（水声工程专业论文）应答释放器发射机和水声通信发射机设计.pdf

哈尔滨f t 稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t s o n a rt r a n s m i t t e ri sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n ti na c t i v es o n a re q u i p m e n t a n dd i f f e r e n tt r a n s m i t t e r so fa c t i v es o n a rc a nb eu s e di nd i f f e r e n ta c t i v es o n a r s y s t e m t h ed e s i g no ft r a n s m i t t e ri nr e l e a s er e s p o n d e ra n du n d e r w a t e ra c o u s t i c c o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n ti sc o m p l e t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o n a rt r a n s m i t t e r , b a s e do nt h et h e o r ya n d p r a c t i c e ，t h ek e yi s s u e so ft h es o n a rt r a n s m i t t e rd e s i g n i n gp r o c e s sa r eg i v e ni nt h i s p a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g n i n gd e m a n d sa sw e l la sp r i n c i p l e so fc h o o s i n go f p o w e ra m p l i f i e ra n dp o w e rm o s f e t , m o s e td r i v e rc i r c u i ta r eg i v e ni nt h e p a p e r a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s f o r m e r , h e a tt r e a t m e n to fp o w e ri ca n dt h e d e s i g n i n go ft r a n s d u c e rm a t c h i n gc i r c u i t sa l ea l s oi n c l u d e dh e r e o nt h i sb a s i s ， a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fr e l e a s er e s p o n d e r , d - t y p et r a n s m i t t e rb a s e do nt h e p w m t e c h n i q u e si sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r s o m et e r r i f i cp o i n t s ，s u c ha ss m a l l d i m e n s i o n ，h i g he f f i c i e n c ya n db i s m o d e s ( o n & w a i t i n g ) a r ec o m p o s e di nt h e d e s i g n i n gw o r ko ft h et r a n s m i t t e r t om e e tt h ed e m a n do fu n d e r w a t e ra c o u s t i c c o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t ，t h el i n e a r i t yt r a n s m i t t e ri sd e s i g n e dw i t ht h ef u n c t i o n s o fa d j u s t a b l ei n p u tp o w e ra n da d j u s t a b l el o a di m p e d a n c e a n do v e r l o a dp r o t e c t i o n a n do v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o na r ea l s oi n c l u d e di nt h ep a p e r a f t e re x p e r i m e n t a lt e s t i