一種全橋式高功率放大器

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

(中國船舶重工集團公司第710研究所，湖北宜昌443003)

用集成功率放大器驅動大功率三極管構成推挽功率放大器，兩路推挽功率放大單元可以組合構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現散熱設計，工程樣機研制證明該方法適用。水庫測試結果表明：驅動某大型雙諧振壓電陶瓷換能器，功放樣機輸出連續信號時，在5 kHz左右輸出電功率達到1600 W以上。單頻信號工作時觀察信號波形，信號畸變與失真較小。根據試驗與測試結果分析了末級三極管上的功率耗散情況，驗證了工程樣機在散熱設計方面的有效性。

推挽功率放大器；全橋式功率放大器；散熱設計

0 引言

遠程水聲通信或水聲遙控系統通常要求較大的發射功率。目前常用的功率放大器主要有兩種：開關功放與線性功放。相比較而言，開關功放工作效率高、功率密集、高頻特性好；線性功放發射電壓可調、適應環境方便、工作穩定可靠。而且容易與前級調制電路匹配，不易因脈沖產生諧波干擾，能夠取得比較純凈的功率信號。因此，在系統效率限制條件允許的情況下，為追求信號輸出幅度可調，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構，適當增加相同的功放電路，同樣能實現輸出較高的發射功率。

1 結構與工作原理

基本的半橋式功放電路結構如圖1所示。

圖1中所示，前級數字電路產生的信號經過線性光電隔離電路后，一路通過反相放大器得到反相信號，它與另一路信號分別驅動下級各自對應的推挽功率單元，推挽功率單元1、2分別將兩路相互反相的信號進行功率放大，進入變壓器構成的阻抗匹配網絡，構成橋式電路結構，驅動換能器發射聲信號。

由于電路采用逐級功率放大的形式，為避免末級強功率信號對前級小信號電路造成干擾，應當謹慎地處理小信號電路與后級強功率電路之間的隔離問題：功放電路的輸入級采用光電隔離電路進行信號傳輸與隔離；前后級電路采用各自獨立的直流電源供電；直流電源應當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

為了減小后級大功率電路對前級弱信號電路的干擾，輸入級采用安捷倫光耦芯片HCNR201構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字電路的+5 V供電，三級管構成的外圍電路將發射控制信號進行放大，驅動HCNR201內部的發光二極管發光；電路的后部分由供模擬電路的+5 V供電，HCNR201內部光敏二極管接收到光信號后使后級電路產生相應的電信號，實現信號的隔離與傳輸。

2.1.2 推挽功率單元電路

構成其中半邊橋路的推挽功率單元如圖3所示。

構成半邊橋路的推挽功率放大器，具體電路結構采用BB公司的集成功率放大器OPA512SM (TI公司)去驅動NPN三極管MJ14002與PNP三極管MJ14003，兩種極性的三極管各為三個并聯以增加輸出電流，它們共同構成帶有反饋網絡的推挽放大器，MJ14002、MJ14003是安森美公司生產的高電流大功率三極管，額定耗散功率可達300 W，三管并聯共六個管子總額定耗散功率達到1800 W。

圖4是半邊橋式功率放大器末級的簡化電路，由兩個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分別代表經過并聯的功率管，因此該系統理論上總額定耗散功率可達到3600 W。

電路設計要保證用作驅動功率放大器的OPA512SM在安全線性工作區內的輸出電流，足以驅動末級推挽電路。當電路設計為±32 V供電時，因查得MJ14002、MJ14003手冊中安全工作曲線，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，在每半個信號周期內驅動半邊三個管子導通時需要的基極電流是：

而由OPA512SM手冊安全工作區曲線[3]可知，±32 V供電時、通常散熱與溫度條件下，其輸出電流達到0.8 A左右是沒有問題的，有足夠大的設計空間。

由于推挽功率單元電路存在負反饋網絡，使推挽電路工作在閉環狀態，從而限定了增益倍數，而且OPA512SM芯片本身設計的通過外圍電阻進行限流保護的功能，保證了電路穩定性：

