CC BY
77
ВРЧ в области нелинейного взаимодействия. X X , и Б ,Б , - корреляционные
функции амплитудных и фазовых флуктуаций ВРЧ за пределами области нелинейного взаимодействия.
При рассмотрении осевых флуктуаций в дальней зоне решение уравнения (4) для амплитудных флуктуаций значительно упрощается и приобретает вид
-2 К (6)
X _ (>1тот )2
Коэффициент корреляции с учетом допущений может быть определен как
N = X-Х-1/__________< 1.
Л Л,2
X-,-Х-.
Отношение флуктуаций линейного сигнала такой же частоты, что и ВРЧ хь,
2 2 2 можно оценить как Хь — X , — X , . Тогда
" _ з
)Пош 1
« / _ ]IМр“1)«_»*', (8)
/И ~ /(?, )’■ (8)
Здесь Рь - звуковое давление в линейном случае. Оценочные расчеты пока-
зали, что XN/_ << 1, т.е. флуктуации разностной частоты в дальней зоне сравнимы
/ XI
с флуктуациями линейного сигнала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.
2. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. - Л.: Судостроение. -1973. -184 с.
3. Старченко И. Б. Теоретическое исследование формирования параметрической антенны в среде со случайно-изменяющимися параметрами на основе уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова // Доклады IX научной школы-семинара академика Л. М. Бреховских "Акустика океана", совмещенной с XII сессией Российского акустического общества. - М.: ГЕОС. - 2002. - С.175-179.
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ
В. А. Александров, С. А. Калашников, В. А. Майоров
ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», г. Санкт-Петербург
В гидроакустической технике используются передающие устройства с выходной мощностью от сотен ВА до сотен кВА в диапазоне частот от десятков Гц до
сотен кГ ц. Основным направлением повышения энергетической эффективности усилителей сигналов звукоподводной связи и гидролокации является использование ключевого режима работы усилительных приборов.
В ключевом режиме работы усилительные приборы выполняют функции управляемых ключевых элементов, имеют малые остаточные напряжения и обеспечивают коммутацию тока нагрузки через выходной дроссель фильтра в соответствии с входным импульсным сигналом. Таким образом, метод ключевого усиления обеспечивает возбуждение нагрузки и рекуперацию энергии из ее реактивной составляющей при малых потерях мощности в ключевых элементах.
Рассмотрим особенности функционирования ключевых усилителей мощности (КУМ) на примере усилительных устройств в режиме класса ВБ [1]. Традиционно устройства такого класса выполняются по мостовой схеме, а управление усилительными приборами осуществляется двухканальными импульсными последовательностями с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Двухканальный широтноимпульсный преобразователь (ШИП) формирует сигналы с ШИМ в результате сравнения входного напряжения и с противофазными пилообразными напряжениями ИП1 ИП2 с амплитудой ИПМ. Сигналы с ШИМ усиливаются по мощности полумосто-выми схемами, выходные напряжения которых могут быть определены ключевыми функциями:
где У01, У02 — остаточные напряжения на ключевых элементах полумостовых схем.
Таким образом, в диагонали мостовой схемы формируется двухтактная импульсная последовательность:
Основным видом потерь в современных ключевых усилителях, выполненных на быстродействующих полевых транзисторах и импульсных диодах, являются статические потери энергии. Статические потери в ключевых элементах определяются как величиной выходного тока, так и относительным временем его протекания по соответствующему контуру. Рассмотрим контуры протекания выходного тока в мостовой схеме КУМ класса ВБ с двухканальной ШИМ (рис. 1).
Особенностью реализации КУМ на мощных полевых транзисторах является необходимость использования схем диодной развязки, обеспечивающих исключение из контуров протекания тока собственных диодов транзисторов, характеризующихся значительной инерционностью.
Проведенный анализ и результаты расчета показывают, что в ключевых усилителях относительные потери не превышают 20% и слабо зависят от характера нагрузки, что выгодно отличает устройства такого класса от линейных усилителей. В перспективе высокая энергетическая эффективность усилителей класса ВБ позволит реализовать передающие тракты нового поколения [2], обеспечивающие энергоемкие режимы гидроакустических комплексов.
Вместе с тем внедрение ключевых методов усиления на основе импульсного преобразования параметров потока электроэнергии принципиально изменяет требования к проектированию усилительных устройств. Ранее реализация ламповых и тиристорных генераторов позволяла свободу компоновки и объемного монтажа, обу-
V = 0,5 • Е(^п(И - ИП1) +1)-У01
(1)
(2)
V = V, - У2 =
= 0,5 • Е[и - ИП1)+^п( - ИП2)] - ( - Vю).