n g ，b o t ht h ed - t y p et r a n s m i t t e ra n dt h e l i n e a r i t y t r a n s m i t t e ra c h i e v e dt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n ta n dw o r k e d s t a b l yi nt h e i rs y s t e m e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：s o n a r ；t r a n s m i t t e r ；p o w e ra m p l i f i e r ；p o w e rm o s f e t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：谚扩钆学拳 日期： 0 d o 年三月。尹日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：谢坼导师( 签字) ：恸 日期： 1 o o f 年3 月尸日 p7 年口5 月( 7 日 。 。 |l 哈尔滨- l - 代f i 火学硕十学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 声呐发射机是主动声呐系统中的重要组成部分，不同的声呐设备对发射 机有特殊的要求。例如：为了满足应答和通信功能，应答释放器要求发射机 既能发射大功率的脉冲信号又能发射连续信号，并且要求体积小、效率高、 工作稳定可靠等。进行水下通信实验要求发射机能发射大功率线性连续信号， 并且输出功率可调、工作稳定可靠等。其中，大功率、高效率、小体积、连 续发射是技术的关键。本文以应答释放器及水下通信实验为背景，研究设计 应答释放器发射机和通信用线性发射机。 应答释放器是应答器与声学释放器的结合体。它除了能满足水声定位系 统要求的应答和信标功能外，还能满足控制声学释放器释放锚定沉块，实现 浮体带着仪器上浮的功能。此外，它还具有通信功能，能将其它仪器的信号 编码向外发送。对于应答释放器的研究，国外起步较早，而且产品型号较全， 基本可以满足不同海洋条件下特定任务的需要。其中以法国的o c e a n o t e e h n o l o g i e s 公司生产的应答释放器最具代表性，已经成为业内的标准，代 表着当今世界的先进水平。此外，澳大利亚的n a u t r o n i x 公司、美国的o r e 公司也从事声学定位系统的技术研究及产品丌发d 1 。目前国内还没有专门从 事生产应答释放器的公司，仅有少数高校和研究所在进行应答释放器的研制 工作，并且研制的应答释放器仅供本单位使用，大多数单位都是靠引进国外 产品。随着我国海洋研究和开发的不断发展，应答释放器的需求量将越来越 大，对其进行研制将有良好的社会效益和经济效益。 水下通信方面，国外有着较长的研究历史。目前，世界水声通信的研究 主要集中在美、英、日、法等发达国家的大学和科研机构，一些国外公司也 开发了许多应用产品，而我国对这方面的研究起步相对较晚。自上世纪8 0 年代中期以来，尤其是进入9 0 年代后，哈尔滨工程大学、中科院声学研究所、 西北工业大学、厦门大学、东南大学等一些科研单位都对水声通信进行了大 量的研究工作，在水下图像传输、语音通信、自适应均衡技术、纠错编码、 扩频通信、通信网络等方面各自取得了一些成果。从总体上讲，我国在水声 l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 通信领域的研究水平还远落后于国际先进水平m 1 。 1 2 声呐技术发展现状 随着电子技术及其他学科技术的发展，各国对声呐技术在军事工程中应 用的重视，现代声呐技术发展更为迅速，同时取得了一系列成果。现代声呐 技术发展的一些特点有f 。q ： ( 1 ) 军用声呐系统普遍采用低频( 主动声呐频率低到i k h z 3 k h z ，被动 声呐频率低到0 1 k h z 1 5 k h z ) 、大功率( 大型主动声呐的发射功率达几百千 瓦甚至兆瓦) 、大尺寸基阵( 用于被动探测的拖曳线列阵声呐长度可以达百 米) 。 ( 2 ) 利用深海声道传播途径。深海声道是存在于深海中的种自然现象。 舰艇主动声呐使用此种深海声道传播途径，可以探测到第一会聚区( 3 卜3 5 海里) 的目标，而被动声呐可探测到第三会聚区( 大于1 0 0 海里) ，甚至更高 次会聚区的目标。 ( 3 ) 广泛采用信号处理和数字技术。随着数字技术，特别是微处理器和 新的信号处理器的出现，使得许多需要进行大量运算的信号处理方法的实施 成为可能。计算机结构的新发展、高速数字信号处理器( d s p ) 的出现以及 新的信号处理算法的开发利用，使声呐设备的面貌发生了全新的变化。 ( 4 ) 采用新的声呐体制。上世纪6 0 年代初期，国外开始使用拖曳式声呐， 此后各国大力发展拖曳式声呐。拖曳式声呐远离本舰辐射噪声源，且可以调 节深度以适应不同的水文条件，它使声呐的作用距离大大增加。上世纪7 0 年代被动测距声呐的出现，改变了以往被动声呐只能侧目标方位，不能测距 离的弱点。