電路板元器件布局安裝時，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散發的熱量引起印制板溫度過分升高。有資料[4]顯示：常用的印制板材料，如環氧樹脂層壓玻璃纖維布板，受熱時，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孔和過孔部件的焊接連接上施加了相當大的熱應力。經過加熱和冷卻循環的多次反復，最終這些連接會斷開，產生微小間隙。損壞發生在中間層，這種處于不在頂層與底層的地方[4]呈現的是“幽靈”故障現象：電路板溫升故障出現，當關閉電源想修理查找故障時，隨著板的冷卻，變形斷裂的觸點自動接上，故障又莫名其妙地消失了。因此應當極力避免功率元件與散熱件的熱量過多地傳遞到電路板材料上。

2.1.3 變壓器阻抗匹配網絡

阻抗匹配網絡主要由變壓器、電感、二極管等構成，其中電感起到調諧的作用，二極管用于收發轉換保護。要注意的是變壓器的設計，一方面變壓器整體設計需要滿足大功率傳輸的要求，避免磁飽合現象出現；另一方面，變壓器的低頻傳輸響應特性要好，由等效電路可知變壓器的低頻截止頻率為

式中：為信號源電阻；為線圈電阻；為負載電阻；為激磁電感，初級線圈的激磁電感要達到足夠大的要求[5]。設計中采用國內某公司生產的高磁導率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。最大工作溫度是勵磁導線的唯一限制，勵磁導線的標準是由溫度標定的，其溫度范圍是105~220 °C，見表1。勵磁導線的絕緣薄膜或絕緣漆敷在銅導線的表面，這個絕緣層是最容易由于過熱負荷而破碎[6]。所以，絕緣薄膜的選擇對于導線的壽命是非常關鍵的。當勵磁導線遭受到過熱負荷或在額定溫度以上的高溫時，導線的壽命會大大降低，因此，對于過熱點必須非常小心，以便不降低變壓器的整體工作壽命。

表1 勵磁導線表面絕緣材料

2.1.4 電源濾波電路

功率放大電路，本質上是將直流電源的能量轉化為發射信號的能量，要獲得干凈的發射信號，電源噪聲應當得到抑制。因此電源濾波需要引起足夠的重視，前述要求輸入級的小信號電路與末級的強功率電路部分應當分別由獨立的直流電源供電，同時采用共模濾波與差模濾波結合的電路濾波電路。

電路中的共模扼流圈T1，在高磁導率的環形閉合磁芯上雙線并繞并同向連接，使干擾電流流經兩個繞組時產生的磁場同向相加，扼流圈對于干擾電流呈現出較大的感性，因此達到阻隔的效果，而且環形磁芯有存儲磁能的功能，有利于抑制LC濾波器接入穩壓電源輸出端引起的接通瞬間響應的起伏效應。電源濾波器的接地應當注意，圖6中扼流圈T1左側的接地線應當與電源地線聯接，T1左側的接地線應當與交流信號參考地線聯接。電源濾波的實際使用效果應當經過具體實驗驗證。

3 測試情況與結果分析

3.1 水庫測試情況

將焊裝調試完畢的半橋功率放大器，用安捷倫33120函數發生器作為信號源，采用大規模動力電源(10000 W直流電源)供電，驅動某大型雙諧振壓電換能器發射聲信號。測量所用的水聽器是B&K公司8104型標準水聽器，測量放大器是B&K2636，濾波器B&K1617，信號源采用的是安捷倫33120A函數信號發生器。2013年4月湖北隔河巖水庫(平均水深90 m，開闊水域半徑約2.5 km)測試發射聲源級(此處特指聲壓級)，使用單頻正弦信號，每個頻點信號發射持續時間2 s，得測試結果曲線如圖7所示。

由圖7可見，在5 kHz頻點左右處的聲壓級達到202 dB左右，由于換能器自身體積較大，考慮其指向性，取指向性系數為6，求得發射聲功率。

聲壓級與聲功率之間的轉化公式為

由于換能器的電聲轉換效率在該頻段約為20%，可知功率放大器發射連續信號的輸出電功率約為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，但對輸入到換能器的信號進行監視，可發現波形失真與畸變較小、信號純凈且諧波較少。見圖8。

