки, выполненные по известным правилам в соответствии с заявленными особенностями реализации, совокупное применение которых обеспечивает достижение технического результата.

Схема управления 1 предназначена для передачи последовательностей инверсных импульсов Е_1ШИМ и Е_2ШИМ с шин широтно-модулированных сигналов на входы управления ключевым усилителем 2 с учетом разрешающих команд Y₁ и Y₂ сформированных на первой и второй шинах управления. В составе схемы управления используется узлы задержки фронта импульсов 1.3 и 1.4 и схемы совпадения 1.1 и 1.2. При этом для формирования задержки фронта импульсов в узлах 1.3, 1.4 может использоваться резистивно-емкостная цепь с форсированным диодным разрядом емкости при условии применения в качестве схемы совпадений логических элементов и с выходами на триггерах Шмитта (с амплитудным гистерезисом). В предполагаемом устройстве может быть обеспечено минимальное достаточное время задержек не более 0,1 мкс.

Ключевой усилитель 2 в составе усилителя класса D реализуется по типовой полумостовой схеме [1. Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации/морская радиоэлектроника №1(67) 2019 с. 10-14] ключевых элементов 2.1, 2.2 на полевых транзисторах, включенных последовательно между шинами положительного и отрицательного электропитания. Для согласования управления полевыми транзисторами с выходами схемы управления в состав ключевых элементов включены драйверы импульсных сигналов. Выходное импульсное напряжение ключевого усилителя 2 передается, как правило, через выходную шину и дроссель ФНЧ в нагрузку, в качестве которой в гидроакустических излучающих установках используются пьезоэлектрические преобразователи с выраженной емкостной составляющей проводимости. При этом должен замыкаться низкочастотный ток рекуперации от емкости нагрузки в шины электропитание на интервале фазового сдвига между НЧ составляющей U выходного напряжения V и тока дросселя ФНЧ.

Измерение тока нагрузки обеспечивает датчик тока, который может быть выполнен на токовом трансформаторе с допустимой частотой кратно ниже минимальной частоты усиливаемого сигнала.

Двухпороговая схема сравнения должна выделить уровни мгновенных значений измеренной величины выходного тока для формирования зоны одновременного противофазного управления транзисторами ключевого усилителя 2 посредством формирования управляющих команд Y₁ и Y₂:

где U₀ - минимально допустимый уровень абсолютной величины измеренного тока дросселя U_i, при котором допустимо управление только одним транзистором ключевого усилителя 2:

Где определяется исходными сигналами F_1шим и F_2шим с задержкой фронта импульсов.

Предлагаемый широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D работает следующим образом.

Последовательности импульсов F₁ и F₂, формируемые противофазно например, в результате сравнения выходного сигнала U с опорным пилообразным напряжением U_п (фиг. 3), поступают на первую и вторую шины ШИМ сигналов:

Далее с учетом уровня команд Y₁ и Y₂ поступающих на первую и вторую шину управления импульсными сигналами F₁ и F₂ с задержкой фронта τ_ф передаются в виде импульсов X₁ и Х₂ на управление первого и второго ключевого элемента КЭ2.1 и КЭ2.2 ключевого усилителя 2:

Временной интервал τ_ф, формируемый узлами задержки, весьма мал, не принимает значений 0,05-0,1 мкс, и определяется из условия исключения сквозного тока трансформатор-трансформатор при величине выводного тока i_L, соответствующего измеренному значению \ |U_i|<U₀.

В результате с учетом выражения (4) для измеренного значения |U_i|>0 в предлагаемом устройстве реализуется переключение только транзистора одного КЭ при замыкании тока между импульсами через диод другого КЭ:

Для U_i>U₀ обеспечивается проводимость транзистора КЭ1 при Х₁=1 и проводимость диода КЭ2 при Х₂=0;

Для U_i<-U₀ обеспечивается проводимость транзистора КЭ2 при Х₂ - 1 и проводимость диода КЭ1 приХ₂=0.

При этом импульсное напряжение V практически не искажается, а в амплитудной характеристике ключевого усилителя наблюдается незначительное смещение на расчетную величину [4]:

где Т - период переключений.

Для измеренной величины |Ui|<U₀ в предполагаемом устройстве реализуется переходная зона, предполагающая поочередное переключение транзисторов ключевого усилителя 2. В этом случае, как иллюстрируется на фиг. 3, при сравнении измеренных значений Hi тока дросселя, содержащих выраженные в 4 составляющие, с пороговыми значениями +U₀ и - U₀ формируются импульсами Y₁ и Y₂ разрешающие поочередное переключение транзисторов КЭ1 и КЭ2, управляемые сигналами Х₁ и Х₂.

Однако даже в этом режиме отсутствует одновременное переключение транзисторов на время спада сигнала (U_i) до граничного значения U₀. Исключением является изменение сигналов F₁ и F₂ во время равенства |U_i| = U₀. Именно в этой граничной зоне возможность сквозного тока транзистор-транзистор устраняется минимальной задержкой фронта импульсов, значения которых может быть значительно меньше (не менее чем в три раза), чем типовая задержка включения, гарантирующая устранение сквозного тока транзистор-транзистор во всем диапазоне изменения тока дросселя используемая в технических аналогах [1. Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации/морская радиоэлектроника №1(67) 2019 с. 10-14, 2. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь.1980, с. 207, 3. Александров В.А и др. Вопросы разработки энергетически эффективных широкополосных гидроакустических передающих устройств для звукоподводной связи / Гидроакустика 32(4). 2017 г. с. 56-64, 4. Александров В.А. и др. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с широтно-импульсной модуляцией / Радиотехника 1986 №10. с 37-40].