因此它被认为是声呐技术的一种重大突破。上世纪9 0 年代使用的 舷侧阵是一种新的被动声呐体制，它是目前舰壳声呐中作用距离最远的声呐。 ( 5 ) 声呐电路采用小型化、系列化、模块化结构。集成电路在现代声呐 中的大量应用，使声呐设备的体积大为减小。采用系列化、模块化结构，使 其电子设备具有很强的适应性，可根据需要选择适当模块构成最佳系统，同 时使系统便于功能扩展。 ( 6 ) 新型换能器材料应用。随着功能材料技术的发展，优良的换能器材 料不断涌现。上世纪5 0 年代发展起来的p z t 压电陶瓷材料，以其较宽的工作 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 温度和优良的机电转换效率，一度成为水声换能器的首选材料。上世纪8 0 年 代发展起来的稀土合金也成为备受关注的新型换能器材料。新型的复合钙钛 矿型晶体材料，也是异军突起的一类很有应用前景的新型功能材料。 声呐技术的发展除了上述几点外，被动目标识别技术的研究和应用、水 声对抗技术、声呐终端显示技术等也发展到了一个新的阶段。 随着声呐技术的发展和新的电子元器件及电路结构的出现，人们对声呐 发射机的要求也越来越高，针对不同的应用场合，对发射机的效率、发射功 率、体积、重量等方面都有特定的要求。 1 3 声呐发射机概述 在主动声u 内系统中，声呐发射机主要负责把特定的频率、特定的调制方 式及脉冲长度等形式的大功率电信号发送到换能器上。发射机的发射频率是 主动声呐的工作频率。目前，整个水声设备的频率范围从几千赫兹到几百千 赫兹。几百千赫兹的工作频率应用在近距离的测深设备和航道测量或海底地 貌图的测量中，较低的工作频率主要用在以探测远距离目标的声呐站中。目 前绝大多数用于探测目的的主动声呐，都采用脉冲调制波。但对于进行水下 通信为目的的主动声呐，也采用连续波。 1 3 1 声呐发射机特点 就工作原理而言，水声发射机与无线电发射机并无多大的差别，只是它 们的负载转换能量形式不同，应用场合不同，导致它们的工作负载不同、工 作频率不同。所以，设计所考虑的问题侧重点有所差异，归纳起来大致有以 下几个方面： ( 1 ) 声呐发射机多数工作在脉冲信号状态下。工作时，发射机发射具有 一定的重复周期t 、一定的脉冲宽度r 和一定的脉冲功率的电信号，这样的 信号加到换能器上去，再由换能器将电能转换为声能辐射到水介质中去。因 此发射脉冲的前沿，即脉冲发射时刻和显示器距离显示的起始点要保持严格 同步。 ( 2 ) 声呐发射机的负载是换能器，它主要负责将电信号转换为声信号， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 并辐射到水中去。因此，换能器的参数反映了负载的性质，同时也决定着换 能器的电声转换效率。为了提高输出信号电压、电流间的品质因数，一定要 在发射机输出端和负载之间进行阻抗匹配，以便获得最大的功率输出，并避 免损坏功率放大器件。 ( 3 ) 为了保证水声设备的战术性能和技术性能，发射机必须能够在恶劣 的工作环境下工作。绝大多数水声设备安装在船舱内，工作温度范围从一1 0 到+ 5 0 。在这样的工作环境下，必须要考虑元件使用的可靠性和稳定性。 1 3 2 声呐发射机常用的功放类型 功率放大器分为a 类、b 类、a b 类、d 类等2 “b 1 ，各种功放电路都有它 们各自的特点。 a 类功率放大器具有良好的线性特性，但功率转换效率太低，理论功率 转换效率为5 0 ，因此不适合作为声呐发射机。b 类推挽功率放大器在对小 信号进行功率放大时，会产生交越失真现象，而且功率转换效率低，理论功 率转换效率为7 8 5 ，实际转换效率在7 0 以下，因此声呐发射机设计较少 采用b 类。a b 类功率放大器很好的解决了交越失真现象，而且在低频有卓 越的线性表现，其功率转换效率比b 类的稍低。d 类功率放大器的功率转换 效率理论值为1 0 0 ，典型值为8 5 。目前，常用的声呐发射机类型为a b 类和d 类。 1 3 3 设计声呐发射机要注意的问题 受声呐发射机的工作环境、工作方式、工作负载以及发射频率等的影响， 在设计声呐发射机时要综合考虑。设计声呐发射机时主要考虑以下几点： ( 1 ) 为了能向负载提供大功率，设计时一般要选择合适的大功率管。根 据不同的设计技术指标选择功率晶体管或集成功率放大器。 ( 2 ) 设计d 类功率放大器时，为了降低功率m o s 管开关损耗、能向负载 提供足够大的功率，要选择和设计合适的功率m o s 管驱动电路。 ( 3 ) 由于水声换能器的阻抗值较大，而一般发射机的电源电压又不是很 高，发射电路无法直接向换能器发送大功率信号，此时要用到升压变压器来 耦合负载。对于不同的发射功率和发射信号频率，要选择和设计合适的阻抗 4 哈尔滨_ 程人学硕+ 学位论文 变换变压器。 。( 4 ) 常用的水声换能器不是纯阻性负载引( 压电陶瓷换能器为容性，磁致 伸缩换能器呈感性) ，为了保障高效率地将发射的电功率传到换能器上，还要 考虑声呐发射机的负载匹配。 ( 5 ) 任何功率放大电路都不可能无损耗地传输功率，功率损耗大部分都 以热量的形式消耗在功率管上，功率管温度过高会影响其性能，甚至烧毁。 因此要对功率管进行合适的散热处理。 ( 6 ) 受使用环境的影响，还要综合考虑发射机的结构和尺寸等。 1 4 论文主要研究内容 论文的主要研究内容是针对应答释放器的研制及进行水下通信实验的需 要，设计实现应答器发射机、水下通信用线性发射机。 根据声呐发射机的特点，论文研究讨论了功放管的特点及选取原则、功 率m o s 管驱动电路的要求和特点以及选取原则、变压器特性及选取原则、 负载匹配电路设计及功率管的热处理等。 结合应答器的应答和通信功能，设计实现基于p w m 技术的发射机，要 求该发射机效率高、体积小、工作稳定等，应答时能发射大功率脉冲信号， 通信时能发射连续信号，其中高效率、小体积、大功率以及连续发射是设计 的重点和难点。 根据水下通信实验要求，设计实现能发送大功率连续信号的水声通信用 通用线性发射机，要求该发射机具有输入增益调节、多个输出负载阻抗变换、 过载保护、过热保护等功能。其中通用性及大功率连续发射是设计的重点和 难点。 哈尔滨二r ：程人学硕十学位论文 第2 章声呐发射机设计的关键问题 2 1 引言 一般声呐发射机由波形发生器、初级放大电路、功率放大电路、匹配网 络、换能器等组成，组成框图如图2 1 所示。波形发生器负责产生一定形式的 信号，通常为电压信号；初级放大电路负责为功率放大电路提供所需要的电 压和电流放大信号；功率放大电路负责为换能器提供大功率的电信号；匹配 网络负责小输出阻抗的功率放大电路与大输入阻抗的负载之间的匹配，保障 高效率地将发射的电功率传到负载换能器上，它主要包括变压器阻抗变换和 调谐匹配两部分；换能器负责把大功率的电信号能量转换为声信号能量辐射 到水介质中去。声呐发射机的设计除了要结合工作频率、工作负载、工作环 境等具体要求外，还要考虑以下关键问题：根据设计要求如何选择合适的功 率管、驱动电路及变压器；如何设计声呐发射机的匹配电路：如何解决功放 管的过热问题等。本章将具体讨论这些关键问题。 图2 1 声呐发射机的组成框图 2 2 功率管 声呐发射机的功率管主要有功率电子管、功率双极性晶体管、可控硅逆 变器、功率场效应管、功率运算放大器等。目前，应用最广泛的功率管是功 率场效应管和功率运算放大器。选择合适的功率管对设计声呐发射机是至关 重要的。在选择功率管前必须先了解它们的特性，然后才。能确定选取原则。 2 2 1 功率运算放大器 随着集成电路技术突飞猛进的发展，运算放大器家族中的功率运算放大 器的发展也极为迅速。目前，功率运算放大器的性能指标已经做到很高，而 且品种多，使用方便。功率运算放大器已大量应用于电子系统的各个领域， 其中也包括声呐设备领域。归纳起来功率运算放大器的特点有”列川： 6 哈尔滨t 程火学硕十学位论文 ( 1 ) 输入电阻高、差模放大倍数大、抑制共模信号能力强及静态电流小； ( 2 ) 输出电阻小( 带负载能力强) 、输出电压线性范围宽、总输出电流大； ( 3 ) 电源电压范围宽，大电流功率运放电源电压达3 0 2 0 0 v ： ( 4 ) 一般功率运算放大器内部都设有限流、限压、过热、过载保护电路； ( 5 ) 外围电路相对简单，应用灵活。可以灵活地设计成同相输入放大电 路、反相输入放大电路、差动输入放大电路、单位增益放大电路； ( 6 ) 单管输出功率大，当输出功率要求超过单只功率运放的输出能力时， 还可以采用两个或多个功率运放并联使用，也可以采用双功率运放的桥式连 接方式； ( 7 ) 因为功率运算放大器工作在线性或准线性放大状态，其输出信号为 失真很小的正弦波，产生干扰较小； ( 8 ) 一般功率运算放大器体积较大，便于安装散热片进行散热处理，但 其占用空间比较大，一不利于发射机做n d , 型化。 功率运算放大器应用于大功率输出场合时，设计上首先需要考虑安全工 作区( s o a 曲线) 的限制”。如图2 2 所示为典型的s o a 曲线图，图中水平 轴k 一以，是放大器输出电流时，降在输出晶体管上的压降。纵轴是放大器两 个方向( 源电流和吸收电流) 的输出电流。安全工作区表示了放大器的功率 传输能力。在应用中应参照手册中功率运放相应的s o a 曲线来设计电路，使 其工作在安全工作区内。 图2 2s o a 曲线图 在实际应用中，因发射机负载换能器为非纯阻性，而容性负载会产生开 通应力，为了使功率运算放大器可靠、稳定地工作，在功率管输出端设计限 流保护是必要的。在声呐发射机中，为了使功率放大级输出尽可能大的电功 7 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 率，其功率级驱动的等效负载一般可小到1 欧姆到1 0 欧姆量级。因此可以通 过变压器耦合方式变换大阻抗值负载。 在设计声呐发射机时，要根据设计参数和工作环境选择合适的功率运算 放大器。选择集成功率运算放大器时主要参考器件工作电源、最大输出电流、 最大输出功率、输出电阻、工作频率范围、最大耗散功率等参数。根据实际 使用情况，综合考虑器件的各个参数，选择性价比较高的器件。 2 2 2 功率m o s f e t 自上世纪8 0 年代以来，出现了若干种新型大功率晶体管钔，其特点是和 c m o s 工艺相结合，克服了早期晶体管输入阻抗低，耐压不高等缺点，如功 率m o s f e t 等。