一种水下功率放大设备的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种水下功率放大设备。


背景技术：

2.随着科技的发展，水下探索和通信领域研究的深入，水下设备的应用范围越来越广泛，大部分水下设备如水下电话等都需要功率放大器的支持，因此对水下功率放大器的需求也逐渐增大。而传统的应用中，功率放大设备往往置于水面，采用风冷或传导散热，存在体积大、功率密度低等不足，且很难满足大水深应用需求。
3.因此，提供一种适用于水下应用的高可靠、模块化的水下功率放大设备具有重要的意义。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下功率放大设备。
5.根据本申请的一个方面，提供了一种水下功率放大设备，包括密封在水密容器中的功率放大模块、功率合成模块和供电模块，水密容器设置于水中，水密容器中填充有散热介质；供电模块与功率放大模块电连接，用于向功率放大模块模块供电；其中，功率放大模块用于采集/缓存输入信号，并完成输入信号的调制和功率放大得到功率放大信号，功率放大模块与功率合成模块电连接并向功率合成模块传输功率放大信号，功率放大信号在功率合成模块合成得到输出信号。
6.可选择地，功率放大模块包括控制单元和n个功率放大单元，控制单元与功率放大单元电连接并传输pwm调制信号，功率放大单元用于对pwm调制信号进行功率放大得到功率放大信号；
7.功率合成模块包括n个功率合成单元，功率合成单元包括初级绕组和次级绕组，每个功率合成单元的初级绕组与一个功率放大单元的输出端对应连接，n个功率合成单元的次级绕组串联连接。
8.可选择地，控制单元用于采集/缓存输入信号，控制单元对输入信号进行脉宽调制得到2n组pwm控制信号，2n组pwm控制信号的频率相同，pwm控制信号的占空比与输入信号的幅度成正比；其中，每组pwm控制信号包括两个电平互补的pwm信号。
9.可选择地，功率放大单元为h桥电路；h桥电路由四组电路结构相同的功率开关组件呈h桥形式连接形成，其中，每一组功率开关单元包括一个功率开关器件；
10.h桥电路中同一个桥臂的两个功率开关器件接收控制单元输出的一组pwm调制信号，用于实现pwm调制信号的功率放大。
11.可选择地，1≤n≤32。
12.可选择地，水下功率放大设备还包括状态监测模块，状态监测模块密封在水密容器中，状态监测模块分别与功率放大模块、功率合成模块、供电模块电连接，状态采集模块用于采集水下功率放大设备的工作状态。
13.可选择地，水下功率放大设备还包括设置在水密容器上的环境传感器，环境传感器用于检测水下功率放大设备所处的水下环境参数。
14.可选择地，水密容器包括水密舱体、设置在水密舱体中的框架结构以及压力补偿模块，水密舱体两端开口，水密舱体通过第一端盖和第二端盖分别封闭两端开口以将散热介质密封在水密舱体中，压力补偿模块设置在第一端盖上；
15.其中，功率放大模块、功率合成模块和供电模块设置在框架结构上。
16.可选择地，压力补偿模块为可伸缩金属波纹管或气囊，压力补偿模块内封装预定量气体，用于补偿水密容器内散热介质的压力变化。
17.可选择地，散热介质为单相电子氟化液或变压器油。
18.本发明的水下功率放大设备采用浸没式液冷散热，能有效减少设备体积并提高设备散热效率，大幅提高功率放大设备的功率密度和使用寿命；另外本发明的水下功率放大设备可通过改变水密容器的壳体厚度、材料等参数，以适应于不同水深的应用需求。
附图说明
19.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1是一实施例中的水下功率放大设备的框图；
21.图2是一实施例中水下功率放大设备中功率放大单元的电路图；
22.图3是一实施例中水下功率放大设备中功率合成模块的电路图；
23.图4是一具体实施例中水密容器的结构示意图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。
