一種基于全橋拓撲的聲吶發射機功率電路設計

葛印超，馮常慧，楊 力

(1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2. 中國科學院聲學研究所，北京 100190)

一種基于全橋拓撲的聲吶發射機功率電路設計

葛印超1，馮常慧1，楊 力2

(1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2. 中國科學院聲學研究所，北京 100190)

聲吶發射機完成特定形式的電信號的功率放大，通過發射換能器將電信號轉換為聲信號輻射到水中。介紹了全橋拓撲結構的工作原理和基本電路結構，詳細分析了高輸入電壓下全橋功率電路設計技術難點，完成了全橋電路設計、利用 ADuM5230 芯片搭建驅動電路及相關波形設計，完成功率電路的制作和調試。實驗室可靠性測試表明，該全橋拓撲功率電路工作性能良好，滿足設計要求。

聲吶發射機；全橋拓撲；漏感尖峰；驅動電路

0 引 言

提高發射機輸出功率是提高聲吶探測距離的最直接方法。提高發射機輸入電壓可以降低功率在電纜上的功率衰減。但一般使用的推挽拓撲電路受變壓器勵磁電感和漏感尖峰影響[1]，功率管兩端需承受的電壓應力可達母線電壓的 3 倍以上，對功率管耐壓指標要求很高。使用全橋拓撲電路可以有效降低電路對功率管的最大耐壓值要求，提高電路工作可靠性。

1 聲吶發射機結構

聲吶發射機主要由信號發生器、功率放大電路、匹配網絡和發射換能器 4 部分構成。發射機邏輯結構組成如圖 1 所示。

聲吶發射機信號頻率大多在音頻范圍內，通過現有 MOSFET 開關器件組成的開關電路可以方便地實現功率放大。功率放大電路的設計需要考慮到發射機電源電壓、發射聲源級需求、輻射阻抗等因素的限制，實際選擇需要多方面考慮。

對于輸入電壓較高、輸出功率較大的功率電路，由于變壓器漏感的客觀存在，在開關管兩端會產生很大的漏感尖峰，嚴重時會造成開關管的擊穿，在推挽拓撲中該現象尤為明顯。全橋電路由于自身電路結構特點，能夠有效鉗制開關管兩端的電壓尖峰，保證電路穩定工作。

2 全橋拓撲功率電路設計過程

全橋拓撲電路主要由 4 個功率管和二極管組成，其電路原理圖如圖 2 所示。

Q1與Q4為1組，Q2、Q3為1組，2組交替導通。VD1～VD4 為鉗位二極管。當Q1和Q4關斷時，在變壓器勵磁電感和漏感的作用下，其漏源級之間會產生很大電壓尖峰。VD2 和 VD3 導通，使變壓器初級兩端電壓鉗制在輸入電壓Vdc附近。在導通時間內，變壓器初級漏感儲存能量通過鉗位二極管釋放[2]。勵磁電感中的能量通過 VD2 與 VD3 形成的通路反饋回電源中，故又稱為反饋二極管。在功率管導通或關斷的時，每個 MOSFET 漏源級電壓應力始終保持在直流電壓Vdc附近，有效降低了變壓器勵磁電感和漏感尖峰的影響[3]。

2.1 功率管選擇

功率電路設計中，MOSFET 的選擇至關重要，需要考慮的參數很多，主要有最大漏源電壓、最大漏極電流、導通內阻、輸入電容、反向傳輸電容[2]等。

1）最大漏源電壓VDSS

由全橋電路工作原理，Q1～Q4的漏源電壓應力為輸入直流電壓Vdc，避免了漏感尖峰對功率管耐壓的苛刻要求。在選擇開關管時要考慮一定的安全裕量[1, 4]，一般取最大漏源電壓為 1.5Vdc。

2）導通內阻Rds

考慮到大輸出功率條件下 MOSFET 的導通損耗和溫升，要求在理想結點溫度（取 100 ℃）時漏源級之間的導通壓降不高于直流輸入電壓的 1%[1]。

由于 MOSFET 的導通電阻具有正溫度系數，100 ℃情況下的Rds是 25 ℃ 的 1.6~1.8 倍，則可求得滿足要求的導通內阻。在實際使用時，為減小壓降和熱損耗，一般選用內阻最小的功率管。

3）最大漏極電流。

在連續導通時，MOSFET 處于穩態，此時電流連續通過功率管。電流脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需考慮電流安全裕量的前提下選擇能承受這個最大電流的器件便可。

4）柵源電荷

對于高速開關電路，MOSFET 柵極與源級之間存在不可忽略的極間電容，為高開關速度，減小開關損耗，需要選擇柵電荷盡量低的功率管。

該聲吶發射機要求發射頻率 25~35 kHz，輸入電壓500 V，單路輸出瞬時功率 600 W。經過計算選擇IXFH6N120P 作為功放管。

2.2 驅動電路設計

MOSFE 的直流輸入阻抗很高，在柵極電壓建立起來后，一般只流過納安級電流。但在 MOS 管導通過程中，柵源級之間有一個較大的不可忽略電容，為快速導通或關斷，需要柵極驅動電流足夠大。MOSFET 柵源級、柵漏極等效電路如圖 3 所示。C1為柵源級電容，即輸入電容Ciss；C2為柵漏極電容，即反向傳輸電容Crss。驅動電路提供的柵極電流Ig包含I1和I2兩部分，分別對應于流入C1和C2的電流[5]。