功率m o s f e t 具有极高的输入阻抗、极短的开关时间、无二 次击穿现象、不用均衡电阻就可以方便地将多管并联使用来增加电流输出能 力等优点p 卅忙q 。其中增强型功率m o s 管在声呐发射机设计中应用最为广泛。 为了选择合适的功率m o s 管，有必要先研究一下它的输出特性。 1 输出特性 以栅源电压u o 。为参变量，反映漏极电流毛与漏源电压。间关系的曲 线族称为功率m o s f e t 的输出特性。如图2 3 所示，输出特性分三个区域： 可变电阻区、恒流区、夹断区。 可 变 电 阻 区 图2 3 功率m o s f e t 输出特性 在可变电阻区，。一定时，漏极电流，d 与漏源电压u d 。几乎呈线性关 系，一定的栅压对应一定的沟道，所以改变栅压可以改变器件的电阻值。 在恒流区，各曲线近似为一组横轴的平行线。当u d 。增大时，d 仅略有 增大。因而可将，n 近似为电压。控制的电流源。利用m o s 管作放大管时， 应使其工作在该区域。 哈尔滨j r 稃火学硕士学位论文 在夹断区，。小于阈值电压，导电沟道被央断，不论。值为多大，都 没有漏极电流产生。 2 功率m o s f e t 的选取原则 设计声呐发射机时，选择合适的功率m o s f e t 是非常重要的。选择功率 m o s f e t 时主要关注其以下参数： ( 1 ) 最大漏源击穿电压巧，鼹。根据系统的供电电源，结合具体的电路结 构，应选择漏源击穿电压。比较高的功率管。 ( 2 ) 最大漏极电流，d 。根据实际需要输出的功率，确定流过功率管的电 流值，为了发射机高效稳定工作，应选择最大漏极电流，比实际需要电流 ，d 大两到三倍的功率管。 ( 3 ) 栅电荷q 。为了实现功率m o s f e t 快速开关，除了选择合适的驱动 电路外，还要求功率m o s f e t 的栅电荷要尽可能小。 ( 4 ) 漏源导通内阻r ，播。功率管的漏源导通内阻直接决定着功率管开通时 的功率损耗，功率管开通损耗越大，温度越高，稳定性越差。因此应选择漏 源导通内阻r m 小的功率管。 ( 5 ) 最大耗散功率易。b 等于功率管最大允许结温时，漏极电流与管压 降之积。当功率管实际耗散功率不大于额定最大耗散功率尸，时，最大耗散功 率只，越大的功率管所能输出的功率也越大。 ( 6 ) 功率管封装。任何功率发射机效率都不为1 0 0 ，功率管的温度会随 着实际功率损耗增大而升高，所以要根据实际情况选择热阻小、便于安装散 热片的封装形式。 还有其它一些参数，比如功率管的栅源开启电压大小，功率管的开启关 闭时间等也要考虑。而要选择各个参数都达到最优的功率管也不现实，实际 应用中要折中选择。 2 3 功率m o s f e t 驱动电路口“二3 ， 功率m o s f e t 工作在开关状态时，为了降低开关损耗，提高发射机电源 利用效率，必须对功率m o s f e t 进行驱动。在进行驱动电路设计之前，有必 要了解m o s f e t 的模型、m o s f e t 开关过程、m o s f e t 的栅电荷，以及 m o s f e t 的输入电容、跨接电容、等效电容等等对驱动的影响。 9 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 m o s f e t 的等效模型及参数如图2 4 所示，各部分物理意义为： ( 1 ) l o 和心代表封装段到实际的栅极线路的电感和电阻： ( 2 ) c 1 代表从栅极到源极n 区间的电容，它的值是由结构所固定的； ( 3 ) c ，+ c 4 代表从栅极到源极p 区间的电容。c 是电介质电容，其值是 固定的。而c 4 是由源极到漏极的耗尽区大小决定，并随栅极电压的大小而改 变。当栅极电压从o v 升到开启电压圪s ( t h 】时，c 4 使整个栅极电容增加 l o 1 5 ： ( 4 ) g + g 是由一个固定大小的电介质电容和一个可变电容构成，当漏 极电压改变极性时，其可变电容值变得相当大； ( 5 ) c 6 是随漏极电压变换的漏源电容。 m o s f e t 输入电容c i 站，跨接电容c 傩，输出电容c 。和栅源电容，栅漏 电容，漏源电容之间的关系如下： c i 辎= c g s + c c d2c 1 + c 4 + c 5 c 燃= c c d = c 5 c o 站= c d s + c c d = c 5 + c 6 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 图2 4m o s f e t 等效电路模型 2 3 1 功率m o s f e t 驱动电路的特点拉哪 m o s f e t 为单极型器件，它的输入阻抗高，因而开关速度可以很高，要 求的驱动功率很小，电路相对简单。但是m o s f e t 的极间电容大，因而开关 速度与驱动电路的输出阻抗有关。功率m o s f e t 驱动电路的特点有： ( 1 ) 驱动电路简单。由于功率m o s f e t 的栅极与漏极是隔离的，所以功 率m o s f e t 在稳态时，栅极不需要持续的开通电流，当功率m o s f e t 被丌 l o 哈尔滨 j 程大学硕士学位论文 通后，由于输入端的高阻抗，驱动电流几乎为零，因此驱动功率小。