25.随着科技的发展，水下探索和通信领域研究的深入，水下设备的应用范围越来越广泛，大部分水下设备如水下电话等都需要功率放大器的支持，因此对水下功率放大器的需求也逐渐增大。而传统的应用中，功率放大设备往往置于水面，采用风冷或传导散热，存在体积大、功率密度低等不足，且很难满足大水深应用需求。因此，本发明提供一种适用于水下应用的高可靠、模块化的大功率功率放大器具有重要的意义。
26.为此，本申请提供了一种水下功率放大设备，如图1所示，包括密封在水密容器中的功率放大模块、功率合成模块和供电模块，水密容器设置于水中，水密容器中填充有散热介质；供电模块与功率放大模块和功率合成模块电连接，用于向功率放大模块供电。
27.其中，功率放大模块用于采集/缓存输入信号，并完成输入信号调制和功率放大得到功率放大信号，功率放大模块与功率合成模块电连接并向功率合成模块传输功率放大信号，功率放大信号在功率合成模块合成得到输出信号。
28.本发明的水下功率放大设备采用浸没式散热，能有效减少设备体积并提高设备散热效率，大幅提高功率放大设备的功率密度和使用寿命；另外本发明的水下功率放大设备可通过改变水密容器的壳体厚度、材料等参数，以适应于不同水深应用需求。
29.作为本申请的一个实施例，如图1所示，本申请的水下功率放大设备，包括功率放大模块、功率合成模块和供电模块，功率放大模块、功率合成模块和供电模块包括密封在水密容器中，水密容器设置于水中，水密容器中填充有散热介质；供电模块与功率放大模块电连接，用于向功率放大模块供电。
30.其中，功率放大模块包括控制单元和n个功率放大单元，控制单元与功率放大单元电连接并传输pwm调制信号，功率放大单元用于对pwm调制信号进行功率放大得到功率放大信号。
31.功率合成模块包括n个功率合成单元，功率合成单元包括初级绕组和次级绕组，每个功率合成单元的初级绕组与一个功率放大单元的输出端对应连接，n个功率合成单元的次级绕组串联连接。
32.n个功率放大单元分别将放大得到的功率放大信号传输给功率合成模块，功率放大信号通过功率合成单元的次级绕组合并后输出，
33.本实施例中的水下功率放大设备将功率放大部分分为功率放大模块和功率合成模块两个单独的模块，功率放大模块的多个功率放大单元独立设置，功率合成模块的多个功率合成单元独立设置，本实施例的设备模块化程度更高，易于扩展维护。
34.而且，本实施例中的水下功率放大设备，功率放大模块的n个功率放大单元分别功率放大处理多个调制信号并将功率放大信号传输给功率合成模块，经过功率合成模块合成处理后输出，可通过调节功率放大单元的个数调节水下功率放大设备的工作输入电压的等级和输出信号功率的大小，以适应不同功率输出、不同电压输入的应用场合。
35.为了便于模块集成，提高设备的模块化程度，易于模块的扩展维护，本实施例中优选将n的数量设定为1≤n≤32。
36.作为本申请的一个实施例，本实施例与上述实施例的大部分内容相同，区别之处在于，控制单元用于采集/缓存输入信号，控制单元对输入信号进行脉宽调制得到2n组pwm控制信号，2n组pwm控制信号的频率相同，pwm控制信号的占空比与输入信号的幅度成正比；其中，每组pwm控制信号包括两个电平互补的pwm信号。
37.功率放大单元为h桥电路；h桥电路由四组电路结构相同的功率开关组件呈h形桥式连接形成，其中，每一组功率开关单元包括一个功率开关器件；
38.h桥电路中同一个桥臂的两个功率开关器件接收控制单元输出的一组pwm调制信号，用于实现pwm调制信号的功率放大。
39.其中，每个功率开关单元q上的功率开关器件为绝缘栅双极晶体管igbt、半导体场效应晶体管mosfet或碳化硅mosfet管。
40.在此实施例中，如图2所示，每个功率放大单元接收两组pwm调制信号，h桥电路的两个桥臂分别接收一组pwm调制信号并对一组pwm调制信号进行功率放大处理。也即h桥电路的两个桥臂分别处理两组pwm调制信号，提高了功率放大单元的工作效率，提高了功率放大模块的集成度，简化了本申请的功率放大器在进行功率放大过程中的过程流程。
41.作为本申请的一个实施例，实施例与上述实施例的大部分内容相同，区别之处在