Следует отметить, что технический эффект от использования предложенного технического решения может быть достигнут и в двухканальных и многоканальных схемах ключевого усиления при суммировании выходных сигналов через фильтры нижних частот.

Основное преимущество заявляемого технического решения по сравнению с устройством-прототипом (патент РФ №2309524), проявляется при возбуждении комплексной нагрузки в условиях существенного сдвига между током и напряжением нагрузки, что характерно для работы усилителя на широкополосный гидроакустический излучатель, емкостная проводимость которого может существенно превосходить активную проводимость.

На фиг. 4.а и 4.б иллюстрируются временные диаграммы сигналов в предполагаемом (фиг. 4.а) устройстве и устройстве-прототипе (фиг. 4.б) на фазовом интервале ср сдвига между фазой низкочастотного напряжения U и тока нагрузки.

В предлагаемом устройстве принцип действия сохраняется при минимальном искажении формы импульсного напряжения. Ток дросселя ФНЧ поочередно замыкается через транзисторы и диоды КЭ1 и КЭ2, чем обеспечивается замыкания тока рекуперации из емкости нагрузки в шины электропитания. При этом нелинейные искажения в режиме номинальной мощности при частоте переключений 100 кГц не превышают 0,5% и может несколько возрастать (до 1%) при малых уровнях тока нагрузки, соответствующих граничным значениям измеренной величины U_i.

В устройстве-прототипе, предполагающем возможность управления транзисторами только при изменении полярности модулирующего сигнала и, совпадающего с низкочастотной составляющей и идеального импульсного напряжения V, возможность рекуперации низкочастотного тока нагрузки отсутствует, что приводит к обрыву тока через рекуперативный диод и искажению формы импульсного напряжения. На фиг. 4.а показано, что измеренная величина тока дросселя U_i, для положительного значения U проникающий через диод КЭ2 спадает до нуля, диод закрывается и на выходе ключевого усилителя 2 наводится напряжения нагрузки до следующего включения транзистора КЭ 1.

В результате наблюдается значительное изменение величины U с отклонением ΔU от заданной формы, что обуславливает нелинейные искажения до 10-15%) при номинальном уровне выходной мощности с возможным увеличением до 20-30%) при малом уровне низкочастотного тока.

Таким образом, в заявленном устройстве достигается улучшение показателей качества выходного сигнала посредством исключения обрыва тока дросселя при минимизации задержки фронта импульсов в условиях улучшения энергетических характеристик соответствующего раздельной работе транзисторов ключевых элементов в соответствии с полярностью выходного тока. При этом по сравнению с прототипом нелинейные искажения, связанные с обрывом тока, уменьшаются с 10-15% до 0,5-1,5%, в условиях уменьшения динамических потерь более чем в два раза по сравнению с техническими аналогами с одновременным переключением ключевых элементов.

На предприятии изготовляется экспериментальный образец широкополосного усилительного устройства на основе предлагаемого технического решения для возбуждения гидроакустических излучателей, результаты испытаний которого подтвердили достижение заявленного технического результата и обоснованность внедрения настоящего изобретения в широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D.

Изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано в широкополосных усилителях мощности гидроакустических излучающих трактов. Техническим результатом является улучшение показателей качества выходного сигнала при уменьшении динамических потерь энергии. Для этого в одноканальном усилителе класса D, содержащем схему управления с шинами широтно-модулированных сигналов, обеспечивающую поочередное управление транзисторами ключевого усилителя, введен датчик выходного тока и двухпороговая схема управления, обеспечивающая поочередное управление транзисторами с учетом измеренной величины выходного тока, что позволяет исключить обрыв тока в дросселе выходного фильтра при минимальных задержках включения транзисторов. 5 ил.

Широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D, содержащий схему управления, первый и второй входы которой соединены, соответственно, шинами первого и второго широтно-модулированных импульсных сигналов, при этом первый и второй входы управления, соответственно, с первой и второй шинами управления, а первый и второй выходы подключены к первому и второму входу ключевого усилителя, выводы электропитания которого соединены с шинами положительного и отрицательного напряжения электропитания, также содержащий шину нагрузки, отличающийся тем, что в его состав введены двухпороговая схема сравнения и датчик тока, включенный между выходом ключевого усилителя и шиной нагрузки, причем выход датчика тока соединен с входом двухпороговой схемы сравнения, первый и второй выходы которой соединены с первой и второй шинами управления, а, схема управления включает первый и второй узел задержки фронта импульсов, а также первую и вторую схему совпадения, выходы которых соединены с первым и вторым выходом схемы управления, а первые входы - с первым и вторым входами управления схемы управления, первый и второй входы которой подключены через первый и второй узел задержки фронта импульсов со вторыми входами, соответственно, первой и второй схемы совпадений.