【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水声通信，尤其涉及一种用于水声通信的大功率级联功放系统及其控制方法。
技术介绍
1、水声通信发射机是当前海洋开发中核心的装备之一，水声技术可用于水声对抗、水下通讯、对水下目标的探测、定位和跟踪等。水声通信发射机由功率放大器和电声换能器组成，通常电声换能器的功率高达几千瓦至数十千瓦，供电电压要求从几百伏到几千伏不等，因此作为水声通信发射机供电核心的大功率级联功放装备，需要满足对信号源输入信号进行相应的同频高压大功率放大，用以驱动电声换能器输出声呐。
2、为了能够提高输出电压以及输入输出隔离，传统的方式是在滤波器和负载之间直接加入低频线间变压器，这也带来一系列的问题。首先是低频线间变压器体积大、总量重、成本高和功率密度低，随着功放系统功率容量的增加，变压器体积和重量将随指数上升，导致变压器占据整个功放系统的大部分体积，其次信号源产生的指定音频信号波形存在突然换向的现象，导致变压器一次侧电压波形发生正负半波伏秒积不等，变压器磁心工作区单向饱和，导致励磁电流急剧增大，前端逆变桥功率开关管将承受瞬间大电流，降低了功率开关管的寿命和可靠性。为了解决这一问题，传统方案是简单的将低频线间变压器做得更大，使其整体抗磁饱和能力增大；另一种方式是在变压器原边增加串联一个无极性隔直电容，但由于变压器原边频率较低，为了减小隔直电容压降对输出电压的影响，大功率逆变电源中因为无极性电容耐压和容量的限制，需要大量的电容进行串并联，从而加大了成本、体积和重量，因此这两种方式均将再一次增大功放系统的体积，不利于功放系统集成在空间有限的海底
3、相关技术中提供了一种数字功率放大器，该方案将多个功率模块通过组合型变压器将功率模块级联，组合型变压器将所有功率模块的初级绕组和次级绕组集成在一个变压器中，各次级绕组依次首位串联，并且在各次级绕组上并联了一个旁路开关，用于投切功率模块。通过这种拓扑方式用于实现输出升压和模块冗余，这种方式存在较多的不足之处。首先，变压器依然采用的是低频线间变压器，也存在音频信号波形换向时，变压器磁饱和的问题，并且当模块数量增多时，低频线间变压器内的绕组将成模块数量倍数增多，多绕组间互感影响导致输出电压受到输入电压的波动和干扰，变压器的体积也不容忽视，增大了变压器的加工和功放系统小空间布局的难度。其次，各功率模块原边绕组并绕在同一变压器中，由于全桥逆变端没有反阻断电路，当其中一个模块处于待机转态时，易造成功率倒灌，造成输入端直流电源损坏。最后，各次级绕组上并联了一个旁路开关，旁路开关的工作电压需要满足功放系统的最高输出电压，通常级联功放系统的工作电压高达几千伏，传统的交流继电器和双向开关管不能被应用，旁路开关将需要采取多级串联的方式，其体积和控制难度也增大。
4、另一相关技术，提供了模块化开关功率放大器及其控制方法，该方案为典型的两级式高频隔离逆变电路，在输入直流电源和后级逆变之间加入高频隔离 dc/dc环节，依据负载的需求调节直流侧电压，后级采用二极管钳位三电平输出电路，dc/dc环节使得输入和输出解耦，能够实现前后级单独控制，灵活性较高，但功率传输的拓扑技术多，降低了功放系统的整体效率，且斩波环节的整流滤波电解电容体积大，寿命短，功放系统的整机寿命受限于电解电容，不能适用于深海海底水密舱环境中。
技术实现思路
1、本专利技术实施例提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统及其控制方法，旨在解决现有技术中电压控制调节麻烦，且斩波环节的整流滤波电解电容体积大，寿命短，功放系统的整机寿命受限于电解电容，不能适用于深海海底水密舱环境中等共有问题。
2、第一方面，本专利技术实施例提供一种用于水声通信的大功率级联功放系统，包括：直流电源、调压模块、至少一个功率模块、lc滤波器、电声换能器、音频采样及缓存模块、总控制器以及上位机；所述调压模块的输入端和所述功率模块的输入端并联后与所述直流电源的输出端电连接，所述调压模块的输出端和所述功率模块的输出端串联后与所述lc滤波器的输入端电连接，所述lc滤波器的输出端与所述电声换能器电连接；所述总控制器分别与所述上位机、所述音频采样及缓存模块、所述调压模块及所述功率模块信号连接；所述lc滤波器用于输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压；
3、所述调压模块包括第一模块控制器，所述功率模块包括第二模块控制器，所述第一模块控制器和所述第二模块控制器分别与所述总控制器通信连接；
4、所述总控制器用于根据指定输出电压目标有效值、调压模块最大输出电压有效值、单个功率模块固定输出电压有效值和实际级联的功率模块数量，控制投切的功率模块数量，以实现级联功放系统输出电压的宽范围跨门槛调压，从而适应多种电压等级大功率电声换能器。
