开关功放在某发射架随动系统放大环节的应用研究空军工程大学导弹学院焦宏张安堂王学智摘要D 类功率放大器具有体积小、效率高，适用驱动感性负载的特点，有替代某发射架随动系统放大环节的可行性。通过电路设计选型，所研制的放大环节除实现了原兵器的所有功能外，还具有过流保护、过热保护等功能，为今后将D 类功率放大器应用于该武器系统提供了理论和实践指导。主题词D 类功放P W MJ 船T 驱动随动系统伺服电机1 引言低失真、大功率、高效率是对功率放大器提出的普遍要求。传统的功放在对模拟信号进行放大时，通常工作于线性放大区，其功率耗散大、效率低，且不适合于驱动感性负载。某型发射架随动系统放大环节由电子管放大器和交磁放大电机两部分组成。电子管放大器的体积大、功耗大；交磁放大电机的转动惯量大、频响差且存在磁滞特性，其换向器与电刷产生的换向火花向外幅射高频电磁干扰，降低了系统的可靠性。因此由这类放大元件构造的随动系统远不能满足现代防空作战的需要。D 类开关功率放大器工作于开关状态，实际的效率可达8 0 以上：连续输出功率很容易达到数百瓦到千瓦数量级，非常适合于驱动类似伺服电机这样的感性负载。功率M O S F E T 及I G B T 有自保护电路，对于感性负 载，在设计电路时，还可以简化或省去低通滤波器( 脚) ，这样不但简化了电路设计，减小了放大器的体积，而且还提高了放大器的功率因数。因此，将D 类开关功放应用于该发射架随动系统来取代由电子管放大器加交磁放大电机组成的放大环节很有必要，对传统的实现方法也是一种挑战。2 技术指标确定及功放电路选型2 1 技术指标的确定由某型发射架随动系统放大环节执行电机的额定技术数据可知，样机的额定输出功率需达到，设计D 类功放的输出功率应有较大余量，样机的额定输出功率确定为不小于I O K W 。根据采样定理，开关频率越高，调制精度就越高，但低通滤波器对载波频率的衰减越大；载波频率越高，对开关器件的开关过渡要求越高，并会使开关损耗增大，效率降低。折衷考虑确定样机的载波频率为5 K l t z 。由于选择的开关频率不是很高，开关损耗较小，效率应确定在8 0 以上。2 2 功放电路的选型某型发射架随动系统放大环节样机原理框图如图1 所示。 双薯匣睫芝警图1 某型发射架随动系统放大环节样机组成框图功率输出电路是整个放大环节的核心，要求高效率和大功率。由于执行电机要求能正反转，由此选用日桥型输出电路，其基本结构如图2 所示。为了保证有足够大的输出功率，样机选用西门子公司的B S M 3 0 0 G B l 2 0 D L C 大功率I G B T 作为功率开关管，功率输出电路直流电源电压为3 0 0 V 。由于大功率I G B T 要求驱动电路有较大的瞬态驱动电流，故驱动电路的作用就是接受调制器的开关脉冲，以大的瞬态电流和合适的开关速度开关日桥，并自动地驱动高低端的I G B T 。采用日本富士公司的I C , B T 专用厚膜集成驱6 l 动芯片b ：X 8 8 4 1 ，其适合驱动3 ( D A 1 2 0 0 V 以下的廊丁模块，具有隔离强度高、反应速度快等优点，并可以对I G B T 实施过流保护。其具体电路如图3 所示。3 具体电路设计3 1 过流检测与保护电路E X B 8 4 1 具有短路保护功能，在实际使用中发现，E X B 8 4 1 还有很多的不足和缺陷，同时I G K I “ 固有的故障耐量不足，因此需要个更可靠的保护电路。其具体电路如图4。Q 1R U 11 1 4E X B 8 4 1 92 5R 3：C 1VO V图2I C , B T 组成的| I ；桥输出电路Q 1R U 11 0 VO VD 1 3图3 由E X 8 4 1 组成的驱动电路T 2- _ = T 1在图4 中，通过母线电流传感器对母线电流信号进行检测，电流传感器输出的电压信号从C Z I 端输入，通过调整尺2 、R 3 、R 4 和R 2 8 分压，在R 3 与R 4 并联电阻上获得一定幅度的输入信号，调整这些电阻的大小可以设定保护电流的大小。电路中还设计了各种指示功能，由C Z 3 输出。此外，还设计了过热保护电路，由温度传感器将检测到的信号输入到该保护电路中，原理从略。