相控陣多普勒測流儀發射機電路設計

杭 亮

（中船重工集團公司第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

0 引 言

相控陣多普勒測流儀是以相控陣原理為基礎，利用聲波在水中的多普勒效應而制成的一種高性能測量流速和流向的儀器，該產品主要應用于港口海流監測以及內河流水紋監測。目前，國外市場上已有類似測流設備，在國內市場上利用相控陣技術的情況還很罕見[1]。

為了發揮測流儀相控陣的優勢，發射機必須有較高的聲源級和可靠的穩定性，發射機性能的好壞直接影響到相控陣的作用距離和工作頻帶等性能，從而也關系到測流儀的整體工作狀態[2]。

本研究提出一種采用D類功率放大、輸出功率可調的水聲信號發射機，該發射機具有效率高、體積小及抗干擾能力強等特點。

1 發射機的原理和組成

發射機主要由信號產生模塊，功率放大器、保護自檢電路、匹配濾波模塊及換能器組成，原理框圖如圖1所示。

信號處理板輸出脈沖信號，經驅動電路輸出功率放大器控制信號，經功率放大和匹配電路后，驅動相控陣換能器工作，將電信號轉化聲信號，發射到水中[3]。

圖1 發射機原理框圖

發射機的主要設計指標為輸出電功率不小于100 W，兩路輸出信號相位差180°，誤差≤1.5°，幅度不一致性≤1 dB。

1.1 驅動電路

驅動電路主要功能是：利用門電路形成兩路控制信號，經驅動芯片IR4427驅動放大信號以控制功率放大電路中IGBT開通斷狀態[4]。

驅動電路框圖如圖2所示。

圖2 驅動電路框圖

為了防止功率放大器中功率管同時開通，引起短路燒壞，本研究采用RC延時，將兩路信號間隔開，間隔時間為200 ns左右。

1.2 功率放大電路

為了降低相控陣多普勒測流儀整體功耗，該設計采用了推挽式D類功率放大器，該放大器的效率可高達90%以上，在感性負載時，轉換效率更高，并且具有體積小、重量輕及發熱量小等優點[5-6]。

該功率放大器基本原理如圖3所示。

圖3 功率放大器

圖3中，當Q1導通時Q2截止，線性可調DC-DC模塊輸出高壓經變壓器初級線圈與Q1形成回路。Q2導通時Q1截止，DC-DC模塊輸出高壓Vcc經變壓器初級線圈與Q2形成回路，兩個半周期的信號經過變壓器耦合放大后，輸出完整的正弦波信號。其中，C1，R1和C2，R2組成電壓尖峰網絡，防止漏源極間電壓過高，D1，D2為穩壓二極管，R3，R4為限流電阻，C3為儲能電容。

1.2.1 儲能電容容值

鑒于該發射機技術條件要求，單路輸出功率不小于50 W，按慣例功率管輸出應該不小于P′=1.5P=75 W。該功率放大器高壓為30 V，當發射信號時瞬間電流很大，所以本研究通過并聯C3儲能電容方式提高驅動能力。

電容容值計算：

式中：P′—發射功率，γ—發射信號最大脈寬長度，Q—電容能量，V1—發射前電壓，V2—發射后電壓，C—電容容值。

其中P′=75 W，γ=4 ms，V1=30 V，按電容下降5%計算，V2=28.5 V，則V2=6857 μF，該設計中取10 000 μF/50 V電容，完全滿足發射需求。

1.2.2 變壓器參數

變壓器初次級線圈匝比n=U1/U2，其中：

式中：U1—變壓器初級線圈電壓，U2—次級輸出電壓，Vcc—DC-DC輸出最大電壓，Vce—功率管壓降，P—單路輸出功率，RL—等效負載。

變壓器的匝數比為：

實際使用中，匝數比取理論值的1.5倍，n=1/3.75，該設計中匝數比取1∶3.8。

變壓器初級線圈電感量[7-8]為：

式中：f0—測流儀工作頻率。

現已知初級線圈電感量，可確定變壓器初級線圈匝數，從而推出次級線圈匝數，該設計中變壓器為外協廠商定做。

1.2.3 功率管選擇

功率管最大電流為：

功率管開關時間為：

式中：ton—功率管開通時間；f0—信號頻率，150 kHz。

功率管最大方向電壓：

該電路中選取了N溝道的IGBT管40N6S2D[9]，該功率管大量應用于大功率的開關電路中，各項參數都符合設計要求。

1.3 匹配網絡

該設計采用串聯電感匹配，可以有效抑制電源輸入方波中諧波，減輕功率管負擔[10-11]。

電感串聯匹配示意圖如圖4所示。

圖4 電感串聯匹配

由測流儀換能器水池測試報告可知，換能器在150 kHz的電導G=8.2510mS，電納B=2.031 0 mS。

則：

2 實驗驗證

該實驗通過測量發射換能器兩端電壓峰峰值Vpp，計算出負載功率，換能器上所測正弦波如圖5所示。

圖5 電感串聯匹配

圖5中:Vpp≈235V，筆者計算出換能器全陣負載功率P=Vpp/4RL≈135 W，符合輸出功率大于100 W，兩路信號相位誤差1°，幅度不一致性小于1 dB，符合設計要求。此外，該發射機在水池（國家水聲一級計量站測量）測量，聲源級最高達217 dB。在千島湖試驗站，測流儀最遠作用距離280 m，完全達到預期設計指標200 m。

3 結束語

本研究結合了便捷式水聲通信設備的特征，設計了一種小型高性能的水聲信號發射機，發射機采用了D類推挽式功率放大器，進行了精確的阻抗匹配，使得換能器能獲得最大的輸出功率，增加了測流儀作用距離。該發射機已經裝列在測流儀的正式產品之中，經過兩年多的水池、湖試測試以及市場客戶使用反映，其故障率低，實際應用結果表明該發射機具有較高穩定性，從而提高了測流儀整體質量。

（References）：

[1] 田 坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2005.

[2] 鄒明達，徐繼渝.船用測速聲納原理及其應用[M].北京：人民交通出版社，1992：20-51.

[3] 嚴孝海.高頻聲納發射機研究與設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[4] 謝嘉奎，宣月清，馮 軍.電子線路[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 蘇開才，毛宗源.現代功率電子技術[M].北京：國防工業出版社，1995:35-65.

[6] 林 云.D類功率放大器的原理與應用[J].電子制作，2007（11）：50-60.

[7] 王瑞華.電子變壓器設計手冊[M].北京：北京科學技術出版社，2003.

[8] 吳運發.水聲寬帶換能器匹配技術研究[J].聲學技術，2000，19（2）：60-89.

[9] 陳清山.世界最新晶體管代換手冊[M].北京：高等教育出版社，2003：23-44.

[10] 魏守水.超聲電機阻抗匹配變壓器的設計[J].電機與控制學報，2000，4（1）：14-16.

[11] 鮑惠善.壓電換能器的動態匹配[J].應用聲學，1998，17（2）：14-21.