(3)
словленную плавными траекториями изменения токов и напряжений в элементах схемы. Для нового поколения ГАК проектирование устройств ключевого усиления с высокочастотной импульсной модуляцией возможно только при кратчайших соединениях ключевых элементов на силовых печатных платах специальной топологии. Характерной особенностью ключевых электронных схем является порционная передача энергии, накопленной в реактивных элементах схемы. Эти импульсные процессы сопровождаются резким изменением потенциалов напряжения и контуров протекания токов через ключевые элементы. Для ключевых усилителей средней и большой мощности скорость импульсных процессов превышает 5 000 В/мкс и 100 А/мкс, что связано с динамическими потерями энергии на переключение.
Другим фактором, определяющим требования к топологии и конструкции блоков ключевых усилителей мощности, являются требования электромагнитной совместимости, ограничивающие уровень допустимых электромагнитных помех, проникающих во входные и выходные цепи усилителей, шины заземления и электропитания, а также в элементы несущих конструкций. Импульсное изменение контуров токов в ключевых электронных схемах обуславливают не скомпенсированные высокочастотные токи и, как следствие, области высокочастотного магнитного поля, вызывающие индуктивные помехи в слаботочных контрольных и сигнальных цепях. В свою очередь наличие паразитных емкостей способствует кондуктивному переносу импульсных потенциалов от корпусов полупроводниковых приборов и объемных электромагнитных элементов через теплоотводящие панели и несущую конструкцию блоков к функциональной аппаратуре.
Совокупность выделенных факторов все более существенным образом определяет требования к проектированию блоков ключевого усиления на основе перспективной отечественной и зарубежной элементной базы. Современные импульсные диоды и полевые транзисторы обеспечивают времена переключения менее 100 нс при коммутируемых мощностях более 5 кВт, что значительно повышает функциональные возможности и энергетическую эффективность блоков ключевого усиления и одновременно ужесточает требования к их топологии и конструкции. Последние разработки МДП-транзисторов с вертикальным каналом характеризуются, например, допустимым током до 30 А и напряжением до 1000 В. Статическая крутизна зависимости выходного тока от входного напряжения составляет 2 - 6 А/В. Мощность в цепях управления МДП-транзисторами требуется на несколько порядков меньше по сравнению с биполярными транзисторами. С одной стороны, это открывает возможности многократного уменьшения энергоемкости каскадов предварительного усиления и способствует повышению КПД устройств в целом. С другой стороны, отмеченное обстоятельство ужесточает требования к электромагнитной совместимости мощных выходных цепей со слаботочными входными цепями управления ключевых элементов.
Современная элементная база позволяет повысить частоту коммутации в ключевых усилителях мощности (КУМ) до сотен кГц при сохранении большого усиления по мощности и малых потерях на переключения. В настоящее время достижимы длительности фронтов тока в десятки наносекунд. Такое повышение частоты импульсного преобразования позволяет еще более уменьшить массу и объем трансформаторов, дросселей, конденсаторов, расширить диапазон рабочих частот генераторов в условиях повышения удельной выходной мощности блоков КУМ до 300 - 500 ВА/дм3.
Проектирование нового поколения КУМ обеспечивается из условия минимизации индуктивности контуров импульсных токов до значений не более 0,1 мкГн. Значение паразитных емкостей не должно превышать 10 - 50 пФ. В отдельных случаях, например для общих контуров протекания входных и выходных токов, требования к индуктивности связей составляют единицы нГн.
Рис. 1. Двухканальный ключевой усилитель класса БЭ и временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу
Обеспечение требований к топологии связей ключевых элементов вступает в противоречие с обеспечением эффективного отвода тепла от мощных транзисторов и диодов. Охлаждение полупроводниковых приборов, как правило, обеспечивается их равномерной установкой на теплоотводящие панели с развитой площадью, в большинстве случаев связанные с несущей конструкцией блоков. Обоснованный выбор изолирующих теплопроводящих материалов с минимальной диэлектрической проницаемостью и максимальной теплопроводностью является необходимым условием минимизации паразитных емкостных связей. Размещение ключевых элементов на теплоотводящей панели из условий кратчайших связей с силовой печатной платой с оптимальной топологией является основной проблемой проектирования и требует
искусства разработчика с опытом создания и исследования электронных схем ключевого усиления и преобразования.
