可在涡轮发动机的高温环境中操作的电压调节器电路的制作方法
【专利摘要】提供了一种适于在涡轮发动机的高温环境中操作的电压调节器电路(50)。该电压调节器可包括恒流电源(52)，所述恒流电源包括第一半导体开关(54)以及连接在第一半导体开关的栅极端子(G)和源极端子(S)之间的第一电阻器(56)。第二电阻器(58)连接到第一半导体开关(54)的栅极端子，并连接到电接地(64)。恒流电源联接成在第二电阻器(58)的两端产生参考电压。源极跟随器输出级(66)可包括第二半导体开关(68)以及连接在电接地和第二半导体开关的源极端子之间的第三电阻器(58)。所产生的参考电压被施加到第二半导体开关(58)的栅极端子。
【专利说明】可在涡轮发动机的高温环境中操作的电压调节器电路
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及电子电路，更具体地说，涉及可适于在涡轮发动机的高温环境中操作的电路。
【背景技术】
[0002]诸如燃气轮机发动机的涡轮发动机可用于许多应用，比如驱动发电厂中的发电机或者推进轮船或航空器。现代燃气轮机发动机的点火温度响应于更高燃烧效率的要求而持续增加。
[0003]期望使用比如用在无线遥测系统中的电路来监控发动机(比如涡轮叶片)的操作参数，或监控在发动机操作期间这种部件上的操作应力。本发明的各方面提供了与这种电路有关的改进。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]参考附图在下列描述中解释本发明，附图中:
[0005]图1是包括电子电路的示例性涡轮叶片的部分等轴测试图，所述电路可由无线遥测系统使用来监控叶片的操作参数。
[0006]图2是示例电源电路的框图，该电源电路可由遥测系统使用，并可得益于体现本发明各方面的电压调节器。
[0007]图3是体现本发明各方面的电压调节器的一个示例实施例的示意图。
[0008]图4是体现本发明各方面的电压调节器的另一示例实施例的示意图。
[0009]图5是体现本发明各方面的电压调节器集成在无线遥测系统中的示意图。
【具体实施方式】
[0010]本发明的示例实施例涉及电子电路，在一个示例应用中，电路可用在具有遥测系统的内燃机中，比如涡轮发动机。该示例应用可允许从具有一定电子电路的可移动部件(比如可旋转涡轮发动机叶片)传送传感器数据，例如，所述电子电路可在具有超过约300°C温度的环境中操作。
[0011]为了公开的目的，不具有额外限定的术语“高温”环境可指代具有超过约300°c的最大操作温度的任何操作环境，比如涡轮发动机的部分内的环境。应明白，本发明的各方面不必限于高温环境，因为体现本发明各方面的电路可同等有效地用在非高温环境中。
[0012]图1示出可具有示例遥测系统的涡轮叶片20 (部分示出)，示例遥测系统可包括无线遥测发送器组件24和天线组件26。引线或连接器28可从一个或多个传感器(例如传感器30)延伸到遥测发动器组件24，遥测发送器组件可安装成邻近叶片根部22，并可包括各种遥测发动器电路。示例传感器可以是嵌入的和/或表面安装的传感器，比如应变计、热电偶、热流传感器、压力换能器、微加速计或任何其它期望的传感器。引线28可以将电子数据信号从传感器30传递到遥测发送器组件24，在遥测发送器组件，信号可由处理器处理。其它引线或电连接器36可用于将电子数据信号从遥测发送器电路传递到天线组件26。
[0013]图2示出示例电源电路39的框图，其可用在具有遥测系统的涡轮部件(例如，涡轮叶片20(图1))中。在一个示例实施例中，一个或多个负载40可由电源电路39电驱动。举例来说，负载40可以是电子电路，比如感测、信号调节和丨或遥测电路，可以是遥测系统的一部分。
