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[摘要]大功率同步机放大器（下简称MSBA）在舰船、火炮、雷达等应用场合的固态发送系统中有着广泛的应用 。该类同步机放大器精度高、输出驱动能力强、功耗低（使用脉动电源供电）、带有多项保护、易散热。结合数字-同步机转换器（DSC）、数字-旋转变压器转换器（DRC）的应用，进而提高了重要应用系统的性能。介绍了MSBA系列大功率同步机放大器的主要技术特性、工作原理及关键技术。
[关键词]大功率同步机放大器 脉动电源 保护 负载
中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0610023－02
一、引言
在舰船、火炮、雷达等应用系统中 ,为完成扫描、搜索、定位、导航、跟踪、测量等功能，经常需要大功率的固态发送同步机。
MSBA可以用来直接放大一个同步机（自整角机）发送机的输出信号，但更常用的是进行大功率数字/同步机（D/S）转换。进行大功率D/S转换需要两种器件：一个小功率混合集成或模块结构的D/S或数字/旋转变压器（D/R）转换器及一个MSBA。
目前，典型的大功率同步机放大器输出功率多为25VA。而在一些重要的使用场合，希望能同时驱动更多的负载，这种实际需要也促使了50VA输出功率的MSBA大功率同步机放大器的研制成功。
二、主要技术性能
1．输出功率：25VA/50VA
2．精度：±10分/±15分
3．信号输入电压L-L：6.8V、53、90V±10%
4．信号输出电压L-L：57、90V±10%
5．激磁电压： 110V/115V±10%
6．工作频率:50HZ/400HZ (±10%)
7．输入电源（直流）：5V（±5%）
8．工作环境温度：-40℃——+85℃
9．外形尺寸：25VA系列：188mm×130mm×48mm(400HZ)(66 mm-50HZ)
50VA系列：室外防水结构：264mm×200mm×73mm
仓内结构：238mm×200mm×58mm
三、电路框图及原理简介
大功率同步机放大器的电路原理框图如图1所示。
如图1所示，MSBA由四部分组成。分别为：变压器缓冲隔离或SCOOT变换的信号输入电路；具有多种保护的三路功率放大电路；用隔离变压器与参考电源隔离的内部供电电路；光电隔离的数字逻辑控制电路。
MSBA的输入信号可以是同步机三相信号，也可以是正交的旋转变压器信号。
输入同步机三相信号经隔离变压器缓冲后输入放大器；输入旋转变压器信号经SCOTT（斯科特）变压器变换后成为适当幅度的三相同步机信号形式。该三相同步机信号都输至三路一致性很好的功率放大器进行功率放大。
MSBA具有数字逻辑控制功能，对放大器是否输出及输出是否过载给以控制和兼测。
当输入参考电压未接入时，放大器将自动关闭输出（输出为零），相当于负载开路。此时MSBA会很安全。放大器具有过热保护功能，当内部温度达到125℃时，放大器内部断路，使输出为零；内部温度低于125℃，放大器则自动恢复功率输出。
放大器采用脉动电源供电，这使内部功耗会减小许多。
另外MSBA还设置了力矩接收机电机轴被锁定的突跳（KICK）电路。以保证MSBA的安全工作。
四、关键技术
（一）输入SCOTT、输入隔离变压器
输入SCOTT变压器及输入隔离变压器分别如图2及图3所示。
在激励电压V（RHI-RLO）=VrSINωt作用下（Vr为激励电压峰值），当输入为三相同步机信号时，其线线电压表示式为：
V（S3-S1）=VrK1SINθSIN（ωt）（1）
V（S2-S3）=VrK1SIN（θ+120°）SIN（ωt）（2）
