付繼偉，杜亮

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一種全橋式高功率放大器

付繼偉，杜亮

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第710研究所，湖北宜昌443003)

用集成功率放大器驅(qū)動(dòng)大功率三極管構(gòu)成推挽功率放大器，兩路推挽功率放大單元可以組合構(gòu)成全橋式功率放大器，這種放大器大量使用大功率三極管等分立元件，能夠提高電路總的額定功率，并且使元件布局分散有利于實(shí)現(xiàn)散熱設(shè)計(jì)，工程樣機(jī)研制證明該方法適用。水庫(kù)測(cè)試結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)某大型雙諧振壓電陶瓷換能器，功放樣機(jī)輸出連續(xù)信號(hào)時(shí)，在5 kHz左右輸出電功率達(dá)到1600 W以上。單頻信號(hào)工作時(shí)觀察信號(hào)波形，信號(hào)畸變與失真較小。根據(jù)試驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果分析了末級(jí)三極管上的功率耗散情況，驗(yàn)證了工程樣機(jī)在散熱設(shè)計(jì)方面的有效性。

推挽功率放大器；全橋式功率放大器；散熱設(shè)計(jì)

0 引言

遠(yuǎn)程水聲通信或水聲遙控系統(tǒng)通常要求較大的發(fā)射功率。目前常用的功率放大器主要有兩種：開(kāi)關(guān)功放與線性功放。相比較而言，開(kāi)關(guān)功放工作效率高、功率密集、高頻特性好；線性功放發(fā)射電壓可調(diào)、適應(yīng)環(huán)境方便、工作穩(wěn)定可靠。而且容易與前級(jí)調(diào)制電路匹配，不易因脈沖產(chǎn)生諧波干擾，能夠取得比較純凈的功率信號(hào)。因此，在系統(tǒng)效率限制條件允許的情況下，為追求信號(hào)輸出幅度可調(diào)，選擇線性功率放大器能獲得比較好的適用性，而且，若電路采用橋式功放結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加相同的功放電路，同樣能實(shí)現(xiàn)輸出較高的發(fā)射功率。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

基本的半橋式功放電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中所示，前級(jí)數(shù)字電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)線性光電隔離電路后，一路通過(guò)反相放大器得到反相信號(hào)，它與另一路信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)下級(jí)各自對(duì)應(yīng)的推挽功率單元，推挽功率單元1、2分別將兩路相互反相的信號(hào)進(jìn)行功率放大，進(jìn)入變壓器構(gòu)成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成橋式電路結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射聲信號(hào)。

由于電路采用逐級(jí)功率放大的形式，為避免末級(jí)強(qiáng)功率信號(hào)對(duì)前級(jí)小信號(hào)電路造成干擾，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎地處理小信號(hào)電路與后級(jí)強(qiáng)功率電路之間的隔離問(wèn)題：功放電路的輸入級(jí)采用光電隔離電路進(jìn)行信號(hào)傳輸與隔離；前后級(jí)電路采用各自獨(dú)立的直流電源供電；直流電源應(yīng)當(dāng)配置完善的電源濾波電路。

2 電路分析

2.1 單元電路分析

2.1.1 光電隔離電路

為了減小后級(jí)大功率電路對(duì)前級(jí)弱信號(hào)電路的干擾，輸入級(jí)采用安捷倫光耦芯片HCNR201構(gòu)成線性光電隔離電路[1]，如圖2所示。

圖2中前部分采用專供數(shù)字電路的+5 V供電，三級(jí)管構(gòu)成的外圍電路將發(fā)射控制信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)HCNR201內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光；電路的后部分由供模擬電路的+5 V供電，HCNR201內(nèi)部光敏二極管接收到光信號(hào)后使后級(jí)電路產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離與傳輸。

2.1.2 推挽功率單元電路

構(gòu)成其中半邊橋路的推挽功率單元如圖3所示。

構(gòu)成半邊橋路的推挽功率放大器，具體電路結(jié)構(gòu)采用BB公司的集成功率放大器OPA512SM (TI公司)去驅(qū)動(dòng)NPN三極管MJ14002與PNP三極管MJ14003，兩種極性的三極管各為三個(gè)并聯(lián)以增加輸出電流，它們共同構(gòu)成帶有反饋網(wǎng)絡(luò)的推挽放大器，MJ14002、MJ14003是安森美公司生產(chǎn)的高電流大功率三極管，額定耗散功率可達(dá)300 W，三管并聯(lián)共六個(gè)管子總額定耗散功率達(dá)到1800 W。