5、进一步的，所述调压模块还包括第一全桥llc高频逆变桥、第一高频变压器、第一矩阵变换器和输出电压采样电路；所述第一全桥llc高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第一全桥llc高频逆变桥的输出端连接所述第一高频变压器的初级线圈，所述第一高频变压器的次级线圈连接所述第一矩阵变换器的输入端，所述第一矩阵变换器的输出端分别连接所述lc滤波器的输入端和所述功率模块的输出端；所述第一模块控制器的输入端与所述总控制器信号连接，所述第一模块控制器的输出端分别连接所述第一全桥llc高频逆变桥、所述第一矩阵变换器及所述输出电压采样电路，所述输出电压采样电路与所述lc滤波器电连接；所述第一模块控制器用于通过变频和变模态混合调压控制的方式控制所述第一全桥llc高频逆变桥，所述第一模块控制器用于通过变频逆变驱动的方式控制所述第一矩阵变换器。
6、进一步的，所述lc滤波器包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电感的第一端连接所述第一矩阵变换器，所述滤波电感的第二端分别连接所述滤波电容的第一端和所述电声换能器的输入端；所述滤波电容的第二端分别连接所述输出电压采样电路和所述电声换能器的输入端，所述输出电压采样电路的输出端与所述滤波电容的两端并联。
7、进一步的，所述第一矩阵变换器包括上桥臂和与所述上桥臂电连接的下桥臂；
8、所述上桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述下桥臂包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；
9、所述第一开关管的漏极和所述第三开关管的漏极共同连接至所述第一高频变压器的次级线圈的第一端；所述第一开关管的源极和所述第二开关管的源极连接，所述第三开关管的源极和所述第四开关管的源极连接，所述第五开关管的漏极和所述第二开关管的漏极共同连接至所述滤波电感的第一端，所述第五开关管的源极与所述第六开关管的源极连接，所述第七开关管的漏极与所述第四开关管的漏极连接，所述第七开关管的源极与所述第八开关管的源极连接，所述第六开关管的漏极与所述第八开关管的漏极共同连接至所述第一高频变压器的次级线圈的第二端。
10、进一步的，所述功率模块还包括第二全桥llc高频逆变桥、第二高频变压器和第二矩阵变换器本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，包括：直流电源、调压模块、至少一个功率模块、LC滤波器、电声换能器、音频采样及缓存模块、总控制器以及上位机；所述调压模块的输入端和所述功率模块的输入端并联后与所述直流电源的输出端电连接，所述调压模块的输出端和所述功率模块的输出端串联后与所述LC滤波器的输入端电连接，所述LC滤波器的输出端与所述电声换能器电连接；所述总控制器分别与所述上位机、所述音频采样及缓存模块、所述调压模块及所述功率模块信号连接；所述LC滤波器用于输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压；
2.如权利要求1所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述调压模块还包括第一全桥LLC高频逆变桥、第一高频变压器、第一矩阵变换器和输出电压采样电路；所述第一全桥LLC高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第一全桥LLC高频逆变桥的输出端连接所述第一高频变压器的初级线圈，所述第一高频变压器的次级线圈连接所述第一矩阵变换器的输入端，所述第一矩阵变换器的输出端分别连接所述LC滤波器的输入端和所述功率模块的输出端；所述第一模块控制器的输入端与所
3.如权利要求2所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述LC滤波器包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电感的第一端连接所述第一矩阵变换器，所述滤波电感的第二端分别连接所述滤波电容的第一端和所述电声换能器的输入端；所述滤波电容的第二端分别连接所述输出电压采样电路和所述电声换能器的输入端，所述输出电压采样电路的输出端与所述滤波电容的两端并联。
4.如权利要求3所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述第一矩阵变换器包括上桥臂和与所述上桥臂电连接的下桥臂；
