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)射機是主動聲吶設(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系統(tǒng)的工作性能[1]。現(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)展趨勢必引起聲吶設(shè)備各功能單元發(fā)生改革，對聲吶發(fā)射機各種參數(shù)的要求也有所提高。因此，大功率、高頻率成了聲吶發(fā)射機的重要特點。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)采集和算法計算為主的聲吶接收機已實現(xiàn)低功耗、高性能的設(shè)計。因此，在聲吶設(shè)備系統(tǒng)中，發(fā)射機已成為耗能最大的單元，對發(fā)射機高效率、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)計出大功率、高頻率、高效率的聲吶發(fā)射機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

聲吶發(fā)射機電路系統(tǒng)的原理框圖見圖1，采用雙路信號發(fā)生器或數(shù)字電路對單片式集成驅(qū)動模塊IR21844進(jìn)行信號輸入和控制，信號經(jīng)過集成驅(qū)動芯片IR21844之后產(chǎn)生2路邏輯相反的信號，分別驅(qū)動對應(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)動水聲換能器激發(fā)出聲波信號，完成電聲轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)發(fā)射功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

發(fā)射電路系統(tǒng)的主要特點有：

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

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

3) 驅(qū)動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)射信號的發(fā)射功率和工作頻率。

2 發(fā)射電路設(shè)計和參數(shù)計算

設(shè)計的發(fā)射機要求具有大功率、高頻率和高效率特性，因此在計算電路參數(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)計算和設(shè)計。

2.1 功放驅(qū)動電路

對于大功率高頻發(fā)射機的設(shè)計，在選擇開關(guān)MOSFET時，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)計要求。

該電路設(shè)計的聲吶發(fā)射機最大輸出功率P0=1 500 W，考慮功率管損耗和變壓器傳輸效率等，實際設(shè)計時要按輸出功率1 800 W計算。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)計電路時選用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)時的開關(guān)損耗，提高發(fā)射機能量的利用效率，需對功率MOSFET進(jìn)行驅(qū)動。由于信號發(fā)生器或數(shù)字電路產(chǎn)生的信號電流較小，驅(qū)動能力較弱，須經(jīng)驅(qū)動模塊IR21844驅(qū)動之后才能控制MOSFET開關(guān)功放管，驅(qū)動芯片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)動能力：大于1 000 pF。

5) 開通延遲時間：680 ns。

6) 關(guān)閉延遲時間：270 ns。

7) 輸出最大電壓：芯片供電電壓。

8) 15 V時的靜態(tài)功耗：1.6 W。

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

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

圖2 功放驅(qū)動電路

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

圖3 IR21844信號時序圖

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，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感應(yīng)一個正半周期的脈沖電壓；當(dāng)HO為低電平、LO為高電平時，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感應(yīng)一個負(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完整工作頻率周期的功率放大波形。信號波形經(jīng)由變壓器激發(fā)水聲換能器，完成信號發(fā)射[4]。

2.2 變壓器的設(shè)計

變壓器的工作頻率取決于發(fā)射機的工作頻率，電路設(shè)計的聲吶發(fā)射機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，同時具有工藝好、電阻率高的特點，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)射機變壓器的設(shè)計中采用的是錳鋅鐵氧體高頻磁罐。在設(shè)計變壓器之前，先確定發(fā)射機的設(shè)計參數(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)計過程如下：

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

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

4) 計算變壓器次級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)通時間，T為周期；

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

6) 計算初級繞組平均有效電流，可由公式I1=Ip1·(Ton/T)求得。

電路設(shè)計選用了GU48×30A型磁芯磁罐，可根據(jù)磁芯的尺寸計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計算得到初級繞組匝數(shù)，由公式N2=(N1·Up2)/Up1計算得到次級繞組匝數(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

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，有利于實現(xiàn)對壓電換能器的激勵。壓電換能器存在靜態(tài)電容C0，雖然C0的量級是nF級，但它的存在會在換能器諧振時，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，最有效而簡單的方法是在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個電感L[7]。

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

3 試驗結(jié)果

試驗中，對300 kHz的發(fā)射信號進(jìn)行匹配，驗證電路設(shè)計的可行性。圖4為發(fā)射機輸出的發(fā)射信號和控制信號，由信號發(fā)生器WF1974產(chǎn)生，其中：上端信號為控制信號，采用脈沖式信號，高電平時使能IR21844工作，低電平時關(guān)閉IR21844工作狀態(tài)；下端信號為300 kHz的連續(xù)發(fā)射信號。試驗數(shù)據(jù)記錄采用泰克DPO3014數(shù)字示波器采集和存儲。在2個MOSFET管IRF540 N柵極同時測得的驅(qū)動信號見圖5，其驅(qū)動電壓幅值與IR21844的供電電壓一樣，為15 V。

圖4 發(fā)射機輸出的發(fā)射信號和控制信號

在測量發(fā)射機驅(qū)動壓電換能器的電壓時，需將發(fā)射機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。用示波器測量20 Ω電阻上的電壓波形，展開后的信號見圖6。

圖6 展開后的信號

測量結(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可計算出聲吶發(fā)射機的輸出功率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)動電路，選用功率MOS管驅(qū)動變壓器，設(shè)計了調(diào)諧匹配電路，實現(xiàn)了水聲信號大功率發(fā)射。大功率高頻聲吶樣機已通過陸上、湖上和海上試驗，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。