楊許文

（昆明船舶設備研究試驗中心，昆明，650051）

水聲發(fā)射換能器是一種將電信號轉(zhuǎn)換成水聲信號的裝置，在頻帶范圍內(nèi)，水聲換能器的阻抗變化非常大，一般從幾十Ω到幾千Ω甚至更大。當使用水聲發(fā)射機驅(qū)動水聲換能器進行聲功率信號發(fā)射時，為了使發(fā)射系統(tǒng)的電功率到聲功率轉(zhuǎn)換效率高，不僅需要發(fā)射機性能良好，同時需要換能器和發(fā)射機之間阻抗匹配良好，從而獲得大的輸出功率和高的能量轉(zhuǎn)換效率，因此發(fā)射機中輸出變壓器是必不可少的，輸出變壓器可將換能器的阻抗變換至合適的值，實現(xiàn)與水聲發(fā)射機的輸出級變阻匹配。

與普通變壓器相比，寬頻帶的輸出變壓器有著自身一些特點：如匝比較大，高阻抗應用時匝數(shù)多，初、次級錯開繞制，分段繞制等。這些特點決定了其漏感較大，寄生電容、寄生電阻等寄生參數(shù)難以忽略。本文針對寬頻帶輸出對變壓器的要求，設計并實現(xiàn)了一種應用于通用水聲發(fā)射機的寬頻帶輸出變壓器，經(jīng)試驗測試驗證，表明該方案實際可行。

1 寬頻帶輸出變壓器

寬頻帶發(fā)射機的輸出匹配一般分為調(diào)諧匹配和變阻匹配[1-2]，本文主要介紹變阻匹配的一種現(xiàn)實方法。寬頻帶輸出變壓器匹配法中變壓器的作用是將高阻值的負載轉(zhuǎn)換成低阻值，接入系統(tǒng)的輸出端。變壓器的變比為N，負載阻抗為RL，變換到電路端的等效阻抗R′滿足：

寬頻帶輸出變壓器設計要求不少于8個步階的變化，實現(xiàn)幾百Ω至幾千Ω范圍內(nèi)負載變阻匹配，因此變壓器采用多個抽頭的形式擴展系統(tǒng)負載變換范圍，變壓器的次級引出多個抽頭，根據(jù)不同的負載阻抗由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制連接到不同的抽頭，實現(xiàn)輸出變阻匹配。

2 寬頻帶輸出變壓器模型

2.1 寬頻帶輸出變壓器特點

由法拉第定律可導出變壓器的匝數(shù)關(guān)系式為[3]：

式中，N為一次繞組匝數(shù)；V為變壓器初級供電電壓，V；AC為磁芯窗口面積，cm2；BAC為交流磁通密度，T；f為最低工作頻率，Hz；K為波形系數(shù)，方波時取4.0，正弦波時取4.44。從式（2）可知，變壓器的匝數(shù)與頻率成正比，頻率較高時，變壓器匝數(shù)較少，可采取銅箔作為繞制導線；而低頻時，匝數(shù)較多，一般需要采取多繞組層繞制的方式。

在同一個變壓器中實現(xiàn)寬頻帶匹配的應用，需兼顧低頻和高頻的要求，對其設計和繞制工藝等提出很高要求。本文在不同的頻帶上采取不同的模型：高頻時采用并聯(lián)模式，低頻時采用串聯(lián)模式，從而在同一個變壓器中兼顧了高頻及低頻對變壓器不同要求。

2.2 變壓器并聯(lián)模型

高頻時，變壓器匝數(shù)不多，繞制簡單，以銅箔作為繞制導線可降低趨膚效應導致的損耗。低頻時匝數(shù)多，銅箔導線繞制變得復雜且難于繞制，因此采用銅排圓導線并行繞制方式代替銅箔，這是一種很好的近似。導線直徑為r的圓形導線可等效為邊長為d的正方形導體[4]：

圖1為六根導線并排在環(huán)形磁芯上繞制示意圖，多根導線相互絕緣，每個導線可看成一個變壓器抽頭，最終導線終端連接在一起。這種情況下，可以等效成多個變壓器并聯(lián)，只是這些變壓器共用一個磁芯。并聯(lián)變壓器的模型如圖2所示。并聯(lián)變壓器需滿足：

