相控阵多普勒测流仪发射机电路设计

杭 亮

（中船重工集团公司第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

0 引 言

相控阵多普勒测流仪是以相控阵原理为基础，利用声波在水中的多普勒效应而制成的一种高性能测量流速和流向的仪器，该产品主要应用于港口海流监测以及内河流水纹监测。目前，国外市场上已有类似测流设备，在国内市场上利用相控阵技术的情况还很罕见[1]。

为了发挥测流仪相控阵的优势，发射机必须有较高的声源级和可靠的稳定性，发射机性能的好坏直接影响到相控阵的作用距离和工作频带等性能，从而也关系到测流仪的整体工作状态[2]。

本研究提出一种采用D类功率放大、输出功率可调的水声信号发射机，该发射机具有效率高、体积小及抗干扰能力强等特点。

1 发射机的原理和组成

发射机主要由信号产生模块，功率放大器、保护自检电路、匹配滤波模块及换能器组成，原理框图如图1所示。

信号处理板输出脉冲信号，经驱动电路输出功率放大器控制信号，经功率放大和匹配电路后，驱动相控阵换能器工作，将电信号转化声信号，发射到水中[3]。

图1 发射机原理框图

发射机的主要设计指标为输出电功率不小于100 W，两路输出信号相位差180°，误差≤1.5°，幅度不一致性≤1 dB。

1.1 驱动电路

驱动电路主要功能是：利用门电路形成两路控制信号，经驱动芯片IR4427驱动放大信号以控制功率放大电路中IGBT开通断状态[4]。

驱动电路框图如图2所示。

图2 驱动电路框图

为了防止功率放大器中功率管同时开通，引起短路烧坏，本研究采用RC延时，将两路信号间隔开，间隔时间为200 ns左右。

1.2 功率放大电路

为了降低相控阵多普勒测流仪整体功耗，该设计采用了推挽式D类功率放大器，该放大器的效率可高达90%以上，在感性负载时，转换效率更高，并且具有体积小、重量轻及发热量小等优点[5-6]。

该功率放大器基本原理如图3所示。

图3 功率放大器

图3中，当Q1导通时Q2截止，线性可调DC-DC模块输出高压经变压器初级线圈与Q1形成回路。Q2导通时Q1截止，DC-DC模块输出高压Vcc经变压器初级线圈与Q2形成回路，两个半周期的信号经过变压器耦合放大后，输出完整的正弦波信号。其中，C1，R1和C2，R2组成电压尖峰网络，防止漏源极间电压过高，D1，D2为稳压二极管，R3，R4为限流电阻，C3为储能电容。

1.2.1 储能电容容值

鉴于该发射机技术条件要求，单路输出功率不小于50 W，按惯例功率管输出应该不小于P′=1.5P=75 W。该功率放大器高压为30 V，当发射信号时瞬间电流很大，所以本研究通过并联C3储能电容方式提高驱动能力。

电容容值计算：

式中：P′—发射功率，γ—发射信号最大脉宽长度，Q—电容能量，V1—发射前电压，V2—发射后电压，C—电容容值。

其中P′=75 W，γ=4 ms，V1=30 V，按电容下降5%计算，V2=28.5 V，则V2=6857 μF，该设计中取10 000 μF/50 V电容，完全满足发射需求。

1.2.2 变压器参数

变压器初次级线圈匝比n=U1/U2，其中：

式中：U1—变压器初级线圈电压，U2—次级输出电压，Vcc—DC-DC输出最大电压，Vce—功率管压降，P—单路输出功率，RL—等效负载。

变压器的匝数比为：

实际使用中，匝数比取理论值的1.5倍，n=1/3.75，该设计中匝数比取1∶3.8。

变压器初级线圈电感量[7-8]为：

式中：f0—测流仪工作频率。

现已知初级线圈电感量，可确定变压器初级线圈匝数，从而推出次级线圈匝数，该设计中变压器为外协厂商定做。

1.2.3 功率管选择

功率管最大电流为：

功率管开关时间为：

式中：ton—功率管开通时间；f0—信号频率，150 kHz。

功率管最大方向电压：

该电路中选取了N沟道的IGBT管40N6S2D[9]，该功率管大量应用于大功率的开关电路中，各项参数都符合设计要求。

1.3 匹配网络

该设计采用串联电感匹配，可以有效抑制电源输入方波中谐波，减轻功率管负担[10-11]。

电感串联匹配示意图如图4所示。

图4 电感串联匹配

由测流仪换能器水池测试报告可知，换能器在150 kHz的电导G=8.2510mS，电纳B=2.031 0 mS。

则：

2 实验验证

该实验通过测量发射换能器两端电压峰峰值Vpp，计算出负载功率，换能器上所测正弦波如图5所示。

图5 电感串联匹配

图5中:Vpp≈235V，笔者计算出换能器全阵负载功率P=Vpp/4RL≈135 W，符合输出功率大于100 W，两路信号相位误差1°，幅度不一致性小于1 dB，符合设计要求。此外，该发射机在水池（国家水声一级计量站测量）测量，声源级最高达217 dB。在千岛湖试验站，测流仪最远作用距离280 m，完全达到预期设计指标200 m。

3 结束语

本研究结合了便捷式水声通信设备的特征，设计了一种小型高性能的水声信号发射机，发射机采用了D类推挽式功率放大器，进行了精确的阻抗匹配，使得换能器能获得最大的输出功率，增加了测流仪作用距离。该发射机已经装列在测流仪的正式产品之中，经过两年多的水池、湖试测试以及市场客户使用反映，其故障率低，实际应用结果表明该发射机具有较高稳定性，从而提高了测流仪整体质量。

（References）：

[1] 田 坦，刘国枝，孙大军.声纳技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005.

[2] 邹明达，徐继渝.船用测速声纳原理及其应用[M].北京：人民交通出版社，1992：20-51.

[3] 严孝海.高频声纳发射机研究与设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.

[4] 谢嘉奎，宣月清，冯 军.电子线路[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 苏开才，毛宗源.现代功率电子技术[M].北京：国防工业出版社，1995:35-65.

[6] 林 云.D类功率放大器的原理与应用[J].电子制作，2007（11）：50-60.

[7] 王瑞华.电子变压器设计手册[M].北京：北京科学技术出版社，2003.

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[10] 魏守水.超声电机阻抗匹配变压器的设计[J].电机与控制学报，2000，4（1）：14-16.

[11] 鲍惠善.压电换能器的动态匹配[J].应用声学，1998，17（2）：14-21.