[0014]电源电路39可通过一个或多个功率收获模态1110(18111:168)诸如诱导1^(射频)能量和/或通过在涡轮发动机内收获热或振动能量而获取电功率。例如，热电堆可用于从热能产生电，或者压电材料可从涡轮发动机的振动产生电。对于想得到与功率收获模态的示例形式相关的研究背景的读者，可参考发明名称为“尬况廿化“
^8861111317101111:01~ 1II ^ 0011(111:10118 III 八 00111131181:1011 X11131116 0^ 61~81: 111^
2鮮11~01111161^”的美国专利价).7368827，该专利的全部公开内容作为引用并入本文。
[0015]不管是什么样的功率收获模态，在一个示例实施例中，可给整流器42提供…(交流)电源41，整流器将…输入转换为0“直流)输出，其联接到电压调节器44，并可构造成维持相对恒定的IX:压力输出45，即使收获的⑷输入电压存在变化也如此。应明白，对于被测量的任何给定的发动机参数，恒定的电压输出是期望的，以获得所需的测量精度和丨或稳定性。
[0016]图3-4及以下相关描述提供了体现本发明各方面的电压调节器50的细节，在一个示例应用中，电压调节器可用在电源电路中，如图2示例性示出。应明白，这种示例应用不应被理解为限制性的，体现本发明各方面的电路可用于其它应用。
[0017]在一个示例实施例中，电压调节器50可适于在涡轮发动机的高温环境中操作。电压调节器50可包括恒流电源52，比如可包括第一半导体开关54以及连接在第一半导体开关54的栅极端子￠)和源极端子(3)之间的第一电阻器56。
[0018]在一个示例实施例中，第二电阻器58可具有连接到第一半导体开关54的栅极端子(￠)的第一引线60和连接到电接地64的第二引线62。恒流电源52可联接成在第二电阻器58两端产生参考电压(#)。源极跟随器输出级66可包括第二半导体开关68以及连接在电接地64和第二半导体开关68的源极端子(3)之间的第三电阻器70。如图3中看出，第二电阻器58的第一引线60连接成对第二半导体开关68的栅极端子￠)施加所产生的参考电压(斤)。进一步，应明白，第二半导体开关68的源端子(3)供给电压调节器50的被调节输出电压00110。
[0019]在一个示例实施例中，电源52还可包括输入级72，其可包括具有漏极端子(0)的第三半导体开关74，漏极端子连接成接收由电压调节器50调节的输入电压(例如，从图2的整流器42输出)。分压网络76可提供连接到第三半导体开关74的栅极端子￠)的分压结78。分压网络76可包括连接在分压结78和第三半导体74的漏极(0)的第一电阻器80，并可包括连接在分压结78和第二半导体开关68的源极(3)之间的第二电阻器82。
[0020]在图4所示替代实施例中，在电压调节器50’中，电源52的输入级72还可包括在串联电路中连接在第一半导体开关54和第三半导体开关74之间的第四半导体开关84。在该替代实施例中，第四半导体开关84可具有连接到第三半导体开关74的源极端子(3)的漏极端子(0)、连接到第一半导体开关54的漏极端子(0)的源极端子(3)和连接到第一半导体开关54的源极端子(3)的栅极端子扣)。应明白，半导体开关74和84的级联布置有益于通过电源52的相对更稳定的电流调节，这又有益于相对更稳定的参考电压Vr，因此有益于相对更稳定的被调节输出电压Vout，参考电压构成用于第三半导体开关68的DC偏压。
[0021]在一个示例实施例中，半导体开关54、68、74和84可以是η通道结栅场效应晶体管(JFET)开关，并可包括相应的高温、宽带隙材料，比如SiC、AIN、GaN、AIGaN, GaAs, GaP,InP, AlGaAs、AlGaP、AllnGaP 和 GaAsAIN。