3 2 脉宽调制电路脉宽调制电路是将输入信号幅度的变化线性地转化成脉冲宽度的变化。要求三角波或锯齿波线性度好，振荡频率稳定，比较器速度快，精度高。样机中来用通用集成电路构成三角波发生器、比较器等，并由其组成一个功能较为完备的P W M 调制器，以便于对其进行控制与调整。脉宽调制电路如图5 所示。3 3 输出滤波器作为D 类功放的低通滤波器，是为了滤除开关频率附近的高次谐波分量，其上限频率应低于5 K I t Z 。低通滤波器的结构如图6 所示，L l 、2 和C l 组成二阶，r 型滤波器，3 是共模于扰抑制器，滤波器的电感实际上就是续流电感。滤波器的上限频率高于5 K H Z ，实践证明其效果良好。4 电路调试4 1 脉宽调制器的调试如图5 所示。调整I V 0 3 可调整载波的频率，用示波器监测I C 0 2 A 引脚l 的波形，应为线性良好的三角波：频率约为5 K H Z 。通过调整R 0 2 1 与R 0 2 2 的比例大小可调整三角波的幅度，幅度调整约为6 5V 。4 2 死区时间的调试死区时间确定为l 琊。通过R 0 2 8 、C 0 1 1 与R 0 2 9 、C 0 1 2 来调整。用双踪示波器比较脉冲的延迟量。4 3 驱动电路的调试6 2 们l 甜工l幢1 一针63侣63侣14 92酏5联调试前I C , f f F 输出电路不要加高压电源，应用示波器测量驱动电路的输出脉冲，注意观察，正常时其正脉冲幅度约为1 5 l ，。负脉冲幅度约为一5 V 。图4 过流检测与保护电路图5 实际的尸聊调制器4 4 输出信号的测量与调整用两个3 K W 的电炉丝并联作为假负载，P W M 调制器输入端加一个正、负可调节的直流电压，用示波器观察负载上的电压波形，正常时为直流电压上叠加有较小的载波信号。通过调整P W M 调制器的输入幅度，可调整输出电压的大小。为安全起见，高压电源供电电压通过交流调压器从低开始调起，没有问题后再正常供电。4 5 保护电路的调试如图4 所示：给C Z l 端输入可调直流电压，当输入电压增加到定值时，保护电路应开始起控，并处于锁定状态。 当C Z 3 复位电压为低电平时，应能解锁。起控点电压的大小是通过船与斛并联电阻的值来调整，不采用电位器调整是因为电位器的动点接触不是很可靠，将会增加保护电路的不安全因素。4 6 整机联调，整机联调是将放大环节与导弹发射架随动系统连接起来进行调试，需要将P I ；硼I 的调制度、系统的反馈参数、保护电路的起控点等结合在一起进行统一调试。这一调试过程要仔细小心，开始调试时，P W M 的调制度要较小。由于执行电机为感性负载，情况与模拟负载有所不同，要用示波器时刻监视输出级的波形。通过调试，各项指标均达到设计要求。，N 础叼厂1 叫 忡池，! 雨已I N o 摅，lIIlo图6 输出滤波器O U T +O U T -5 结论本文在充分理解设计要求，认真分析实装兵器随动系统的结构、功能及信号特征的基础上，对用D 类功率放大器实现某发射架随动系统放大环节的总体方案及具体电路进行了设计。完成了尸聊，调制器、I G B T 驱动输出电路及低通滤波器的设计选型，通过对所设计电路的装配与调试，较6 3 好地实R T 随动系统放大环节的所有性能指标。该放大器具有输出功率富余量大、可扩展空间大、平均效率高、体积小和功率损耗少等特点。其先进的驱动技术，保证了对I G B T 的可靠驱动，设计的故障检测、过流及短路保护电路，既保证了I G B T 功放管安全可靠的工作，又保证了执行电机的安全。为实现某发射架随动系统低失真、大功率、高效率提供了可能。参考文献王学智、王洁发射架随动系统设备原理空司地防部1 9 9 9 年3 月王学智、孙际哲等导弹发射系统元件工程大学导弹学院2 0 0 2 年7 月华伟I G B T 短路保护电路设计与研究机车电传动N O 51 9 9 7s a , 1 0 1 9 9 7 卫三民，李发海一种大功率I G B T 实用驱动及保护电路清华大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 1 年第4 l 卷第9 期胡学芝I G B T 驱动模块比较与选用黄石高等专科学校学报第1 5 卷，第4 期1 9 9 9 年1 2 月6 4