一種大功率高頻聲吶發(fā)射機(jī)的電路設(shè)計(jì)

魏平芬， 賴多明， 張朝明

(1. 海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局， 廣東 廣州 510260；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所 昆明分部， 云南 昆明 650106)

0 引 言

聲吶發(fā)射機(jī)是主動(dòng)聲吶設(shè)備系統(tǒng)的重要組成部分，其工作的穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能[1]?，F(xiàn)代的水聲視覺系統(tǒng)正朝著高分辨率、大作用距離的方向發(fā)展，其主要目標(biāo)是提高聲吶的分辨率，這種發(fā)展趨勢(shì)必引起聲吶設(shè)備各功能單元發(fā)生改革，對(duì)聲吶發(fā)射機(jī)各種參數(shù)的要求也有所提高。因此，大功率、高頻率成了聲吶發(fā)射機(jī)的重要特點(diǎn)。近年來，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件不斷迭代更新，低功耗處理器的性能日益提升，以數(shù)據(jù)采集和算法計(jì)算為主的聲吶接收機(jī)已實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能的設(shè)計(jì)。因此，在聲吶設(shè)備系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)已成為耗能最大的單元，對(duì)發(fā)射機(jī)高效率、低損耗的要求越來越高[2]。然而，當(dāng)前常用發(fā)射機(jī)的工作帶寬和功耗已不能滿足現(xiàn)行系統(tǒng)設(shè)備的需要，設(shè)計(jì)出大功率、高頻率、高效率的聲吶發(fā)射機(jī)已成為水聲科研工作者必須解決的問題。

1 電路系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)

聲吶發(fā)射機(jī)電路系統(tǒng)的原理框圖見圖1，采用雙路信號(hào)發(fā)生器或數(shù)字電路對(duì)單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊IR21844進(jìn)行信號(hào)輸入和控制，信號(hào)經(jīng)過集成驅(qū)動(dòng)芯片IR21844之后產(chǎn)生2路邏輯相反的信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的MOS(Metal Oxide Semiconductor)功率開關(guān)管，最后通過輸出變壓器和電感組成的匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)水聲換能器激發(fā)出聲波信號(hào)，完成電聲轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

發(fā)射電路系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：

1) 采用高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)芯片IR21844，對(duì)功率器件的控制要求進(jìn)行簡(jiǎn)化，驅(qū)動(dòng)電路的可靠性得到提升；

2) 驅(qū)動(dòng)芯片IR21844具有死區(qū)時(shí)間可調(diào)性，防止工作頻率較高時(shí)橋式電路同一橋路上下功率管同時(shí)導(dǎo)通，從而降低燒損功放管的概率；

3) 驅(qū)動(dòng)功率放大器采用大功率的MOSFET管，能提高發(fā)射功率，使其達(dá)到1 500 W以上；

4) 通過串聯(lián)諧振消除換能器兩端電壓與電流的相位角，能提高電路系統(tǒng)電能的利用率；

5) 發(fā)射電路在發(fā)射極限范圍內(nèi)具有通用性，通過改變匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)就可變換發(fā)射信號(hào)的發(fā)射功率和工作頻率。

2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)要求具有大功率、高頻率和高效率特性，因此在計(jì)算電路參數(shù)和選擇元器件方面要求較嚴(yán)格，下面給出主要電路的參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)。

2.1 功放驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于大功率高頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，在選擇開關(guān)MOSFET時(shí)，需考慮相關(guān)參數(shù)，如最大柵源電壓(VGS)、最大漏源電壓(VDS)、最大漏極電流(ID)、內(nèi)阻、輸入電容和柵極電荷等，這些參數(shù)基本上決定了發(fā)射電路能否達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

該電路設(shè)計(jì)的聲吶發(fā)射機(jī)最大輸出功率P0=1 500 W，考慮功率管損耗和變壓器傳輸效率等，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要按輸出功率1 800 W計(jì)算。若供電電源電壓VCC=+48 V，功率管上管壓降VDS≈2 V，則流過功放管的最大電流Imax為

(1)

由于發(fā)射電路系統(tǒng)的工作頻率較高，需要MOS管開關(guān)具有較快的轉(zhuǎn)換速度。為提高開關(guān)速度，減少開關(guān)損耗，選管時(shí)盡可能選擇內(nèi)阻小、柵極電荷少的功放管，而快速大功率MOSFET管IRF540N能較好地滿足這一需求，設(shè)計(jì)電路時(shí)選用IRF540N作為功放管，其主要參數(shù)如下：