V（S1-S2）=VrK1SIN（θ+240°）SIN（ωt）（3）
当输入为旋转变压器信号时，其线线电压表示式为：
V（S3-S1）=VrK2SINθSIN（ωt）（4）
V（S2-S4）=VrK2COSθSIN（ωt）（5）
式中: V（S1-S2）——S1～S2两端电压瞬时值,V;
V（S2-S3）——S2～S3两端电压瞬时值,V;
V（S3-S1）——S3～S1两端电压瞬时值,V;
V（S2-S4）——S2～S4两端电压瞬时值,V;
Vr——激励电压峰值,V;
K1、K2——变换系数,倍;
Θ——转子相对于定子的偏转角,°;
ω——角频率,ARC/t;
T——时间,s。
图2示出的是输入的四线旋转变压器信号或正交的正余弦信号至三线同步机信号的变换。此种变换称为SCOTT变换。
图3是原边的三线同步机信号至付边三线同步机信号的隔离与幅度变换。此种变换与隔离不同于普通的无抽头变压器。由于输入与输出均为三线同步机信号，为了保持信号特点，T1的抽头需与T2的始端进行连接。T1原副边的抽头均处于中心。
（二）高压功率运算放大器
功率放大器是MSBA的核心组成部分。功率放大器应由普通运放和分离元件的功率放大器组成。由于输出电压较高，该功放还需完成低压输入、高压输出的过度与转换。用于高压放大的晶体管要有高的耐压。
功率放大器还要设置了多种保护功能,以保证放大器的安全工作。功放输出的限定电流最大值分别是1A(25VA)2A(50VA)，以防止输出过载或短路而损坏器件。电压箝位电路能防止负载瞬变产生的损害。当输入参考电压未接入时，放大器将自动关闭输出（输出为零），相当于负载开路。这样，MSBA就处于一种安全状态中。MSBA具有过热保护功能，当内部温度达到125℃时，温度传感器将此种的温度信息变换为控制信号，使放大器内部断路以阻止放大器功率输出，当内部温度下降到125℃以下时，温度传感器同样会感知此种温度信息，从而控制放大器自动恢复功率输出。
由于输出功率比较大和有一定的功耗，功率输出放大管的散热就必须高度重视。MSBA将功率管置于金属壳体表面，同时考虑了电绝缘和绝缘情况下的导热。
（三）脉动电源
由图4可看出，当用常规的直流电源方式供电时，为保证放大器有合适的工作点，考虑到在满载时大电流情况下会有较大的饱和压降，需将输入的直流电源电压留有足够的余量，这势必使放大器的功率管有很大的功耗。
而MSBA的内部供电电路采取了脉动电源方式。脉动包络基本同参考的全波波形。信号与脉动包络相位一致，且脉动包络的幅度仅需比功率放大器的输出高几伏。正如图4 所表示的，正负脉动电源电压电平都将一致地低于任何直流电源的恒定直流电平。由于供电电压电平比较低，所消耗的功率也就少的多。脉动电源供电比直流电源方式的内部功耗会减小许多。
由图4可知，脉动电源的电压、电流波形函数均为以π为周期的正弦函数。
脉动电源基础直流电压电平Vp及基础直流电流电平Ip为如式（6）式（7）所示。
vp = Vp+Vmsinwt（6）
ip = Ip+Imsinwt（7）
脉动电源的功率容量Pp如式（8）所示。
当负载为控制变压器（CT）时，MSBA的功耗PC为：
式中，Vm为相电压最大值；
Im为相电流最大值;
Vp+为脉动电源基础直流电压正电平；
Ip+为脉动电源基础直流电流正电平。
ZSO为转子开路时，定子任意一端到被短接在一起的另外两端之间的等效阻抗。
（四）负载的驱动
1．驱动力矩接收机负载和突跳（KICK）释放电路
MSBA设置了驱动力矩接收机时电机轴被锁定的突跳（KICK）释放电路。力矩接收机在需归零位而转子却停在某一其他的角度时有时会出现电机轴被锁定的情况。此时放大器会产生最大电流。若不及时解除此现象，将会导致MSBA放大器的损坏。
