一种大功率高频声呐发射机的电路设计

魏平芬， 赖多明， 张朝明

(1. 海军装备部驻广州地区军事代表局， 广东 广州 510260；2. 中国船舶重工集团公司第705研究所 昆明分部， 云南 昆明 650106)

0 引 言

声呐发射机是主动声呐设备系统的重要组成部分，其工作的稳定性直接影响到整个系统的工作性能[1]。现代的水声视觉系统正朝着高分辨率、大作用距离的方向发展，其主要目标是提高声呐的分辨率，这种发展趋势必引起声呐设备各功能单元发生改革，对声呐发射机各种参数的要求也有所提高。因此，大功率、高频率成了声呐发射机的重要特点。近年来，随着电子技术的高速发展，电子元器件不断迭代更新，低功耗处理器的性能日益提升，以数据采集和算法计算为主的声呐接收机已实现低功耗、高性能的设计。因此，在声呐设备系统中，发射机已成为耗能最大的单元，对发射机高效率、低损耗的要求越来越高[2]。然而，当前常用发射机的工作带宽和功耗已不能满足现行系统设备的需要，设计出大功率、高频率、高效率的声呐发射机已成为水声科研工作者必须解决的问题。

1 电路系统的原理和特点

声呐发射机电路系统的原理框图见图1，采用双路信号发生器或数字电路对单片式集成驱动模块IR21844进行信号输入和控制，信号经过集成驱动芯片IR21844之后产生2路逻辑相反的信号，分别驱动对应的MOS(Metal Oxide Semiconductor)功率开关管，最后通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动水声换能器激发出声波信号，完成电声转换，实现发射功能。

图1 系统原理框图

发射电路系统的主要特点有：

1) 采用高压高速功率器件的单片式集成驱动芯片IR21844，对功率器件的控制要求进行简化，驱动电路的可靠性得到提升；

2) 驱动芯片IR21844具有死区时间可调性，防止工作频率较高时桥式电路同一桥路上下功率管同时导通，从而降低烧损功放管的概率；

3) 驱动功率放大器采用大功率的MOSFET管，能提高发射功率，使其达到1 500 W以上；

4) 通过串联谐振消除换能器两端电压与电流的相位角，能提高电路系统电能的利用率；

5) 发射电路在发射极限范围内具有通用性，通过改变匹配网络的参数就可变换发射信号的发射功率和工作频率。

2 发射电路设计和参数计算

设计的发射机要求具有大功率、高频率和高效率特性，因此在计算电路参数和选择元器件方面要求较严格，下面给出主要电路的参数计算和设计。

2.1 功放驱动电路

对于大功率高频发射机的设计，在选择开关MOSFET时，需考虑相关参数，如最大栅源电压(VGS)、最大漏源电压(VDS)、最大漏极电流(ID)、内阻、输入电容和栅极电荷等，这些参数基本上决定了发射电路能否达到系统的设计要求。

该电路设计的声呐发射机最大输出功率P0=1 500 W，考虑功率管损耗和变压器传输效率等，实际设计时要按输出功率1 800 W计算。若供电电源电压VCC=+48 V，功率管上管压降VDS≈2 V，则流过功放管的最大电流Imax为

(1)

由于发射电路系统的工作频率较高，需要MOS管开关具有较快的转换速度。为提高开关速度，减少开关损耗，选管时尽可能选择内阻小、栅极电荷少的功放管，而快速大功率MOSFET管IRF540N能较好地满足这一需求，设计电路时选用IRF540N作为功放管，其主要参数如下：

1) 最大漏源电压VDS=100 V；

2) 最大漏极电流ID=33 A；

3) 正向通态内阻RDS=44 mΩ；

4) 输入电容为1 960 pF；

5) 栅极电荷Qg=71 nC；

6) 耗散功率PD=130 W。

为降低功率MOSFET工作在高速开关状态时的开关损耗，提高发射机能量的利用效率，需对功率MOSFET进行驱动。由于信号发生器或数字电路产生的信号电流较小，驱动能力较弱，须经驱动模块IR21844驱动之后才能控制MOSFET开关功放管，驱动芯片IR21844的主要参数如下。

1) 高端工作电压：600 V。

2) 输出电流：1.8 A。

3) 芯片供电电压：10～20 V。

4) 容性负载驱动能力：大于1 000 pF。

5) 开通延迟时间：680 ns。

6) 关闭延迟时间：270 ns。

7) 输出最大电压：芯片供电电压。

8) 15 V时的静态功耗：1.6 W。

芯片IR21844设有悬浮截获电源，可自举运行，同时采用CMOS施密特触发输入，提高电路的抗干扰能力，增强电路工作性能的可靠性。

功放驱动电路见图2，电路的工作原理是：先由信号发生器或数字电路产生2路信号，一路为用于控制IR21844工作的脉冲信号，另一路为发射的连续方波信号，信号经过IR21844之后输出HO和LO 2路逻辑相反的信号。图2中，通过调节电阻R5的阻值就可改变死区时间Td，即调节开关管的开通时间，进而调节发射电路的输出功率。