圖4是半邊橋式功率放大器末級(jí)的簡(jiǎn)化電路，由兩個(gè)推挽放大器單元與變壓器組成，圖中省略均流電阻，QA、QB、QC、QD分別代表經(jīng)過(guò)并聯(lián)的功率管，因此該系統(tǒng)理論上總額定耗散功率可達(dá)到3600 W。

電路設(shè)計(jì)要保證用作驅(qū)動(dòng)功率放大器的OPA512SM在安全線性工作區(qū)內(nèi)的輸出電流，足以驅(qū)動(dòng)末級(jí)推挽電路。當(dāng)電路設(shè)計(jì)為±32 V供電時(shí)，因查得MJ14002、MJ14003手冊(cè)中安全工作曲線，直流安全額定電流約為9A左右[2](單邊電源電流)，而這兩種功率三極管直流電流增益典型值為100。可知極限情下，在每半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)半邊三個(gè)管子導(dǎo)通時(shí)需要的基極電流是：

而由OPA512SM手冊(cè)安全工作區(qū)曲線[3]可知，±32 V供電時(shí)、通常散熱與溫度條件下，其輸出電流達(dá)到0.8 A左右是沒(méi)有問(wèn)題的，有足夠大的設(shè)計(jì)空間。

由于推挽功率單元電路存在負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，使推挽電路工作在閉環(huán)狀態(tài)，從而限定了增益倍數(shù)，而且OPA512SM芯片本身設(shè)計(jì)的通過(guò)外圍電阻進(jìn)行限流保護(hù)的功能，保證了電路穩(wěn)定性：

電路板元器件布局安裝時(shí)，功率管與散熱器固定安裝在電路板上，可采用空心尼龍或有機(jī)玻璃支柱將功率元件與電路板懸空一定的距離，避免功率元件工作時(shí)散發(fā)的熱量引起印制板溫度過(guò)分升高。有資料[4]顯示：常用的印制板材料，如環(huán)氧樹(shù)脂層壓玻璃纖維布板，受熱時(shí)，在厚度方向上的膨脹比平面的膨脹大七倍左右，這就在多面層壓板的過(guò)孔和過(guò)孔部件的焊接連接上施加了相當(dāng)大的熱應(yīng)力。經(jīng)過(guò)加熱和冷卻循環(huán)的多次反復(fù)，最終這些連接會(huì)斷開(kāi)，產(chǎn)生微小間隙。損壞發(fā)生在中間層，這種處于不在頂層與底層的地方[4]呈現(xiàn)的是“幽靈”故障現(xiàn)象：電路板溫升故障出現(xiàn)，當(dāng)關(guān)閉電源想修理查找故障時(shí)，隨著板的冷卻，變形斷裂的觸點(diǎn)自動(dòng)接上，故障又莫名其妙地消失了。因此應(yīng)當(dāng)極力避免功率元件與散熱件的熱量過(guò)多地傳遞到電路板材料上。

2.1.3 變壓器阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)主要由變壓器、電感、二極管等構(gòu)成，其中電感起到調(diào)諧的作用，二極管用于收發(fā)轉(zhuǎn)換保護(hù)。要注意的是變壓器的設(shè)計(jì)，一方面變壓器整體設(shè)計(jì)需要滿足大功率傳輸?shù)囊?，避免磁飽合現(xiàn)象出現(xiàn)；另一方面，變壓器的低頻傳輸響應(yīng)特性要好，由等效電路可知變壓器的低頻截止頻率為

式中：為信號(hào)源電阻；為線圈電阻；為負(fù)載電阻；為激磁電感，初級(jí)線圈的激磁電感要達(dá)到足夠大的要求[5]。設(shè)計(jì)中采用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的高磁導(dǎo)率PM130型大功率鐵氧體磁罐，AL值為10000±20% nH/N2，外徑為130 mm，組裝完畢的變壓器如圖5所示。最大工作溫度是勵(lì)磁導(dǎo)線的唯一限制，勵(lì)磁導(dǎo)線的標(biāo)準(zhǔn)是由溫度標(biāo)定的，其溫度范圍是105~220 °C，見(jiàn)表1。勵(lì)磁導(dǎo)線的絕緣薄膜或絕緣漆敷在銅導(dǎo)線的表面，這個(gè)絕緣層是最容易由于過(guò)熱負(fù)荷而破碎[6]。所以，絕緣薄膜的選擇對(duì)于導(dǎo)線的壽命是非常關(guān)鍵的。當(dāng)勵(lì)磁導(dǎo)線遭受到過(guò)熱負(fù)荷或在額定溫度以上的高溫時(shí)，導(dǎo)線的壽命會(huì)大大降低，因此，對(duì)于過(guò)熱點(diǎn)必須非常小心，以便不降低變壓器的整體工作壽命。