同时控 制电荷和存储时间也大大减小，这基本上消除了通态压降与关断时间进行折 中的设计，所以功率m o s f e t 的驱动电路比双极型器件的驱动电路简单。 ( 2 ) 驱动负载呈容性。这主要是因为功率m o s f e t 的栅源输入端相当于 一个容性网络。从功率m o s f e t 的等效电路图2 4 可以看出，功率m o s f e t 导通后栅源极无电流通过。理想栅极驱动电路等效图如图2 5 所示。图中k 。 为等效开启丌关。k ；闭合后接通充电回路。k ：为等效关断开关，足，控制输 入电容c 触的放电。k 和k ，在任意时刻都是处在一个开启另一个关闭的相反 状态。不管开启时电路的等效电阻r 。和关断时电路的等效电阻尺。盯的大小， 也不论充电速度如何，开通期间传输的能量和关断期间损耗的能量，完全由 功率m o s f e t 器件的输入电容c 协和栅源开启电压圪。的大小所决定，而与开 通等效电阻r 。和栅极电流的大小无关。 如 图2 5 理想栅极驱动电路等效图 2 3 2 功率m o s f e t 驱动电路类型 根据驱动电路与栅极的连接方式可分为：直接驱动和隔离驱动。直接驱 动分为分立元件驱动和集成驱动电路驱动；隔离驱动分为电磁隔离和光电隔 离两种，在声呐发射机设计中隔离驱动用的很少。分立元件驱动和集成驱动 电路有它们各自的特点： 1 简单分立元件驱动 最简单的分立元件驱动电路如图2 6 所示，是用两个三极管接成集电极 跟随的方式直接驱动功率m o s f e t 。这种方式可以产生足够的栅源电压使器 件导通。由于外接负载电阻r l 须有一定大小，以限制三极管t 2 的低电平输 出时的功率散耗，在驱动容性负载时降低了充电速度，因而开关速度不是很 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 高，高频驱动时对三极管的特征频率厶要求也高。此种驱动电路要求元器件 少，而且器件便宜，比较适用于低频驱动电路。 图2 6 简单分立元件驱动电路 2 集成驱动芯片驱动电路 利用集成驱动芯片驱动功率m o s f e t ，电路结构简单、稳定、可靠。而 且集成驱动芯片种类多，有单路输出和多路输出驱动芯片。大部分集成驱动 芯片内部都有过流、过压、过热、输出短路保护等功能。集成驱动芯片还有 更为显著的优点，如输出内阻小、输出峰值电流大、有较宽的供电电压范围、 较高的功率损耗、最高工作频率高、体积小等。但其价格较高。集成驱动芯 片在声呐发射机设计中应用比较多。如图2 7 所示为集成驱动芯片驱动电路。 v c c f 图2 7 集成驱动芯片驱动电路 2 3 3 驱动电路选取原则 栅极电荷q g 与栅源电源u g 。之问的函数关系称为栅极电荷特性，其特性 曲线如图2 8 所示伫引。骁表示功率m o s f e t 的电容( c g d + c g s ) 从0 v 充电到 1 0 v 所需的电荷总量。栅极电荷的多少与漏极电流无关，仅随栅源电压的变 化而变化。 1 2 哈尔滨一r = 程大学硕十学位论文 u 翻v ) 1 0 q c ( n c ) 图2 8 栅极电荷特性曲线 栅极电荷瓯由三部分组成：q o 。，q o d 和q g 。：。充电开始，电荷流入栅 n i b - 电容c 乙。，直到漏极电流出现，漏源电压开始下降为止。在这段时间内c o 。 上积聚的电荷量为q g 。，在。下降期间，u o 。维持不变，但栅漏电容c g d 不 停积累电荷，直到功率m o s f e t 饱和导通为止。这段时间c g d 上积累的电荷 为q o d 。以后，随着u o 。的增高，虽然c g 。仍在积聚电荷，但大部分电荷被c g d 储存。这段时间内栅极上积聚的电荷为q g 。：。总的栅极电荷骁等于三者之和。 利用这一特性曲线，可以在给定的开关速度要求下，求得所需的栅极电 流估算值，这对驱动电路选取是一个重要的依据。 有效电容g 。为： c i c = 瓮 p 4 ， 式中：c i 。为有效电容，f ；q g 为栅极电荷变化量，c ；s 为栅源电压变 化值，v 。 驱动电流芘e 为： j g e = 了a q o ( 2 - 5 ) 式中：气e 为驱动电流，a ；a q o 为栅极电荷变化量，c ：t 为栅极电荷的充 电时间，s 。 栅极所需驱动功率珞。为： 气。2 q o u g s f ( 2 - 6 ) 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 式中：气。为栅极所需驱动功率，w ；q o 为所需要的栅极电荷，c ；。为 栅源电压，v 厂为信号的频率，h z 。 2 4 变压器 2 4 1 变压器的功能 当声呐发射机的功率管输出电压幅度较低，实际负载换能器的阻抗值很 大，而又要求发射机实现大功率发送信号时，就需要采用升压变压器耦合负 载。功率变压器在声呐发射机中起着重要的作用，它的主要功能有： ( 1 ) 进行功率传输。在声呐发射机中功率变压器将功率管输出的能量通 过电磁转换形式传输到换能器负载上。 ( 2 ) 通过改变初级和次级线圈匝数比，实现升压或降压输出。假定理想 变压器初级线圈匝数为n 1 、次级线圈匝数为n 2 、初次级匝数比为n 、初级电 压为，( 单位为v ) 、次级电压为咋2 ( 单位为v ) ，则变压器初次级匝数和 初次级电压之间的关系为： 土：巫：鱼( 2 - 7 1 一= 一= 一 - 押2 2 ( 3 ) 实现阻抗变换。