由 IXFH6N120P 的傳輸特性曲線，漏源電流要達到設計要求，柵源電壓VDS要達到 6 V 以上，選取滿足要求的柵源電壓為 10 V。驅動過程中柵極電壓上升是個較復雜的過程，由于柵極電壓上升時間很短，可合理假設該電壓為線性上升。

在t1時間內，柵極驅動電壓上升到 10 V，所需驅動電流I1平均值為：

然而，柵極電壓到達 10 V，漏極導通，漏源級電壓由Vdc下降為導通壓降VDS。為簡化計算，可忽略VDS，這樣C2的上端電勢下降了Vdc，而下端電壓上升10 V，即所謂“米勒效應”。完成該過程所需的電流為：

要求開關管的開關管時間小于發射周期的 10%，則可計算出驅動電路需提供的最小電流為 50.6 mA。

ADuM5230 是一種 MOSFET/IGBT 驅動芯片，每片可驅動兩路功率管，且輸出電壓相互隔離；其驅動端能夠提供 150 mW 功率，100 mA 拉電流和 300 mA 灌電流，完全滿足設計要求的驅動電流，保證 MOSFET 的快速通斷；最大輸出電壓 18 V，滿足電路設計需求。

全橋電路中同組的 2 個 MOS 管工作狀態相同，需要提供相同相位的驅動信號。Q1和Q4導通時，Q1源級電平為 +Vdc（稱為高端電壓，High side），Q4源級電平為 0（稱為低端電壓，Low side）。ADuM5230 芯片內部 DC-DC 模塊的存在最高可以允許兩路高端電壓輸出和低端電壓輸出存在 700 V 的差分電壓，滿足該設計要求，保證驅動電路不因兩路查分電壓過高而損壞。利用該芯片搭建的驅動電路如圖 3 所示。

2.3 死區時間設計

由全橋拓撲電路結構易知，如果Q1、Q3或Q2、Q4同時導通，將會使電源短路。為避免這種危險，應在兩路驅動信號之間加入“死區時間”，使每個功率管的導通時間不超過半周期的 90%，保證不會存在直通隱患[1, 6]。驅動信號可由2個存在一定相位差的控制信號產生，波形如圖 4 所示。

2.4 RCD 吸收電路設計

使用的 RCD 緩沖電路如圖 5 所示。

3 可靠性測試

完成聲吶發射機要求的全橋功率電路板（在同一塊電路板上）調試后，進行了大功率發射可靠性測試實驗。

功率電源供電電壓為 500 V，電路負載為 550 Ω/600 W功率電阻，發射頻率為 25 kHz 的 CW 波，脈沖時間長度 200 ms，占空比 0.2。測試 3 個工作周期，每個周期連續工作 20 min，每 2 min 測量并記錄其中一個 MOSFET 器件和驅動芯片溫度變化數據；測量負載端波形，此過程中電路板不附加任何散熱措施。測試結果如圖 6和圖 7 所示。

在沒有輔助散熱的條件下，電路工作 20 min后，功率管最高溫度為 54 ℃，驅動芯片溫度為 63 ℃，且都趨于穩定，證明電路能夠長時間穩定工作。

由于手工繞制的實驗用變壓器不夠規范，電壓波形尚存在一定的尖峰，但該尖峰幅度遠小于相同實驗條件下推挽拓撲功率電路的電壓尖峰，波形較為穩定。

4 結 語

全橋拓撲結構能有效降低因變壓器漏感造成的電壓尖峰的影響，降低電路對功率管耐壓值的要求，提高電路工作穩定性。利用 ADuM5230 驅動芯片的輸出隔離特性設計的驅動電路可以良好地解決高輸入電壓條件下電勢差過大的問題。死區時間的設計杜絕直通現象的發生，RCD 吸收電路可吸收變壓器漏感能量，改善 MOSFET 開關特性，提高電路穩定性。經過可靠性測試，驗證電路工作可靠性，說明該全橋拓撲功率電路具有一定的實用價值。

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Sonar transmitter power circuit design based on full-bridge topology

GE Yin-chao1, FENG Chang-hui1, YANG Li2
(1. The Second Ship Design and Research Institute of Wuhan, Wuhan 430205, China; 2. Institute of Acoustics of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Sonar transmitter completes the power amplification of certain forms of electrical signals. The emission transducer converts the electrical signal into sound signals and radiates into the water. This paper introduces working principle and basic circuit structure of full-bridge topology. It analyses the technical difficulties of full-bridge power circuit of high input voltage in details. It completes the design of a full-bridge power circuit, the drive circuit and related waveforms, finish the manufacture and debugging of the power circuit. The reliability tests in laboratory show that the full-bridge topology power circuit works well, the scheme is feasible and can meet the design requirements.

sonar transmitter；full-bridge topology；leakage voltage-peak；drive circuit

TB565

A

1672 – 7649(2017)07 – 0133 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2016.12.028

2016 – 05 – 07；

2016 – 06 – 25

葛印超(1990 – )，男，碩士，工程師，從事聲吶發射機研究與設計工作。