[0022]如本领域技术人员所明白的，高温电压调节，如涉及由高温、宽带隙材料制成的齐纳二极管目前是不可行的，因为涉及高温材料的齐纳二极管被认为商业上不可用。而且，P通道SiC JFET因其相对低通道迁移率而被目前认为在高温应用中是不现实的。相应地，体现本发明各方面的电路以η通道JFET有利地克服由高温、宽带隙材料制成的齐纳二极管的当前无效性，因此，这种电路可在高温、宽带隙材料JFET的理论温度极限(例如高于5000C )内操作，并有效地提供基本稳定的电压调节器。在一个示例应用中，根据本发明各方面的电压调节器可用于适当地调节高温环境中的电源，以驱动涉及相对低压信息信号的负载电路。例如，在本发明之前，考虑到信息信号的相对低幅度(例如，几毫伏)，这种负载电路易受由电源不稳定性引起的测量不确定性的影响，信息信号可由传感器，比如热电偶和应变计产生。
[0023]在一个示例实施例中，可通过调节第一和第二电阻器56和58的相应电阻值的比率来调节输出电压Vout的大小。通常，已知电压调节器的输出电压是不能调节的，必要时，对于已知电压调节器，可涉及运算放大器。然而，对于高温应用，由高温、宽带隙材料制成的运算放大器被认为商业上不能获得。相应地，以简化方式(例如，具有更少的有源部件)体现本发明各方面的电压调节器通常构造成调节被调节输出电压Vout的大小，必要时，可涉及高温环境中的操作，电阻式温度检测器(RTD)或类似物可与第一和第二电阻器56和58结合，以根据温度变化控制被调节输出电压Vout。预期地，由于改进的稳定性和重复性(可通过体现本发明各方面的电压调节器获得)，可一贯地重复由电压调节器在温度变化下经受的任何电压调节变化，这意味着可使用本领域技术人员熟知的技术恰当地补偿源自温度变化的任何这种电压调节变化。
[0024]图5是体现本发明各方面的电压调节器50’的示意图，其集成在无线遥测系统中。在一个示例应用中，电压调节器50’可布置成驱动示例RF发送器90，如可构造成产生频率调制(FM)信号，其可用RF载波上的信息进行编码(例如，调制)。例如，在该示例应用中，晶体管J5从电压调节器50’接收被调节功率Vout，这有益于对信息相对更精确且稳定的编码，而不管AC收获功率中的变化如何。
[0025]尽管本文中示出且描述了本发明的各实施例，但是应明白，这种实施例仅以示例给出。在不脱离本发明的情况下，可以进行许多变化、改变和替代。相应地，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限制。
【权利要求】
1.一种适于在涡轮发动机的高温环境中操作的电压调节器电路，所述电压调节器电路包括: 恒流电源，至少包括第一半导体开关以及连接在所述第一半导体开关的栅极端子和源极端子之间的第一电阻器； 第二电阻器，具有连接到所述第一半导体开关的栅极端子的第一引线和连接到电接地的第二引线，其中，所述恒流电源联接成在所述第二电阻器的两端产生参考电压；以及 源极跟随器输出级，包括第二半导体开关以及连接在所述电接地和所述第二半导体开关的源极端子之间的第三电阻器，其中，所述第二电阻器的第一引线连接成对所述第二半导体开关的栅极端子施加所产生的参考电压。
2.如权利要求1所述的电压调节器电路，其中，所述第二半导体开关的源极端子提供所述电压调节器的被调节输出电压。
3.如权利要求1所述的电压调节器电路，其中，所述电源还包括输入级，所述输入级包括具有漏极端子的第三半导体开关，所述漏极端子连接成接收由所述电压调节器调节的输入电压。
4.如权利要求3所述的电压调节器电路，还包括分压网络，所述分压网络具有连接到所述第三半导体开关的栅极端子的分压结。
5.如权利要求4所述的电压调节器电路，其中，所述分压网络包括连接在所述分压结和所述第三半导体开关的漏极之间的第一电阻器以及连接在所述分压结和所述第二半导体开关的源极之间的第二电阻器。
6.如权利要求3所述的电压调节器电路，其中，所述电源的输入级还包括在串联电路中连接在所述第一半导体开关和所述第三半导体开关之间的第四半导体开关。