在頻率較高時，初、次級均可使用并聯(lián)模型，將多根導線并聯(lián)使用；而低頻時，一般要求輸出電壓較高，初級線圈電壓低，承載電流較大，初級采用多線并聯(lián)使用可降低銅損。為了保證多個變壓器抽頭并聯(lián)時端口網(wǎng)絡參數(shù)的一致性，設計采取多線并行繞制的方式。

圖1 多線并行繞制示意圖

圖2 多繞組變壓器初級并聯(lián)模型

2.3 變壓器串聯(lián)模型

在低頻時，次級繞組分成多個線包，各個線包之間串聯(lián)連接，以提高匝比，即為變壓器串聯(lián)模型。串聯(lián)變壓器模型如圖3所示。

圖3 多繞組變壓器次級串聯(lián)模型

串聯(lián)關(guān)系式為：

由于串聯(lián)變壓器各個線包之間是串聯(lián)連接，從高電壓到低電壓漏感宜從小到大，以減少電感中儲存的能量。而不論初次級繞組分布方式如何，繞組的漏感Ls與線圈匝數(shù)N的平方成正比，與線圈高度D成反比[5]，即：

因此，電流流經(jīng)的高壓線圈所分得的線圈匝數(shù)應依次比低壓線包所分得的線圈匝數(shù)少。從式（6）、（7）可看出，漏感受線圈匝數(shù)的影響比受線圈高度的影響要大，因此，各個線圈的高度可以相同。高壓線圈匝數(shù)少，在線圈高度相同的情況下，線圈層數(shù)就少；相反，低壓線圈匝數(shù)多，線圈層數(shù)就多。層數(shù)和線圈高度的取值與串聯(lián)的線圈數(shù)設計和該設定頻率下的趨膚深度及臨近效應有直接的關(guān)系。

3 繞層設計和線圈繞制優(yōu)化

在寬帶變壓器中，高頻效應嚴重影響變壓器性能，必須對寬帶變壓器的繞層進行設計和線圈繞制進行優(yōu)化，確保變壓器良好的性能。高頻效應主要考慮為趨膚效應和臨近效應[4,6]。為了減少鄰近效應所增加的損耗，尤其是在采用銅排圓繞制的繞組線圈中，在繞組總匝數(shù)確定的情況下，通過改變繞組繞制方式，使繞組有效層數(shù)盡量減小。最常用的辦法就是將每一個繞組分成兩個和多個部分，與其他的繞組交錯繞接，最后連接在一起。由于篇幅的限制，本文主要介紹次級的繞制方式，寬頻帶輸出變壓器次級采用中間多個抽頭繞層的方式，多個抽頭繞層示意圖如圖4所示。

圖4 多個抽頭繞層示意圖

不同的抽頭對應不同匝比，次級匝數(shù)被平均分成了2n（n為整數(shù)）子繞組，在每個子繞組的倍匝數(shù)處再引出一個抽頭（即每個子組3個引出端），整個次級共有 3×2n引出端，由控制模塊控制各個子繞組引出端間進行串聯(lián)、并聯(lián)接，實現(xiàn)次級繞組匝比按倍（3 dB）比例變化，表1給出了變壓器輸出次級匝比控制邏輯情況說明及對應匝比關(guān)系，圖5為8個子繞組的邏輯控制模塊連接關(guān)系圖。

表1 變壓器輸出次級匝比控制真值表（8個子繞組情況）

圖5 變壓器次級輸出控制原理及連接示意圖

同時，在繞制工藝上采用初、次級線圈交錯繞制方式，可以減少繞組的有效層數(shù)，降低繞組磁動勢峰值，從而使每層的等效交流電阻降低，有效減小線圈的銅線損耗[3,7]。

在繞制時，繞制導線選擇以次級芯線線徑為參考，初級采用多線并行繞，在引出端并聯(lián)滿足功率容量對初級線徑的需求，這樣可使初級繞層與次級繞層的厚度相當，易于實現(xiàn)繞制均勻；次級繞制，采用n線并行繞制的方式，其中n為子繞組數(shù)；同時，在繞組層與層之間繞制均勻絕緣層，保證層與層間的絕緣；繞制時，采取了初、次級相間繞制的方式，即繞制一層初級再繞制一層次級再繞制初級，直至完成。如圖6所示。