5.如权利要求2所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述功率模块还包括第二全桥LLC高频逆变桥、第二高频变压器和第二矩阵变换器；所述第二全桥LLC高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第二全桥LLC高频逆变桥的输出端连接所述第二高频变压器的初级线圈，所述第二高频变压器的次级线圈连接所述第二矩阵变换器的输入端，所述第二矩阵变换器的输出端连接所述LC滤波器的输入端；所述第二全桥LLC高频逆变桥还与第二模块控制器电连接；所述第二模块控制器与第二矩阵变换器电连接；所述第二模块控制器通过定频开环控制方式控制所述第二全桥LLC高频逆变桥，所述第二模块控制器通过变频逆变驱动方式驱动所述第二矩阵变换器。
6.如权利要求5所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述第一矩阵变换器和所述第二矩阵变换器均采用单级性SPWM调制，以通过所述直流电源经过所述第一全桥LLC高频逆变桥和所述第一高频变压器，或所述第二全桥LLC高频逆变桥和所述第二高频变压器组成的高频环节形成的高频交流脉冲方波，根据所述音频采样及缓存模块采集的音频信号解调成单极性SPWM波，最后经所述LC滤波器输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压。
7.如权利要求5所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述第二全桥LLC高频逆变桥的驱动信号占比为50%，驱动频率为固定LLC谐振频率，且所述第二全桥LLC高频逆变桥始终工作在最高效率点，且输出电压增益固定，实现每个功率模块输出固定且相同的有效值电压，有效值电压是调压模块所能输出电压的最大值；
8.一种用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至7中任一项所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，所述控制方法包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的用于水声通信的大功率级联功放系统的控制方法，其特征在于，控制方法采用了脉冲宽度调制和变频调制控制，并结合全桥和半桥的拓扑结构转换；控制模式取决于所述总控制器向所述调压模块的第一模块控制器下发的具体调压值，根据具体调压值所处电压范围分为以下三种具体控制模式：
...【技术特征摘要】
1.一种用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，包括：直流电源、调压模块、至少一个功率模块、lc滤波器、电声换能器、音频采样及缓存模块、总控制器以及上位机；所述调压模块的输入端和所述功率模块的输入端并联后与所述直流电源的输出端电连接，所述调压模块的输出端和所述功率模块的输出端串联后与所述lc滤波器的输入端电连接，所述lc滤波器的输出端与所述电声换能器电连接；所述总控制器分别与所述上位机、所述音频采样及缓存模块、所述调压模块及所述功率模块信号连接；所述lc滤波器用于输出与采集的音频信号同频率的幅值放大正弦交流电压；
2.如权利要求1所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述调压模块还包括第一全桥llc高频逆变桥、第一高频变压器、第一矩阵变换器和输出电压采样电路；所述第一全桥llc高频逆变桥的输入端连接所述直流电源，所述第一全桥llc高频逆变桥的输出端连接所述第一高频变压器的初级线圈，所述第一高频变压器的次级线圈连接所述第一矩阵变换器的输入端，所述第一矩阵变换器的输出端分别连接所述lc滤波器的输入端和所述功率模块的输出端；所述第一模块控制器的输入端与所述总控制器信号连接，所述第一模块控制器的输出端分别连接所述第一全桥llc高频逆变桥、所述第一矩阵变换器及所述输出电压采样电路，所述输出电压采样电路与所述lc滤波器电连接；所述第一模块控制器用于通过变频和变模态混合调压控制的方式控制所述第一全桥llc高频逆变桥，所述第一模块控制器用于通过变频逆变驱动的方式控制所述第一矩阵变换器。
3.如权利要求2所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述lc滤波器包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电感的第一端连接所述第一矩阵变换器，所述滤波电感的第二端分别连接所述滤波电容的第一端和所述电声换能器的输入端；所述滤波电容的第二端分别连接所述输出电压采样电路和所述电声换能器的输入端，所述输出电压采样电路的输出端与所述滤波电容的两端并联。
4.如权利要求3所述的用于水声通信的大功率级联功放系统，其特征在于，所述第一矩阵变换器包括上桥臂和与所述上桥臂电连接的下桥臂；
【专利技术属性】
技术研发人员：宁勇，漆俊，徐毛邓，李文魄，
申请(专利权)人：湖南北顺源智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。