一種基于全橋拓?fù)涞穆晠劝l(fā)射機(jī)功率電路設(shè)計(jì)

葛印超，馮?；?，楊 力

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；2. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190)

一種基于全橋拓?fù)涞穆晠劝l(fā)射機(jī)功率電路設(shè)計(jì)

葛印超1，馮常慧1，楊 力2

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；2. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190)

聲吶發(fā)射機(jī)完成特定形式的電信號(hào)的功率放大，通過發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)輻射到水中。介紹了全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理和基本電路結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了高輸入電壓下全橋功率電路設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)，完成了全橋電路設(shè)計(jì)、利用 ADuM5230 芯片搭建驅(qū)動(dòng)電路及相關(guān)波形設(shè)計(jì)，完成功率電路的制作和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)室可靠性測(cè)試表明，該全橋拓?fù)涔β孰娐饭ぷ餍阅芰己?，滿足設(shè)計(jì)要求。

聲吶發(fā)射機(jī)；全橋拓?fù)?；漏感尖峰；?qū)動(dòng)電路

0 引 言

提高發(fā)射機(jī)輸出功率是提高聲吶探測(cè)距離的最直接方法。提高發(fā)射機(jī)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?fù)潆娐肥茏儔浩鲃?lì)磁電感和漏感尖峰影響[1]，功率管兩端需承受的電壓應(yīng)力可達(dá)母線電壓的 3 倍以上，對(duì)功率管耐壓指標(biāo)要求很高。使用全橋拓?fù)潆娐房梢杂行Ы档碗娐穼?duì)功率管的最大耐壓值要求，提高電路工作可靠性。

1 聲吶發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

聲吶發(fā)射機(jī)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大電路、匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射換能器 4 部分構(gòu)成。發(fā)射機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)組成如圖 1 所示。

聲吶發(fā)射機(jī)信號(hào)頻率大多在音頻范圍內(nèi)，通過現(xiàn)有 MOSFET 開關(guān)器件組成的開關(guān)電路可以方便地實(shí)現(xiàn)功率放大。功率放大電路的設(shè)計(jì)需要考慮到發(fā)射機(jī)電源電壓、發(fā)射聲源級(jí)需求、輻射阻抗等因素的限制，實(shí)際選擇需要多方面考慮。

對(duì)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(guān)管兩端會(huì)產(chǎn)生很大的漏感尖峰，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成開關(guān)管的擊穿，在推挽拓?fù)渲性摤F(xiàn)象尤為明顯。全橋電路由于自身電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠有效鉗制開關(guān)管兩端的電壓尖峰，保證電路穩(wěn)定工作。

2 全橋拓?fù)涔β孰娐吩O(shè)計(jì)過程

全橋拓?fù)潆娐分饕?4 個(gè)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(dǎo)通。VD1～VD4 為鉗位二極管。當(dāng)Q1和Q4關(guān)斷時(shí)，在變壓器勵(lì)磁電感和漏感的作用下，其漏源級(jí)之間會(huì)產(chǎn)生很大電壓尖峰。VD2 和 VD3 導(dǎo)通，使變壓器初級(jí)兩端電壓鉗制在輸入電壓Vdc附近。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，變壓器初級(jí)漏感儲(chǔ)存能量通過鉗位二極管釋放[2]。勵(lì)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(dǎo)通或關(guān)斷的時(shí)，每個(gè) MOSFET 漏源級(jí)電壓應(yīng)力始終保持在直流電壓Vdc附近，有效降低了變壓器勵(lì)磁電感和漏感尖峰的影響[3]。

2.1 功率管選擇

功率電路設(shè)計(jì)中，MOSFET 的選擇至關(guān)重要，需要考慮的參數(shù)很多，主要有最大漏源電壓、最大漏極電流、導(dǎo)通內(nèi)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(yīng)力為輸入直流電壓Vdc，避免了漏感尖峰對(duì)功率管耐壓的苛刻要求。在選擇開關(guān)管時(shí)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(dǎo)通內(nèi)阻Rds

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

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

3）最大漏極電流。

在連續(xù)導(dǎo)通時(shí)，MOSFET 處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)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(gè)最大電流的器件便可。

4）柵源電荷

對(duì)于高速開關(guān)電路，MOSFET 柵極與源級(jí)之間存在不可忽略的極間電容，為高開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗，需要選擇柵電荷盡量低的功率管。