1) 最大漏源電壓VDS=100 V；

2) 最大漏極電流ID=33 A；

3) 正向通態(tài)內(nèi)阻RDS=44 mΩ；

4) 輸入電容為1 960 pF；

5) 柵極電荷Qg=71 nC；

6) 耗散功率PD=130 W。

為降低功率MOSFET工作在高速開關(guān)狀態(tài)時(shí)的開關(guān)損耗，提高發(fā)射機(jī)能量的利用效率，需對(duì)功率MOSFET進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于信號(hào)發(fā)生器或數(shù)字電路產(chǎn)生的信號(hào)電流較小，驅(qū)動(dòng)能力較弱，須經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊IR21844驅(qū)動(dòng)之后才能控制MOSFET開關(guān)功放管，驅(qū)動(dòng)芯片IR21844的主要參數(shù)如下。

1) 高端工作電壓：600 V。

2) 輸出電流：1.8 A。

3) 芯片供電電壓：10～20 V。

4) 容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力：大于1 000 pF。

5) 開通延遲時(shí)間：680 ns。

6) 關(guān)閉延遲時(shí)間：270 ns。

7) 輸出最大電壓：芯片供電電壓。

8) 15 V時(shí)的靜態(tài)功耗：1.6 W。

芯片IR21844設(shè)有懸浮截獲電源，可自舉運(yùn)行，同時(shí)采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，提高電路的抗干擾能力，增強(qiáng)電路工作性能的可靠性。

功放驅(qū)動(dòng)電路見圖2，電路的工作原理是：先由信號(hào)發(fā)生器或數(shù)字電路產(chǎn)生2路信號(hào)，一路為用于控制IR21844工作的脈沖信號(hào)，另一路為發(fā)射的連續(xù)方波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過IR21844之后輸出HO和LO 2路邏輯相反的信號(hào)。圖2中，通過調(diào)節(jié)電阻R5的阻值就可改變死區(qū)時(shí)間Td，即調(diào)節(jié)開關(guān)管的開通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)射電路的輸出功率。

圖2 功放驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)射信號(hào)和控制信號(hào)控制IR21844的時(shí)序見圖3，其中：發(fā)射信號(hào)IN為占空比為50%的連續(xù)方波；控制信號(hào)SD為脈沖波。SD為高電平時(shí)，HO和LO有效輸出；SD為低電平時(shí)，HO和LO輸出被封鎖[3]。

圖3 IR21844信號(hào)時(shí)序圖

在圖2所示的電路圖中，R2、R6、C3、C9、V4和V7為橋開關(guān)吸收電路元件，其工作原理是：當(dāng)HO為高電平、LO為低電平時(shí)，G1導(dǎo)通，G2關(guān)閉，+48 V電壓的電流從G1流過，從而在輸出電壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)正半周期的脈沖電壓；當(dāng)HO為低電平、LO為高電平時(shí)，G2導(dǎo)通，G1關(guān)閉，+48 V電壓的電流從G2流過，從而在輸出電壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)負(fù)半周期的脈沖電壓；正負(fù)周期的脈沖電壓合在一起形成一個(gè)完整工作頻率周期的功率放大波形。信號(hào)波形經(jīng)由變壓器激發(fā)水聲換能器，完成信號(hào)發(fā)射[4]。

2.2 變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器的工作頻率取決于發(fā)射機(jī)的工作頻率，電路設(shè)計(jì)的聲吶發(fā)射機(jī)的工作頻率為幾百千赫。變壓器導(dǎo)磁材料的選擇與工作頻率有關(guān)，要求電路的工作頻率與導(dǎo)磁材料的工作頻率相符合。錳鋅鐵氧體高頻磁罐的使用頻率從幾千赫至幾百千赫，適合工作在該頻段上，同時(shí)具有工藝好、電阻率高的特點(diǎn)，可在窄脈沖情況下得到較高的有效磁導(dǎo)率[5]。因此，在該發(fā)射機(jī)變壓器的設(shè)計(jì)中采用的是錳鋅鐵氧體高頻磁罐。在設(shè)計(jì)變壓器之前，先確定發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)：