表1 勵(lì)磁導(dǎo)線表面絕緣材料

2.1.4 電源濾波電路

功率放大電路，本質(zhì)上是將直流電源的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)射信號(hào)的能量，要獲得干凈的發(fā)射信號(hào)，電源噪聲應(yīng)當(dāng)?shù)玫揭种?。因此電源濾波需要引起足夠的重視，前述要求輸入級(jí)的小信號(hào)電路與末級(jí)的強(qiáng)功率電路部分應(yīng)當(dāng)分別由獨(dú)立的直流電源供電，同時(shí)采用共模濾波與差模濾波結(jié)合的電路濾波電路。

電路中的共模扼流圈T1，在高磁導(dǎo)率的環(huán)形閉合磁芯上雙線并繞并同向連接，使干擾電流流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)同向相加，扼流圈對(duì)于干擾電流呈現(xiàn)出較大的感性，因此達(dá)到阻隔的效果，而且環(huán)形磁芯有存儲(chǔ)磁能的功能，有利于抑制LC濾波器接入穩(wěn)壓電源輸出端引起的接通瞬間響應(yīng)的起伏效應(yīng)。電源濾波器的接地應(yīng)當(dāng)注意，圖6中扼流圈T1左側(cè)的接地線應(yīng)當(dāng)與電源地線聯(lián)接，T1左側(cè)的接地線應(yīng)當(dāng)與交流信號(hào)參考地線聯(lián)接。電源濾波的實(shí)際使用效果應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 測(cè)試情況與結(jié)果分析

3.1 水庫(kù)測(cè)試情況

將焊裝調(diào)試完畢的半橋功率放大器，用安捷倫33120函數(shù)發(fā)生器作為信號(hào)源，采用大規(guī)模動(dòng)力電源(10000 W直流電源)供電，驅(qū)動(dòng)某大型雙諧振壓電換能器發(fā)射聲信號(hào)。測(cè)量所用的水聽(tīng)器是B&K公司8104型標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器，測(cè)量放大器是B&K2636，濾波器B&K1617，信號(hào)源采用的是安捷倫33120A函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。2013年4月湖北隔河巖水庫(kù)(平均水深90 m，開(kāi)闊水域半徑約2.5 km)測(cè)試發(fā)射聲源級(jí)(此處特指聲壓級(jí))，使用單頻正弦信號(hào)，每個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)發(fā)射持續(xù)時(shí)間2 s，得測(cè)試結(jié)果曲線如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，在5 kHz頻點(diǎn)左右處的聲壓級(jí)達(dá)到202 dB左右，由于換能器自身體積較大，考慮其指向性，取指向性系數(shù)為6，求得發(fā)射聲功率。

聲壓級(jí)與聲功率之間的轉(zhuǎn)化公式為

由于換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率在該頻段約為20%，可知功率放大器發(fā)射連續(xù)信號(hào)的輸出電功率約為1655 W。而電源輸出顯示為±32 V、40 A，可知該半橋功率放大器的效率約為65%。電路效率不算高，但對(duì)輸入到換能器的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視，可發(fā)現(xiàn)波形失真與畸變較小、信號(hào)純凈且諧波較少。見(jiàn)圖8。

3.2 關(guān)于散熱設(shè)計(jì)的分析與驗(yàn)證

壓電陶瓷換能器的系統(tǒng)阻抗并非呈純阻，對(duì)于電容性負(fù)載，電壓與電流的關(guān)系是電流超前于負(fù)載電壓，當(dāng)電流是峰值時(shí)，負(fù)載電壓是零，這就意味著功放必定在導(dǎo)通功率三極管兩端的電壓是滿幅，對(duì)于峰值電流的負(fù)半周為，其中，為電源電壓，為功放管的飽和壓降，提供峰值電流。這樣功放的輸出功率為0 W，而來(lái)自電源的能量全部加載在功率三極管上，此時(shí)管子上的損耗達(dá)到最大值。與電阻性負(fù)載相比，電抗性負(fù)載的損耗很大[7]。因此，直接測(cè)量功率管的實(shí)際耗散功率是十分困難的，而且負(fù)載特性不同時(shí)，功率管的具體工作特性也是不同的。