假设变压器的初次级匝数比为l ：n ，变压器次级所 接电阻为r l ( 单位为q ) ，等效到变压器初级的电阻为r l 初( 单位为q ) 。它 们之间的关系是： m k 摆 ( 2 - 8 ) ( 4 ) 通过增加多个不同的匝数比，可以获得不同多路输出电压。 ( 5 ) 变压器起到输入和输出之间耦合的作用。为了安全，声呐发射机要 求离线供电或高压和低压不能共地，变压器能提供安全隔离。 2 4 2 变压器的选取原则 声呐发射机用变压器的选取原则可以参考开关电源用变压器选取条件， 在开关电源变压器应用中，一直遵守如下条件选择变压器p “”矧。 1 = k r f b 。a 。n 1 ( 2 9 ) 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 式中：。为初级电压，v ；k ，为波形系数( 正弦波为4 4 4 ，矩形波为4 ) ；f 为丌关管工作频率，h z ：b 。为变压器的工作磁通密度( 也称工作磁感应强 度，单位为t ) ；彳。为磁芯横截面积( 也称有效磁通面积，单位为m2 ) ；n l 为 初级线圈匝数。 由上式可以看出，初级线圈电压一定时，通过提高工作频率可以选择较 低的工作磁通密度，较小的磁芯横截面积，也即是说可以选择尺寸较小的变 压器。同样，若磁性材料的磁感应强度较大，有效磁通面积较大，变压器的 工作频率可以很低。 目前，在开关电源用变压器中，应用最多的材料是软磁铁氧体。铁氧体 又称亚铁酸盐，是由几种金属氧化物与铁的氧化物在高温烧结中产生的复合 氧化物。软磁铁氧体按其成分主要分为两类：锰锌铁氧体和镍锌铁氧体拉引。 锰锌铁氧体主要应用于5 0 0 k h z 以下的低频，但在工作频率低于l k h z 以下时 不适用。在高频段锰锌铁氧体随着频率的增加磁致损耗增加，其性能不如镍 锌铁氧体，镍锌铁氧体主要工作于4 0 0 k h z 以上的频率段p ”1 。低频声呐发射机 变压器多选择锰锌铁氧体材料，目前，市场上锰锌铁氧体有各种形状的磁芯 材料可供选择，而且价格较便宜。 锰锌铁氧体的饱和磁感应强度约为4 9 0 m t 5 1 0 m t ，在实际应用中选择 工作磁通密度最大值要小于饱和磁感应强度的一半。不同的磁芯结构和尺寸 大小有不同的有效磁通面积。设计中要根据具体需要选择合适的磁芯。 2 5 匹配电路 声呐发射机的组成框图里有一部分是匹配网络，它包括变压器的阻抗变 换和负载的调谐匹配电路。变压器的阻抗变换主要负责变换换能器的有功电 阻，使之与发射机的输出负载相等或相近，实现最佳的功率传输匹配，这一 点在2 4 节中已经进行了讨论。本节主要讨论发射机的负载阻抗匹配电路。 声呐发射机的负载是电声转换器，又称为声呐换能器。声呐换能器不是 纯阻性负载，压电换能器呈电容性，磁致伸缩换能器呈感性。负载阻抗匹配 电路的任务就是将电抗性负载变换为纯阻性负载，使负载上的功率因数最大。 负载阻抗匹配又分为窄带匹配和宽带匹配两种情况。窄带匹配又称为单谐振 喻尔溟一i 样人。子：硕十学位论文 匹配，单谐振匹配有串联匹配和并联匹配卜”1 。窄带匹配简单适用，主要应用 于发射信号为单频或信号带宽较窄的场合。对于宽带声呐系统，由于换能器 的阻抗在宽带内是起伏的，而且无法用解析式表示，因此换能器宽带匹配实 现起来比较困难。关于换能器宽带匹配技术研究，国内7 2 6 所和中科院声学 所做过一些研究，取得一定成果弘。串联和并联匹配原理相同，下面只简要 讨论窄带匹配中的并联匹配。 如图2 9 所示，虚线框内为压电陶瓷换能器工作在某一频率时导纳并联 等效电路图。其中g 0 ) 为换能器的等效电导，b 0 ) 为换能器的等效电纳。 当在输入端1 2 1 并联一个电感元件时，输入电路的导纳】，) 为： 】，o ) = g 白) + b o ) 一万1 ( 2 - 1 。) 当并联谐振时，输入导纳为最小，或者说输入阻抗z 慨) 在纨处最大。 z ) 2 硐1 ( 。2 - 1 1 ) 压电陶瓷换能器的并联等效导纳b 0 ) = 以，c 为换能器在频率彩处的 等效电容( 单位为f ) ，并联谐振时的谐振频率f o ( 单位为h z ) 为： f o2 i 赢( 2 - 1 2 ) 2 死l c j 匹配电感( 单位为h ) 为： 2 而而1 2 t 1 0 9 0 2 c ( 2 - 1 3 ) b ( 缈o ) 缈o 、7 工作带宽尻，积为： = 詈= 警 ( 2 - 1 4 ) 式中：罡，册为匹配后的工作带宽，h z ：f o 为并联谐振频率，h z ；r 为工作 频率匕换能器的并联等效电阻。q 。 1 6 哈尔滨工程人学硕十学位论文 l l i i 喂由) l i ：。，t 一一 图2 9 换能器并联匹配等效电路图 由于换能器的阻抗是随着工作频率的变化而变化的，所以实际设计的匹 配电路往往达不到理想状态，只是根据具体的换能器做到近似匹配。 2 6 功率管的散热处理5 ”3 任何功率发射机其电源利用效率都不是1 0 0 ，即使电源转换效率最高 的d 类发射机，典型值也只有8 5 。那些没有发射到负载上的电功率能量大 部分被功率管耗散掉了。功率管消耗的功率被其内部的电阻转换成热量。