1) 工作頻率為幾百千赫；

2) 電源電壓為48 V；

3) 最大輸出功率P為1 500 W；

4) 等效輸出負(fù)載RL為120 Ω；

5) 開關(guān)管壓降為2 V。

具體設(shè)計(jì)過程如下：

1) 計(jì)算變壓器初級(jí)繞組電壓幅值UP1，UP1等于工作電壓48 V減去開關(guān)管的管壓降；

3) 計(jì)算變壓器次級(jí)繞組電流峰值IP2，其可由公式Ip2=Up2/RL求得；

4) 計(jì)算變壓器次級(jí)繞組的平均有效電流值，可由I2=Ip2·exp(Ton/T)求出，其中，Ton為導(dǎo)通時(shí)間，T為周期；

5) 計(jì)算初級(jí)繞組電流有效值，可由公式Ip1=Ip2·(Up2/Up1)求得；

6) 計(jì)算初級(jí)繞組平均有效電流，可由公式I1=Ip1·(Ton/T)求得。

電路設(shè)計(jì)選用了GU48×30A型磁芯磁罐，可根據(jù)磁芯的尺寸計(jì)算得到磁芯的有效截面積、有效體積和變壓器的表面積。由公式N1=(104·Up1)/(Bm)·f·Ae計(jì)算得到初級(jí)繞組匝數(shù)，由公式N2=(N1·Up2)/Up1計(jì)算得到次級(jí)繞組匝數(shù)，其中，Bm為磁通密度變化量，f為變壓器工作頻率，Ae為磁芯截面積[6]。

2.3 調(diào)諧匹配電路設(shè)計(jì)

調(diào)諧匹配的主要目的是使水聲換能器兩端的電壓與電流同相，最終使電聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高。匹配設(shè)計(jì)主要采用串聯(lián)諧振法，采用該方法可提高換能器兩端的電壓，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電換能器的激勵(lì)。壓電換能器存在靜態(tài)電容C0，雖然C0的量級(jí)是nF級(jí)，但它的存在會(huì)在換能器諧振時(shí)，使換能器上的電壓VRL與電流IRL存在相位角θ，由輸出功率公式P0=VRLIRLcosθ可知，由于θ的存在，輸出功率達(dá)不到最大值，為消除θ，使VRL與電流IRL同相，最有效而簡(jiǎn)單的方法是在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電感L[7]。

由于換能器的靜態(tài)電容C0是在小信號(hào)狀態(tài)下測(cè)試獲得的，在高電壓下會(huì)有一定的變化，因此電感值需要在試驗(yàn)調(diào)試中確定。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，對(duì)300 kHz的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行匹配，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的可行性。圖4為發(fā)射機(jī)輸出的發(fā)射信號(hào)和控制信號(hào)，由信號(hào)發(fā)生器WF1974產(chǎn)生，其中：上端信號(hào)為控制信號(hào)，采用脈沖式信號(hào)，高電平時(shí)使能IR21844工作，低電平時(shí)關(guān)閉IR21844工作狀態(tài)；下端信號(hào)為300 kHz的連續(xù)發(fā)射信號(hào)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄采用泰克DPO3014數(shù)字示波器采集和存儲(chǔ)。在2個(gè)MOSFET管IRF540 N柵極同時(shí)測(cè)得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)見圖5，其驅(qū)動(dòng)電壓幅值與IR21844的供電電壓一樣，為15 V。

圖4 發(fā)射機(jī)輸出的發(fā)射信號(hào)和控制信號(hào)

在測(cè)量發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)壓電換能器的電壓時(shí)，需將發(fā)射機(jī)的輸出端連接到與換能器阻值一樣的由功率電阻組成的假負(fù)載上，假負(fù)載由一只100 Ω的功率電阻和一只20 Ω的功率電阻串聯(lián)構(gòu)成。用示波器測(cè)量20 Ω電阻上的電壓波形，展開后的信號(hào)見圖6。

圖6 展開后的信號(hào)

測(cè)量結(jié)果顯示，20 Ω電阻上的電壓半峰值Ub1=103 V，換算120 Ω電阻上的半峰值電壓值Ub=618 V，由功率換算公式P=U2/R和U2=Ub2/2可計(jì)算出聲吶發(fā)射機(jī)的輸出功率P=1 591 W。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)大功率高頻聲吶的發(fā)射要求，采用功率器件集成芯片IR21844作為驅(qū)動(dòng)電路，選用功率MOS管驅(qū)動(dòng)變壓器，設(shè)計(jì)了調(diào)諧匹配電路，實(shí)現(xiàn)了水聲信號(hào)大功率發(fā)射。大功率高頻聲吶樣機(jī)已通過陸上、湖上和海上試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。