突跳电路的功能就是去释放这个锁定，以使转子可以返回零点。实现方法是在1/2秒内使同步机输入移相120°。如果上述的电流过载（CO）的响应时间大于4秒，CO将变为逻辑“1”并触发突跳电路。通常，一个突跳周期足以释放转子的锁定。如果电流过载状态仍然存在，该电路将每隔4.5秒重复进行这一过程，直到转子锁定被释放。如果没有突跳电路，为了释放锁定转子，就会要求MSBA提供很大的驱动电流，这将容易造成力矩电机或MSBA的损坏。因此，突跳电路对于减小MSBA的体积以及提高系统可靠性等都是必要的。
驱动控制变压器CTs和控制差动接收机CDXs，则不需使用突跳电路功能。
2．驱动控制变压器（CT）和控制差动变压器（CDX）负载
当驱动CT和CDX高感性负载负载时，可以用电容调谐来提高等效负载以减少对驱动功率的需求。方法是用三个电容跨接在同步机定子引脚上进行调谐。
调谐电容C值由下式给出（单位法拉）：
调谐之后负载阻抗增加为
式中f是频率，R和X分别是ZSO的串联电阻(实部)和电抗分量(虚部)。
所用的电容温度稳定性要好，而且要有足够的耐压。
调谐后所需的驱动功率POt减小为：
由此可见，调谐负载后MSBA在其额定的输出功率范围内可以驱动原来不能驱动的较重负载。
五、结论
MSBA系列大功率同步机放大器与DRC（或DSC）结合，将输入的十二十六位二进制数字角度转换成精度高、具有很强驱动能力的同步机模拟信号输出，可用于扫描、搜索、定位、导航、测量等功能要求的自动控制领域。该类产品的研制成功对于提高应用系统的性能将起到重要的作用。
参考文献：
[1]邱关源，电路（电工原理Ⅰ）,人民教育出版社，1978.
[2]王汉义，模-数与数-模转换技术基础，哈尔滨船舶工程学院出版社，1986.
[3]DDC,DATA CONVERTERS Product Catalag,1998.
[4]童诗白，模拟电子技术基础，1981.
作者简介：
郗树理，男，大学本科，高级工程师，主要研究方向：SDC、RDC、DSC、DRC轴角转换器。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]大功率同步机放大器 脉动电源 保护 负载
中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0610023－02
一、引言
在舰船、火炮、雷达等应用系统中 ,为完成扫描、搜索、定位、导航、跟踪、测量等功能，经常需要大功率的固态发送同步机。
MSBA可以用来直接放大一个同步机（自整角机）发送机的输出信号，但更常用的是进行大功率数字/同步机（D/S）转换。进行大功率D/S转换需要两种器件：一个小功率混合集成或模块结构的D/S或数字/旋转变压器（D/R）转换器及一个MSBA。
目前，典型的大功率同步机放大器输出功率多为25VA。而在一些重要的使用场合，希望能同时驱动更多的负载，这种实际需要也促使了50VA输出功率的MSBA大功率同步机放大器的研制成功。
二、主要技术性能
1．输出功率：25VA/50VA
2．精度：±10分/±15分
3．信号输入电压L-L：6.8V、53、90V±10%
4．信号输出电压L-L：57、90V±10%
5．激磁电压： 110V/115V±10%
6．工作频率:50HZ/400HZ (±10%)
7．输入电源（直流）：5V（±5%）
8．工作环境温度：-40℃——+85℃
9．外形尺寸：25VA系列：188mm×130mm×48mm(400HZ)(66 mm-50HZ)
50VA系列：室外防水结构：264mm×200mm×73mm
仓内结构：238mm×200mm×58mm
三、电路框图及原理简介