圖6 多繞層變壓器初、次級線圈繞制示意圖

4 設計實例

某型寬頻帶水聲發(fā)射機，其電路主體結(jié)構(gòu)屬于AB類線性放大器，設計最低工作頻率200 Hz，最高工作頻率40 kHz，最大輸出電壓1 000 Vrms，輸出電流1 A。電路結(jié)構(gòu)為推挽結(jié)構(gòu)，變壓器輸入端為正弦波，電壓幅值72 Vp-p，選用的磁芯主要參數(shù)為（BS=1.5 T，AC=3.75 cm2，μi＞10 000，PFe=80 W/kg（100 kHz, 0.2 T）），變壓器的初級繞組匝數(shù)可由式（2）算出。

根據(jù)式（2），求得初級匝數(shù)為144.14匝，取145匝。根據(jù)輸出電壓的要求，計算可得次級匝數(shù)為2 847.6匝，考慮設計及冗余后次級匝數(shù)，取2 848匝。按上節(jié)中論述的設計方法，變壓器次級設計為8個子繞組，每個子繞組的匝數(shù)為ni=2 848÷8=356，子繞組中間抽頭匝數(shù)為ni=356÷≈251.73（取252匝）。

為了降低損耗，需考慮趨膚深度，40 kHz頻率下的趨膚深度為0.331 mm，因此，導線的直徑d≤2δ=0.662 mm，考慮到導線的規(guī)格尺寸，可取d=0.64 mm。繞制時，初級采用銅排圓導線等效代替銅箔，次級子繞組匝數(shù)及抽頭引出按圖7示意進行，并且繞制時，采用次初級相間繞制的方式，繞制完成的變壓器實物圖如圖8所示。

5 測試結(jié)果分析

在不同匝比下對變壓器實際傳輸效率進行測試（主要測試最低匝比n=1：N和最高匝比n=1：27/2N）。測試方法：在變壓器初級施加足夠的功率輸入，使變壓器輸出端傳送到特定負載上的功率是1 W，測出輸入端的功率，并據(jù)此來計算效率η，測試結(jié)果如圖9所示。

圖7 單個子繞組匝數(shù)及抽頭示意圖

圖8 變壓器實物照片

圖9 不同匝比下變壓器傳輸效率測試結(jié)果（P=1 W，RL=1 kΩ）

從測試結(jié)果可知，隨著頻率增加變壓器的傳輸效率下降，且高匝比的下降趨勢比低匝比大，分析認為，這與在高匝比時線圈匝數(shù)增加導致的銅損增加有關(guān)，同時隨著頻率升高，繞組線圈間臨近效應增加引入的損耗導致了效率隨著頻率上升而下降。

將制作好的變壓器安裝到發(fā)射機，進行實際使用的測試，結(jié)果如表2所示。測試負載為實驗室里使用的典型換能器，表征各種換能器主要特性參數(shù)列在表中，測試結(jié)果表明通過變壓器的阻抗變換匹配發(fā)射機能驅(qū)動阻性、容性和某些特定感性的負載，工作情況良好。表中給出了發(fā)射機輸出效率測試結(jié)果，輸出效率測量值是發(fā)射機供電輸入端功率與發(fā)射機輸出到負載的功率之比。由于發(fā)射機主體是AB類線性放大器類型，該類型功率放大器理論上最大效率為 78.5%，考慮到電源轉(zhuǎn)換效率及發(fā)射機本身的損耗后，實際工作效率最多為50%左右，因此從測試結(jié)果可看出，變壓器的匹配效果較理想。

表2 不同換能器負載下發(fā)射機的匹配輸出情況

6 結(jié)論

本文從變壓器匹配的原理分析出發(fā)，結(jié)合了變壓器低頻、高頻繞制的要求和特點，提出了寬頻帶匹配變壓器的高阻抗時的串并聯(lián)模型和低阻抗時的并聯(lián)模型，并對在同一個變壓器上實現(xiàn)串聯(lián)模型和并聯(lián)模型的繞層設計和繞制方法進行了研究，文中給出了設計實例，結(jié)合發(fā)射機對設計實例的實際使用匹配情況進行詳細的測試，測試結(jié)果表明，寬頻帶匹配變壓器的匹配效果良好，滿足實際使用的需求。