7.如权利要求6所述的电压调节器电路，其中，所述第四半导体开关具有连接到所述第三半导体开关的源级端子的漏极端子、连接到所述第一半导体开关的漏极端子的源极端子和连接到所述第一半导体开关的源极端子的栅极端子。
8.如权利要求6所述的电压调节器电路，其中，各半导体开关包括η通道结栅场效应晶体管(JFET)开关。
9.如权利要求6所述的电压调节器电路，其中，各半导体开关包括相应的高温宽带隙材料。
10.如权利要求9所述的电压调节器电路，其中，所述高温宽带隙材料从由SiC、ΑΙΝ、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AIGaAs、AIGaP、AllnGaP 和 GaAsAIN 构成的组中选择。
11.如权利要求2所述的电压调节器电路，其中，所述第一电阻器和所述第二电阻器的相应电阻值的比率选择成调节所述电压调节器的被调节输出电压的大小。
12.一种包括如权利要求1所述的电压调节器电路的遥测系统。
13.一种电压调节器电路，包括: 恒流电源，至少包括第一半导体开关以及连接在所述第一半导体开关的栅极端子和源极端子之间的第一电阻器，所述恒流电源还包括级联输入级，所述级联输入级连接成接收由所述电压调节器调节的输入电压； 第二电阻器，具有连接到所述第一半导体开关的栅极端子的第一引线和连接到电接地的第二引线，其中，所述恒流电源联接成在所述第二电阻器的两端产生参考电压；以及 源极跟随器输出级，包括第二半导体开关以及连接在所述电接地和所述第二半导体开关的源极端子之间的第三电阻器，其中，所述第二电阻器的第一引线连接成对所述第二半导体开关的栅极端子施加所产生的参考电压。
14.如权利要求13所述的电压调节器电路，其中，所述第二半导体开关的源极端子提供所述电压调节器的被调节输出电压。
15.如权利要求13所述的电压调节器电路，其中，所述级联输入级包括第三半导体开关和第四半导体开关，所述第三半导体开关具有漏极端子，所述漏极端子连接成接收由所述电压调节器调节的输入电压，所述第四半导体开关在串联电路中连接在所述第一半导体开关和所述第三半导体开关之间。
16.如权利要求15所述的电压调节器电路，还包括分压网络，所述分压网络具有连接到所述第三半导体开关的栅极端子的分压结。
17.如权利要求16所述的电压调节器电路，其中，所述分压网络包括连接在所述分压结和所述第三半导体开关的漏极之间的第一电阻器以及连接在所述分压结和所述第二半导体开关的源极之间的第二电阻器。
18.如权利要求15所述的电压调节器电路，其中，所述半导体开关包括η通道结栅场效应晶体管(JFET)开关。
19.如权利要求15所述的电压调节器电路，其中，相应的第一、第二和第三半导体开关包括相应的高温宽带隙材料。
20.如权利要求19所述的电压调节器电路，其中，其中，所述高温宽带隙材料从由SiC、AIN、GaN、AlGaN, GaAs, GaP, InP, AIGaAs, AIGaP, AllnGaP 和 GaAsAIN 构成的组中选择。
21.如权利要求15所述的电压调节器电路，其中，所述第四半导体开关具有连接到所述第三半导体开关的源极端子的漏极端子、连接到所述第一半导体开关的漏极端子的源极端子和连接到所述第一半导体开关的源极端子的栅极端子。
22.如权利要求13所述的电压调节器电路，适于在涡轮发动机的高温环境中操作，并可操作性地联接至固定到所述涡轮发动机的可旋转部件的遥测系统。
【文档编号】G05F3/24GK104412084SQ201380036072
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年6月12日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】D.J.米切尔, J.R.弗雷利, J.杨, C.席利格, B.韦斯顿, R.M.舒普巴赫 申请人:西门子能量股份有限公司, 阿肯色电力电子技术国际股份有限公司