大功率同步机放大器的电路原理框图如图1所示。
如图1所示，MSBA由四部分组成。分别为：变压器缓冲隔离或SCOOT变换的信号输入电路；具有多种保护的三路功率放大电路；用隔离变压器与参考电源隔离的内部供电电路；光电隔离的数字逻辑控制电路。
MSBA的输入信号可以是同步机三相信号，也可以是正交的旋转变压器信号。
输入同步机三相信号经隔离变压器缓冲后输入放大器；输入旋转变压器信号经SCOTT（斯科特）变压器变换后成为适当幅度的三相同步机信号形式。该三相同步机信号都输至三路一致性很好的功率放大器进行功率放大。
MSBA具有数字逻辑控制功能，对放大器是否输出及输出是否过载给以控制和兼测。
当输入参考电压未接入时，放大器将自动关闭输出（输出为零），相当于负载开路。此时MSBA会很安全。放大器具有过热保护功能，当内部温度达到125℃时，放大器内部断路，使输出为零；内部温度低于125℃，放大器则自动恢复功率输出。
放大器采用脉动电源供电，这使内部功耗会减小许多。
另外MSBA还设置了力矩接收机电机轴被锁定的突跳（KICK）电路。以保证MSBA的安全工作。
四、关键技术
（一）输入SCOTT、输入隔离变压器
输入SCOTT变压器及输入隔离变压器分别如图2及图3所示。
在激励电压V（RHI-RLO）=VrSINωt作用下（Vr为激励电压峰值），当输入为三相同步机信号时，其线线电压表示式为：
V（S3-S1）=VrK1SINθSIN（ωt）（1）
V（S2-S3）=VrK1SIN（θ+120°）SIN（ωt）（2）
V（S1-S2）=VrK1SIN（θ+240°）SIN（ωt）（3）
当输入为旋转变压器信号时，其线线电压表示式为：
V（S3-S1）=VrK2SINθSIN（ωt）（4）
V（S2-S4）=VrK2COSθSIN（ωt）（5）
式中: V（S1-S2）——S1～S2两端电压瞬时值,V;
V（S2-S3）——S2～S3两端电压瞬时值,V;
V（S3-S1）——S3～S1两端电压瞬时值,V;
V（S2-S4）——S2～S4两端电压瞬时值,V;
Vr——激励电压峰值,V;
K1、K2——变换系数,倍;
Θ——转子相对于定子的偏转角,°;
ω——角频率,ARC/t;
T——时间,s。
图2示出的是输入的四线旋转变压器信号或正交的正余弦信号至三线同步机信号的变换。此种变换称为SCOTT变换。
图3是原边的三线同步机信号至付边三线同步机信号的隔离与幅度变换。此种变换与隔离不同于普通的无抽头变压器。由于输入与输出均为三线同步机信号，为了保持信号特点，T1的抽头需与T2的始端进行连接。T1原副边的抽头均处于中心。
（二）高压功率运算放大器
功率放大器是MSBA的核心组成部分。功率放大器应由普通运放和分离元件的功率放大器组成。由于输出电压较高，该功放还需完成低压输入、高压输出的过度与转换。用于高压放大的晶体管要有高的耐压。
功率放大器还要设置了多种保护功能,以保证放大器的安全工作。功放输出的限定电流最大值分别是1A(25VA)2A(50VA)，以防止输出过载或短路而损坏器件。电压箝位电路能防止负载瞬变产生的损害。当输入参考电压未接入时，放大器将自动关闭输出（输出为零），相当于负载开路。这样，MSBA就处于一种安全状态中。MSBA具有过热保护功能，当内部温度达到125℃时，温度传感器将此种的温度信息变换为控制信号，使放大器内部断路以阻止放大器功率输出，当内部温度下降到125℃以下时，温度传感器同样会感知此种温度信息，从而控制放大器自动恢复功率输出。
由于输出功率比较大和有一定的功耗，功率输出放大管的散热就必须高度重视。MSBA将功率管置于金属壳体表面，同时考虑了电绝缘和绝缘情况下的导热。
（三）脉动电源