基于這點(diǎn)，在水庫(kù)試驗(yàn)中采取的發(fā)射信號(hào)為單頻正弦信號(hào)，發(fā)射持續(xù)時(shí)間為2 s，嘗試根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果逆向?qū)﹄娐犯鞑糠制骄β史峙溥M(jìn)行估算，驗(yàn)證散熱件的選取與設(shè)計(jì)能否滿足要求。

已知在這種設(shè)定的極限試驗(yàn)條件下，功率晶體管耗散功率與變壓器上的功率損失之和為

變壓器的功率轉(zhuǎn)化效率估計(jì)值為90%，則變壓器上的功率損耗(磁心損耗與繞組銅損之和)為

功率晶體管上的耗散功率為

均攤在每個(gè)功率管上的平均耗散功率為

查閱功率三極管MJ14002與MJ14003手冊(cè)，T0-3封裝的熱阻典型值為0.584 °C/W，假定環(huán)境溫度為30 °C，功率管上限工作溫度是125 °C，而結(jié)點(diǎn)和散熱器接觸面之間的溫差是熱阻與熱流的乘積：

散熱器接觸面上的溫度限制為

125°C-35.2°C=89.8°C

則要求散熱器的熱阻為

滿足這樣條件的高效率散熱器在市場(chǎng)上是有供應(yīng)的。鑒于試驗(yàn)樣機(jī)由于對(duì)體積尺寸有條件限制，采用的是熱阻標(biāo)稱值為0.75 °C/W的純銅擠制散熱器，購(gòu)置回來(lái)后自行將表面用石墨涂黑。安裝時(shí)功率管與散熱器的接觸面要涂導(dǎo)熱硅脂。

由于功率管自身的耗散功率較大，大功率連續(xù)工作時(shí)自身結(jié)溫上升很快，機(jī)箱內(nèi)單純依靠散熱器與空氣自然流動(dòng)進(jìn)行散熱很難達(dá)到理想效果，為避免機(jī)箱溫升長(zhǎng)時(shí)間保持較高值，應(yīng)當(dāng)在內(nèi)部采用高效散熱風(fēng)扇、機(jī)箱側(cè)壁設(shè)通風(fēng)窗提高散熱冷卻效率。

4 結(jié)論

先通過(guò)線性集成功率放大器驅(qū)動(dòng)大功率三極管構(gòu)成推挽功率放大器，再將這種推挽功放相同的兩路按照橋式電路的形式聯(lián)接成新的功率放大器，用其驅(qū)動(dòng)壓電換能器發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)的實(shí)際功率輸出可觀，能達(dá)到330 W以上，該放大輸出的信號(hào)純凈、諧波少，且電路穩(wěn)定可靠，調(diào)試維修簡(jiǎn)便，也容易實(shí)現(xiàn)分體模塊化設(shè)計(jì)。

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[5] 遠(yuǎn)坂俊昭. 測(cè)量電子電路設(shè)計(jì)——濾波器篇[M]. 彭軍譯. 1版. 北京: 科學(xué)出版社, 155.

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LIU Haijun, GAO Tianfu, ZENG Juan, The optimal load concerning the power amplifer and the transducer[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(4): 145-148.

A kind of high power full bridge amplifier circuit

FU Ji-wei, DU Liang

(Yichang Research institute of Testing Technique,Yichang 443003,Hubei, China)

The push-pull power amplifier is formed by integrated power amplifier and high-power transistor. Two push-pull power amplifier circuits can be used to design half bridge amplifier. This kind of amplifiers use lots of power transistors, and this is useful to improve mean power. Layout of the components is also critical to thermal design. Results indicate that the method is available in engineering applications. Test results in reservoir demonstrate that: to drive piezoelectric transducer,the output power of the amplifier reaches 1600W at 5kHz. Waveform at a single frequency is slightly distorted. By analyzing the dissipation power of the transistor base on the test result,it is demonstrated thatthe thermal design is effective.

push-pull power amplifier, half bridge amplifier, thermal design

TB533

A

1000-3630(2015)-05-0472-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.017

2014-09-04;

2014-12-08

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA09Z204)

付繼偉(1979－), 男, 山東龍口人, 高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)樗曉O(shè)備研制。

付繼偉, E-mail: bug813@sina.com