3.2 關于散熱設計的分析與驗證

壓電陶瓷換能器的系統阻抗并非呈純阻，對于電容性負載，電壓與電流的關系是電流超前于負載電壓，當電流是峰值時，負載電壓是零，這就意味著功放必定在導通功率三極管兩端的電壓是滿幅，對于峰值電流的負半周為，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，而來自電源的能量全部加載在功率三極管上，此時管子上的損耗達到最大值。與電阻性負載相比，電抗性負載的損耗很大[7]。因此，直接測量功率管的實際耗散功率是十分困難的，而且負載特性不同時，功率管的具體工作特性也是不同的。

基于這點，在水庫試驗中采取的發射信號為單頻正弦信號，發射持續時間為2 s，嘗試根據試驗測試的結果逆向對電路各部分平均功率分配進行估算，驗證散熱件的選取與設計能否滿足要求。

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

變壓器的功率轉化效率估計值為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

均攤在每個功率管上的平均耗散功率為

查閱功率三極管MJ14002與MJ14003手冊，T0-3封裝的熱阻典型值為0.584 °C/W，假定環境溫度為30 °C，功率管上限工作溫度是125 °C，而結點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上是有供應的。鑒于試驗樣機由于對體積尺寸有條件限制，采用的是熱阻標稱值為0.75 °C/W的純銅擠制散熱器，購置回來后自行將表面用石墨涂黑。安裝時功率管與散熱器的接觸面要涂導熱硅脂。

由于功率管自身的耗散功率較大，大功率連續工作時自身結溫上升很快，機箱內單純依靠散熱器與空氣自然流動進行散熱很難達到理想效果，為避免機箱溫升長時間保持較高值，應當在內部采用高效散熱風扇、機箱側壁設通風窗提高散熱冷卻效率。

4 結論

先通過線性集成功率放大器驅動大功率三極管構成推挽功率放大器，再將這種推挽功放相同的兩路按照橋式電路的形式聯接成新的功率放大器，用其驅動壓電換能器發射脈沖信號時的實際功率輸出可觀，能達到330 W以上，該放大輸出的信號純凈、諧波少，且電路穩定可靠，調試維修簡便，也容易實現分體模塊化設計。

[1] HCNR200/201. Agilent Technologies: 12.

[2] MJ14002/MJ14003. High-Current Complementary Silicon Power Transistors, ON semiconductor Compontents Industries: 2.

[3] OPA512. High Current High Power operational Amplifier, BURR-Brown Coporation(TEXAS INSTRUMENTS): 6.

[4] (美)J. Michael Jacob著. 功率電子學——原理與應用[M]. 蔣曉穎譯. 1版. 北京: 清華大學出版社, 2005: 130.

Jacob J. Michael. Power electronics--Principles & Applications[M]. JIANG Xiaoying, translated. 1stedition. Beijing: Tsinghua University Press, 2005: 130.

[5] 遠坂俊昭. 測量電子電路設計——濾波器篇[M]. 彭軍譯. 1版. 北京: 科學出版社, 155.

Toshiaki Enzaka, PENG Jun. Circuit design for electronic measurement--filter[M]. PENG Jun, translated. 1stedition. Beijing: Science Press, 2006: 155.

[6] (美)Colonel Wm, MCLyMAN T. 變壓器與電感器設計手冊[M]. 龔紹文譯. 3版. 北京: 中國電力出版社, 2009: 126.

Colonel Wm, MCLyMAN T. Transformer and Inductor Design Handbook[M]. GONG Shaowen, translated. 3rdedition. Beijing: China Electric Power Press, 2009: 126.

[7] 劉海軍, 高天賦, 曾娟. 換能器與功率放大器的最佳負載討論[J]. 聲學技術, 2009, 28(4): 145-148.

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

國家863計劃項目(2007AA09Z204)

付繼偉(1979－), 男, 山東龍口人, 高級工程師, 研究方向為水聲設備研制。

付繼偉, E-mail: bug813@sina.com