由图4可看出，当用常规的直流电源方式供电时，为保证放大器有合适的工作点，考虑到在满载时大电流情况下会有较大的饱和压降，需将输入的直流电源电压留有足够的余量，这势必使放大器的功率管有很大的功耗。
而MSBA的内部供电电路采取了脉动电源方式。脉动包络基本同参考的全波波形。信号与脉动包络相位一致，且脉动包络的幅度仅需比功率放大器的输出高几伏。正如图4 所表示的，正负脉动电源电压电平都将一致地低于任何直流电源的恒定直流电平。由于供电电压电平比较低，所消耗的功率也就少的多。脉动电源供电比直流电源方式的内部功耗会减小许多。
由图4可知，脉动电源的电压、电流波形函数均为以π为周期的正弦函数。
脉动电源基础直流电压电平Vp及基础直流电流电平Ip为如式（6）式（7）所示。
vp = Vp+Vmsinwt（6）
ip = Ip+Imsinwt（7）
脉动电源的功率容量Pp如式（8）所示。
当负载为控制变压器（CT）时，MSBA的功耗PC为：
式中，Vm为相电压最大值；
Im为相电流最大值;
Vp+为脉动电源基础直流电压正电平；
Ip+为脉动电源基础直流电流正电平。
ZSO为转子开路时，定子任意一端到被短接在一起的另外两端之间的等效阻抗。
（四）负载的驱动
1．驱动力矩接收机负载和突跳（KICK）释放电路
MSBA设置了驱动力矩接收机时电机轴被锁定的突跳（KICK）释放电路。力矩接收机在需归零位而转子却停在某一其他的角度时有时会出现电机轴被锁定的情况。此时放大器会产生最大电流。若不及时解除此现象，将会导致MSBA放大器的损坏。
突跳电路的功能就是去释放这个锁定，以使转子可以返回零点。实现方法是在1/2秒内使同步机输入移相120°。如果上述的电流过载（CO）的响应时间大于4秒，CO将变为逻辑“1”并触发突跳电路。通常，一个突跳周期足以释放转子的锁定。如果电流过载状态仍然存在，该电路将每隔4.5秒重复进行这一过程，直到转子锁定被释放。如果没有突跳电路，为了释放锁定转子，就会要求MSBA提供很大的驱动电流，这将容易造成力矩电机或MSBA的损坏。因此，突跳电路对于减小MSBA的体积以及提高系统可靠性等都是必要的。
驱动控制变压器CTs和控制差动接收机CDXs，则不需使用突跳电路功能。
2．驱动控制变压器（CT）和控制差动变压器（CDX）负载
当驱动CT和CDX高感性负载负载时，可以用电容调谐来提高等效负载以减少对驱动功率的需求。方法是用三个电容跨接在同步机定子引脚上进行调谐。
调谐电容C值由下式给出（单位法拉）：
调谐之后负载阻抗增加为
式中f是频率，R和X分别是ZSO的串联电阻(实部)和电抗分量(虚部)。
所用的电容温度稳定性要好，而且要有足够的耐压。
调谐后所需的驱动功率POt减小为：
由此可见，调谐负载后MSBA在其额定的输出功率范围内可以驱动原来不能驱动的较重负载。
五、结论
MSBA系列大功率同步机放大器与DRC（或DSC）结合，将输入的十二十六位二进制数字角度转换成精度高、具有很强驱动能力的同步机模拟信号输出，可用于扫描、搜索、定位、导航、测量等功能要求的自动控制领域。该类产品的研制成功对于提高应用系统的性能将起到重要的作用。
参考文献：
[1]邱关源，电路（电工原理Ⅰ）,人民教育出版社，1978.
[2]王汉义，模-数与数-模转换技术基础，哈尔滨船舶工程学院出版社，1986.
[3]DDC,DATA CONVERTERS Product Catalag,1998.
[4]童诗白，模拟电子技术基础，1981.
作者简介：
郗树理，男，大学本科，高级工程师，主要研究方向：SDC、RDC、DSC、DRC轴角转换器。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”