功 率管越热，它的性能越差，且容易出现故障。因此选择合适的散热器对电子 功率器件很重要。 一个安装了散热片的i c ，热量从i c 的硅层流过封装材料到达外壳，再 通过外壳和散热片之间的接口到散热片，最后到达周围的空气。它们之间的 热关系可以用公式表述如下。 乃= l + p ( o j c + o 岱+ o 鲥) ( 2 1 5 ) 式中：丁，= i c 的硅结温度，； l = 环境温度( 紧紧包围封装的空气温度) ，： p = i c 必须消耗的功率，w ； = 结与外壳之间的热电阻，w ： o 似= 外壳与散热片之间的热电阻，w ； o 。= 散热片和空气之间的热电阻，。c w 。 硅结的温度保持得越低，i c 无故障工作的时间就越长。具体芯片硅结温 度不同，制造商会提供具体i c 的硅结温度。 热电阻表示热量流过封装材料时，i c 会变热多少。它用消耗每瓦特功率 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 温度升高多少摄氏度来衡量。结与外壳的热电阻，即o ，由制造商封装硅 晶片的方式决定。 在i c 外壳和散热片之间的接口是很重要的，最简单的技巧是在i c 和散 热片之间应用大量的散热器涂层，润滑油或者混合物。这填补了表面的不完 整，有助于热量传输到散热片。润滑油或导热硅脂的热阻为： o c s = 0 2 c w ( 2 - 1 6 ) 确定外壳的最常用方法是用温度传感器测量外壳温度，具体可以通过实 验做到这一点，确保设计符合规格说明。或者可以搭建一个温度监控器，测 量外壳温度并且在变得太热时采取某些措施保护电子器件。 散热器越大，它包含的散热片就越多，热量就更容易通过它散发到周围 的空气中去。热电阻与散热器的表面积成反比。大的散热器的热电阻很小且 热量很容易通过它，保持i c 结冷却。这是对热元件唯一可以施加很大影响的 部分。如果想要不同的热电阻，就选择不同的散热器，但是一定要结合所使 用的空间。由式( 2 1 5 ) 可解出散热器允许的最大热电阻。 7 1 一丁 o 期一= 型竺 迎一。掰一。岱 ( 2 1 7 ) r l ( ：嗽 在静止的空气中，紧挨在散热片周围的空气层温度可能大大高于几厘米 远以外的空气温度。这提高了l ，这时除了使用更大的散热器外，也可以用 风扇强制空气通过散热片。这样就可以把热量从散热器表面散走了，空气运 动的越快，从散热器上散开的热量就越多，散热器的热阻就会降低。散热器 制造商一般都给出强制空气冷却的定量效果。 2 7 本章小结 本章首先介绍了声呐发射机的结构框图，然后结合声呐发射机的特点对 框图中各部分设计时要注意的问题进行了探讨。通过讨论了集成功率运算放 大器的特点，功率m o s f e t 的工作原理、基本特性，功率m o s f e t 驱动电 路的特点及要求、声呐发射机设计中常用驱动电路的类型，变压器的功能及 特点，给出了它们的基本选取原则。同时讨论了发射机的负载匹配；功率管 的热处理等问题。 1 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第3 章应答释放器发射机设计 3 1 引言 论文研究设计应答释放器的发射机。应答释放器是应答器与声学释放器 的结合体，它除了能满足水声定位实验要求的应答和信标功能外，还能满足 控制声学释放器释放锚定沉块，实现浮体带着仪器上浮的功能。此外，它还 具有通信功能，能将其它仪器的信号编码向外发送。为了能更好地实现应答 和通信功能，要求发射机：应答( 或信标) 时能发送脉冲信号，通信时能发 射连续信号；同时要求发射机体积小、效率高、工作稳定等。 3 2 主要技术指标 结合应答器的特点和要求对发射机提出以下技术指标。 发射机的设计参数： 工作频率：1 0 k h z - 15 k h z ； 信号形式：c w 脉冲和连续波两种情况： c w 脉冲形式：脉冲周期为1 s ，脉冲宽度2 0 m s ； 发射功率：3 0 0 w ( c w 脉冲形式) ，3 0 w ( 连续波实验用) ； 供电系统：电池供电； 工作环境：密封罐内。 此外，要求发射机有两种工作模式，正常发射信号模式和断电待机模式。 通过数字处理板发出控制信号。 3 3 方案的确定 常用声呐发射机的类型有a b 类和d 类，而a b 类为线性发射机，其输 入信号一般为正弦波，d 类发射机的输入信号为经过调制的矩形波。线性发 射机和d 类发射机相比有其自身的优缺点： 主要优点是非线性失真小，输出电压线性可调。主要缺点有： ( 1 ) 线性功放电路相对比较复杂。 ( 2 ) 线性功放电源利用效率偏低，b 类线性功放理论效率只有7 8 5 ，实 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 际效率不足7 0 。a b 类线性功放的效率还要低一些。而d 类功放的理论效 率为1 0 0 ，典型值也有8 5 。 ( 3 ) 为了降低功率管的温度，需要加更大的散热片( 有时甚至还要加风 扇散热) ，所以整机体积较大。 ( 4 ) 线性功放的放大驱动级需要设置合适的静态工作点，调试起来比较 复杂，维修起来与d 类功放相比也比较复杂。 本文研究设计的应答释放器发射机有以下几点要