图2 功放驱动电路

发射信号和控制信号控制IR21844的时序见图3，其中：发射信号IN为占空比为50%的连续方波；控制信号SD为脉冲波。SD为高电平时，HO和LO有效输出；SD为低电平时，HO和LO输出被封锁[3]。

图3 IR21844信号时序图

在图2所示的电路图中，R2、R6、C3、C9、V4和V7为桥开关吸收电路元件，其工作原理是：当HO为高电平、LO为低电平时，G1导通，G2关闭，+48 V电压的电流从G1流过，从而在输出电压器次级感应一个正半周期的脉冲电压；当HO为低电平、LO为高电平时，G2导通，G1关闭，+48 V电压的电流从G2流过，从而在输出电压器次级感应一个负半周期的脉冲电压；正负周期的脉冲电压合在一起形成一个完整工作频率周期的功率放大波形。信号波形经由变压器激发水声换能器，完成信号发射[4]。

2.2 变压器的设计

变压器的工作频率取决于发射机的工作频率，电路设计的声呐发射机的工作频率为几百千赫。变压器导磁材料的选择与工作频率有关，要求电路的工作频率与导磁材料的工作频率相符合。锰锌铁氧体高频磁罐的使用频率从几千赫至几百千赫，适合工作在该频段上，同时具有工艺好、电阻率高的特点，可在窄脉冲情况下得到较高的有效磁导率[5]。因此，在该发射机变压器的设计中采用的是锰锌铁氧体高频磁罐。在设计变压器之前，先确定发射机的设计参数：

1) 工作频率为几百千赫；

2) 电源电压为48 V；

3) 最大输出功率P为1 500 W；

4) 等效输出负载RL为120 Ω；

5) 开关管压降为2 V。

具体设计过程如下：

1) 计算变压器初级绕组电压幅值UP1，UP1等于工作电压48 V减去开关管的管压降；

3) 计算变压器次级绕组电流峰值IP2，其可由公式Ip2=Up2/RL求得；

4) 计算变压器次级绕组的平均有效电流值，可由I2=Ip2·exp(Ton/T)求出，其中，Ton为导通时间，T为周期；

5) 计算初级绕组电流有效值，可由公式Ip1=Ip2·(Up2/Up1)求得；

6) 计算初级绕组平均有效电流，可由公式I1=Ip1·(Ton/T)求得。

电路设计选用了GU48×30A型磁芯磁罐，可根据磁芯的尺寸计算得到磁芯的有效截面积、有效体积和变压器的表面积。由公式N1=(104·Up1)/(Bm)·f·Ae计算得到初级绕组匝数，由公式N2=(N1·Up2)/Up1计算得到次级绕组匝数，其中，Bm为磁通密度变化量，f为变压器工作频率，Ae为磁芯截面积[6]。

2.3 调谐匹配电路设计

调谐匹配的主要目的是使水声换能器两端的电压与电流同相，最终使电声转换效率达到最高。匹配设计主要采用串联谐振法，采用该方法可提高换能器两端的电压，有利于实现对压电换能器的激励。压电换能器存在静态电容C0，虽然C0的量级是nF级，但它的存在会在换能器谐振时，使换能器上的电压VRL与电流IRL存在相位角θ，由输出功率公式P0=VRLIRLcosθ可知，由于θ的存在，输出功率达不到最大值，为消除θ，使VRL与电流IRL同相，最有效而简单的方法是在换能器上并联或串联一个电感L[7]。

由于换能器的静态电容C0是在小信号状态下测试获得的，在高电压下会有一定的变化，因此电感值需要在试验调试中确定。

3 试验结果

试验中，对300 kHz的发射信号进行匹配，验证电路设计的可行性。图4为发射机输出的发射信号和控制信号，由信号发生器WF1974产生，其中：上端信号为控制信号，采用脉冲式信号，高电平时使能IR21844工作，低电平时关闭IR21844工作状态；下端信号为300 kHz的连续发射信号。试验数据记录采用泰克DPO3014数字示波器采集和存储。在2个MOSFET管IRF540 N栅极同时测得的驱动信号见图5，其驱动电压幅值与IR21844的供电电压一样，为15 V。

图4 发射机输出的发射信号和控制信号

在测量发射机驱动压电换能器的电压时，需将发射机的输出端连接到与换能器阻值一样的由功率电阻组成的假负载上，假负载由一只100 Ω的功率电阻和一只20 Ω的功率电阻串联构成。用示波器测量20 Ω电阻上的电压波形，展开后的信号见图6。

图6 展开后的信号

测量结果显示，20 Ω电阻上的电压半峰值Ub1=103 V，换算120 Ω电阻上的半峰值电压值Ub=618 V，由功率换算公式P=U2/R和U2=Ub2/2可计算出声呐发射机的输出功率P=1 591 W。

4 结 语

本文根据大功率高频声呐的发射要求，采用功率器件集成芯片IR21844作为驱动电路，选用功率MOS管驱动变压器，设计了调谐匹配电路，实现了水声信号大功率发射。大功率高频声呐样机已通过陆上、湖上和海上试验，试验结果满足设计要求。