于，如图2所示，h桥电路的每个桥臂包括串联连接的第一功率开关单元q1和第二功率开关单元q2。第一功率开关单元q1的栅极与控制单元连接，第一功率开关单元q1的发射极分别与第二功率开关单元q1的集电极和对应的功率合成单元的初级绕组的正极或负极连接，第一功率开关单元q1的集电极与供电模块的正极连接。第二功率开关单元q2的栅极与控制单元连接，第二功率开关单元q2的发射极与供电模块的负极连接。
42.如图3所示，h桥电路的两个桥臂，其中一个桥臂的第一功率开关单元q1的发射极和对应的功率放大单元的初级绕组的正极连接，另一个桥臂的第一功率开关单元q1的发射极和对应的功率放大单元的初级绕组的负极连接，也即h桥电路的一个桥臂接收来自控制单元的一组pwm调制信号传送到对应的功率放大单元的初级绕组的正极，另一个桥臂接收来自控制单元的另一组pwm调制信号传送到对应的功率放大单元的初级绕组的负极，初级绕组受到供电模块的高压直流的激励，次级绕组和初级绕组感应耦合，产生激励响应将初级绕组接收到的pwm调制信号放大并输出至输出端。
43.在本实施例中，功率放大模块接收到的pwm调制信号分别进入n个功率放大单元中功率放大成为功率放大信号，功率放大信号分别进入功率合成模块的n个功率合成单元的初级绕组，功率合成单元的次级绕组和初级绕组感应耦合，产生激励响应后，初级绕组接收到的功率放大信号输出至次级绕组，n个次级绕组端串联连接将多组功率放大信号合并为一路输出信号，功率合成模块输出输出信号。本实施例的功率放大设备采用单级功率变换结构，pwm调制信号进入功率放大模块分别进行单级放大后功率合成，功率合成的信号的失真度明显优于多级放大的功率信号。
44.作为本申请的一个实施例，本实施例与上述实施例的大部分内容相同，区别之处在于，水下功率放大设备还包括状态监测模块，状态监测模块密封在水密容器中，状态监测模块分别与功率放大模块、功率合成模块、供电模块通信连接获取水下功率放大设备的工作状态，供电模块与状态监测模块电连接向状态监测模块供电。
45.作为本申请的一个实施例，本实施例与上述实施例的大部分内容相同，区别之处在于，水下功率放大设备还包括设置在水密容器上的环境传感器，环境传感器用于检测水下功率放大设备所处的水下环境参数。
46.作为本申请的一个实施例，本实施例与上述实施例的大部分内容相同，区别之处在于，如图4所示，水密容器1包括水密舱体10、设置在水密舱体10中的框架结构15以及压力补偿模块，水密舱体10两端开口，水密舱体10通过第一端盖11和第二端盖12分别封闭两端开口以将散热介质40密封在水密舱体中，压力补偿模块设置在第一端盖11上；其中，功率放大模块、功率合成模块和供电模块设置在框架结构15上。其中，为了便于各个模块安装，状态监测模块和环境传感器也设置在支撑框架15上与支撑框架15固定连接，以提高本申请的水下设备的刚性和抗冲击性。
47.为了降低本申请的水下功率放大设备在水下行驶的阻力，本实施例中将水密容器的水密舱体10设计为圆柱结构。
48.在本实施例中，散热介质40为单相电子氟化液或变压器油。压力补偿模块为可伸缩金属波纹管或气囊，压力补偿模块内封装预定量气体，用于补偿水密容器内散热介质40的压力变化。
49.在此实施例中，本申请的水下功率放大设备还包括通信接口01、供电接口02、信号
输出接口03，通信接口01、供电接口02、信号输出接口03设置在水密容器10的第二端盖12上，通过三个水密连接器分别密封连接。
50.状态监测模块与通信接口01通信连接以将水下功率放大设备的工作状态通过通信接口01发送给水面设备，以便于实时水面人员能够知晓水下功率放大设备的工作状态。供电模块与供电接口02连接以接收外部设备供电。功率合成模块与信号输出接口03连接以将输出信号从输出接口03向外输出。
51.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
52.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。