該聲吶發(fā)射機(jī)要求發(fā)射頻率 25~35 kHz，輸入電壓500 V，單路輸出瞬時(shí)功率 600 W。經(jīng)過計(jì)算選擇IXFH6N120P 作為功放管。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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(jí)電流。但在 MOS 管導(dǎo)通過程中，柵源級(jí)之間有一個(gè)較大的不可忽略電容，為快速導(dǎo)通或關(guān)斷，需要柵極驅(qū)動(dòng)電流足夠大。MOSFET 柵源級(jí)、柵漏極等效電路如圖 3 所示。C1為柵源級(jí)電容，即輸入電容Ciss；C2為柵漏極電容，即反向傳輸電容Crss。驅(qū)動(dòng)電路提供的柵極電流Ig包含I1和I2兩部分，分別對(duì)應(yīng)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(dá)到設(shè)計(jì)要求，柵源電壓VDS要達(dá)到 6 V 以上，選取滿足要求的柵源電壓為 10 V。驅(qū)動(dòng)過程中柵極電壓上升是個(gè)較復(fù)雜的過程，由于柵極電壓上升時(shí)間很短，可合理假設(shè)該電壓為線性上升。

在t1時(shí)間內(nèi)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓上升到 10 V，所需驅(qū)動(dòng)電流I1平均值為：

然而，柵極電壓到達(dá) 10 V，漏極導(dǎo)通，漏源級(jí)電壓由Vdc下降為導(dǎo)通壓降VDS。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可忽略VDS，這樣C2的上端電勢(shì)下降了Vdc，而下端電壓上升10 V，即所謂“米勒效應(yīng)”。完成該過程所需的電流為：

要求開關(guān)管的開關(guān)管時(shí)間小于發(fā)射周期的 10%，則可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電路需提供的最小電流為 50.6 mA。

ADuM5230 是一種 MOSFET/IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片，每片可驅(qū)動(dòng)兩路功率管，且輸出電壓相互隔離；其驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)要求的驅(qū)動(dòng)電流，保證 MOSFET 的快速通斷；最大輸出電壓 18 V，滿足電路設(shè)計(jì)需求。

全橋電路中同組的 2 個(gè) MOS 管工作狀態(tài)相同，需要提供相同相位的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，Q1源級(jí)電平為 +Vdc（稱為高端電壓，High side），Q4源級(jí)電平為 0（稱為低端電壓，Low side）。ADuM5230 芯片內(nèi)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(shè)計(jì)要求，保證驅(qū)動(dòng)電路不因兩路查分電壓過高而損壞。利用該芯片搭建的驅(qū)動(dòng)電路如圖 3 所示。

2.3 死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)

由全橋拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)易知，如果Q1、Q3或Q2、Q4同時(shí)導(dǎo)通，將會(huì)使電源短路。為避免這種危險(xiǎn)，應(yīng)在兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間加入“死區(qū)時(shí)間”，使每個(gè)功率管的導(dǎo)通時(shí)間不超過半周期的 90%，保證不會(huì)存在直通隱患[1, 6]。驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由2個(gè)存在一定相位差的控制信號(hào)產(chǎn)生，波形如圖 4 所示。

2.4 RCD 吸收電路設(shè)計(jì)

使用的 RCD 緩沖電路如圖 5 所示。

3 可靠性測(cè)試

完成聲吶發(fā)射機(jī)要求的全橋功率電路板（在同一塊電路板上）調(diào)試后，進(jìn)行了大功率發(fā)射可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

功率電源供電電壓為 500 V，電路負(fù)載為 550 Ω/600 W功率電阻，發(fā)射頻率為 25 kHz 的 CW 波，脈沖時(shí)間長(zhǎng)度 200 ms，占空比 0.2。測(cè)試 3 個(gè)工作周期，每個(gè)周期連續(xù)工作 20 min，每 2 min 測(cè)量并記錄其中一個(gè) MOSFET 器件和驅(qū)動(dòng)芯片溫度變化數(shù)據(jù)；測(cè)量負(fù)載端波形，此過程中電路板不附加任何散熱措施。測(cè)試結(jié)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(qū)動(dòng)芯片溫度為 63 ℃，且都趨于穩(wěn)定，證明電路能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

由于手工繞制的實(shí)驗(yàn)用變壓器不夠規(guī)范，電壓波形尚存在一定的尖峰，但該尖峰幅度遠(yuǎn)小于相同實(shí)驗(yàn)條件下推挽拓?fù)涔β孰娐返碾妷杭夥澹ㄐ屋^為穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(duì)功率管耐壓值的要求，提高電路工作穩(wěn)定性。利用 ADuM5230 驅(qū)動(dòng)芯片的輸出隔離特性設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路可以良好地解決高輸入電壓條件下電勢(shì)差過大的問題。死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)杜絕直通現(xiàn)象的發(fā)生，RCD 吸收電路可吸收變壓器漏感能量，改善 MOSFET 開關(guān)特性，提高電路穩(wěn)定性。經(jīng)過可靠性測(cè)試，驗(yàn)證電路工作可靠性，說明該全橋拓?fù)涔β孰娐肪哂幸欢ǖ膶?shí)用價(jià)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(fā)射機(jī)研究與設(shè)計(jì)工作。