При оптимизации топологии связей и конструкции блоков КУМ большое значение имеет правильный выбор фильтрующих и блокировочных емкостей и их размещение на силовой печатной плате, блокировка высокочастотных помех с теплоотводящих конструкций, экранирование, заземление, ориентация монтажных соединений и другие методы обеспечения электромагнитной совместимости.
В результате, при сравнительно небольшом количестве элементов в схеме КУМ объем работы по проектированию блоков ключевого усиления и преобразования значительно превосходит объем работ проектирования блоков цифровых и аналоговых устройств с многократно большим числом элементов.
В электронных ключевых схемах, как правило, можно выделить фрагменты, содержащие управляемый ключ (транзистор) и неуправляемый ключ (диод), через которые поочередно замыкается ток нагрузки 1Н. Переключение таких ключей связано с неустранимыми экстратоками 1С, амплитуда которых значительно превышает значение 1Н. Влияние этого фактора еще более ужесточает требования к индуктивным и кондуктивным паразитным параметрам схем ключевых усилителей мощности.
Принципиальное значение для реализации ключевых усилителей мощности на мощных полевых транзисторах приобретают схемотехнические и топологические особенности драйверов импульсных сигналов управления. Энергетические характеристики и качественные показатели сигналов в системах широтно-импульсной модуляции и ключевого усиления широкополосных сигналов непосредственно связаны с быстродействием драйверов, обеспечивающих форсированное управление усилительными приборами. Обеспечение ЭМС входных и выходных цепей полевых транзисторов в условиях импульсных изменений потенциалов напряжений и контуров тока значительно усложняет задачу формирования оптимальных траекторий переключения.
Минимизация времени выключения транзисторов наилучшим образом обеспечивается применением оригинальной схемы двухзвенного драйвера с трансформаторной развязкой, представленной на рис. 2. Применение специальных звеньев форсированного разряда емкости «затвор-исток» обеспечивает выключение полевого транзистора за время менее 100-200 нс. Вместе с тем, надежное функционирование такой схемы драйвера особенно при использовании параллельного соединения мощных транзисторов возможно только при достаточной идентичности их входных характеристик.
К сожалению, до настоящего времени отечественные производители полевых транзисторов не гарантируют требуемого качества изготовления и не позволяют обеспечить замену одинаковых типов приборов разных партий. Например, полевые транзисторы КП809Б разных годов выпуска (1998 - 2003 гг.) различаются по крутизне статических характеристик более чем в три раза при существенном отличии величин проходных емкостей «сток-затвор». В результате применение отечественных полупроводниковых приборов требует доработки схем и топологии оконечных каскадов для изделий с разным сроком изготовления.
Для изделий спецтехники требуется обеспечить выпуск полевых транзисторов с высокой идентичностью входных и выходных характеристик. В настоящее время Воронежский завод полупроводниковых приборов осваивает выпуск полевых транзисторов с допустимым напряжением 400 - 700 В, с максимальным током 10 - 25 А, с приемкой «5», выполненных в корпусе типа ТО-244 (модель 1, 2). Применение корпусов с изолированным основанием, рассчитанных для установки на теплоотводящие панели, имеющие раздельные входные и выходные выводы (модель 1 ТО-244), позволяет оптимизировать решение вопросов топологической и конструктивной реализации блоков ключевых усилителей мощности.
На основе методов ключевого усиления широкополосных сигналов с использованием отечественных полевых транзисторов на нашем предприятии разработано и изготовлено многоканальное генераторное устройство для изделия МГК-335ЭМ. Канал ГУ реализован в типовом блоке габаритом 200 х 300 х 110. Выходная мощность канала 2 кВА, диапазон частот 0,8 - 12 кГц, динамический диапазон 50 дБ, КПД при работе на согласованную нагрузку 90%. Многоканальное ГУ в составе изделия успешно прошло стендовые испытания и в настоящее время отгружено на заказ для проведения швартовых испытаний.
У05
►
Г
! Е*1 # \ГТ2
| I КЗ '* С1 1*6 __С2 ~И8
У04 и и —
—« • ♦ —0 ф 1—
-*—►
Рис. 2. Схема ключевого усилителя на полевых транзисторах и временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Артым А.Д. Усилители класса Б и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.
2. Александров В А., Сиверс М.А., Майоров В.А., Никитин К.К. Передающие устройства в гидроакустике // Труды учебных заведений связи. - СПб: СПб ГУТ, 2000. № 166.
С. 129 - 138.
