一種寬頻帶輸出變壓器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊許文

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明，650051）

水聲發(fā)射換能器是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成水聲信號(hào)的裝置，在頻帶范圍內(nèi)，水聲換能器的阻抗變化非常大，一般從幾十Ω到幾千Ω甚至更大。當(dāng)使用水聲發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)水聲換能器進(jìn)行聲功率信號(hào)發(fā)射時(shí)，為了使發(fā)射系統(tǒng)的電功率到聲功率轉(zhuǎn)換效率高，不僅需要發(fā)射機(jī)性能良好，同時(shí)需要換能器和發(fā)射機(jī)之間阻抗匹配良好，從而獲得大的輸出功率和高的能量轉(zhuǎn)換效率，因此發(fā)射機(jī)中輸出變壓器是必不可少的，輸出變壓器可將換能器的阻抗變換至合適的值，實(shí)現(xiàn)與水聲發(fā)射機(jī)的輸出級(jí)變阻匹配。

與普通變壓器相比，寬頻帶的輸出變壓器有著自身一些特點(diǎn)：如匝比較大，高阻抗應(yīng)用時(shí)匝數(shù)多，初、次級(jí)錯(cuò)開(kāi)繞制，分段繞制等。這些特點(diǎn)決定了其漏感較大，寄生電容、寄生電阻等寄生參數(shù)難以忽略。本文針對(duì)寬頻帶輸出對(duì)變壓器的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于通用水聲發(fā)射機(jī)的寬頻帶輸出變壓器，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，表明該方案實(shí)際可行。

1 寬頻帶輸出變壓器

寬頻帶發(fā)射機(jī)的輸出匹配一般分為調(diào)諧匹配和變阻匹配[1-2]，本文主要介紹變阻匹配的一種現(xiàn)實(shí)方法。寬頻帶輸出變壓器匹配法中變壓器的作用是將高阻值的負(fù)載轉(zhuǎn)換成低阻值，接入系統(tǒng)的輸出端。變壓器的變比為N，負(fù)載阻抗為RL，變換到電路端的等效阻抗R′滿足：

寬頻帶輸出變壓器設(shè)計(jì)要求不少于8個(gè)步階的變化，實(shí)現(xiàn)幾百Ω至幾千Ω范圍內(nèi)負(fù)載變阻匹配，因此變壓器采用多個(gè)抽頭的形式擴(kuò)展系統(tǒng)負(fù)載變換范圍，變壓器的次級(jí)引出多個(gè)抽頭，根據(jù)不同的負(fù)載阻抗由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制連接到不同的抽頭，實(shí)現(xiàn)輸出變阻匹配。

2 寬頻帶輸出變壓器模型

2.1 寬頻帶輸出變壓器特點(diǎn)

由法拉第定律可導(dǎo)出變壓器的匝數(shù)關(guān)系式為[3]：

式中，N為一次繞組匝數(shù)；V為變壓器初級(jí)供電電壓，V；AC為磁芯窗口面積，cm2；BAC為交流磁通密度，T；f為最低工作頻率，Hz；K為波形系數(shù)，方波時(shí)取4.0，正弦波時(shí)取4.44。從式（2）可知，變壓器的匝數(shù)與頻率成正比，頻率較高時(shí)，變壓器匝數(shù)較少，可采取銅箔作為繞制導(dǎo)線；而低頻時(shí)，匝數(shù)較多，一般需要采取多繞組層繞制的方式。

在同一個(gè)變壓器中實(shí)現(xiàn)寬頻帶匹配的應(yīng)用，需兼顧低頻和高頻的要求，對(duì)其設(shè)計(jì)和繞制工藝等提出很高要求。本文在不同的頻帶上采取不同的模型：高頻時(shí)采用并聯(lián)模式，低頻時(shí)采用串聯(lián)模式，從而在同一個(gè)變壓器中兼顧了高頻及低頻對(duì)變壓器不同要求。

2.2 變壓器并聯(lián)模型

高頻時(shí)，變壓器匝數(shù)不多，繞制簡(jiǎn)單，以銅箔作為繞制導(dǎo)線可降低趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的損耗。低頻時(shí)匝數(shù)多，銅箔導(dǎo)線繞制變得復(fù)雜且難于繞制，因此采用銅排圓導(dǎo)線并行繞制方式代替銅箔，這是一種很好的近似。導(dǎo)線直徑為r的圓形導(dǎo)線可等效為邊長(zhǎng)為d的正方形導(dǎo)體[4]：

圖1為六根導(dǎo)線并排在環(huán)形磁芯上繞制示意圖，多根導(dǎo)線相互絕緣，每個(gè)導(dǎo)線可看成一個(gè)變壓器抽頭，最終導(dǎo)線終端連接在一起。這種情況下，可以等效成多個(gè)變壓器并聯(lián)，只是這些變壓器共用一個(gè)磁芯。并聯(lián)變壓器的模型如圖2所示。并聯(lián)變壓器需滿足：

在頻率較高時(shí)，初、次級(jí)均可使用并聯(lián)模型，將多根導(dǎo)線并聯(lián)使用；而低頻時(shí)，一般要求輸出電壓較高，初級(jí)線圈電壓低，承載電流較大，初級(jí)采用多線并聯(lián)使用可降低銅損。為了保證多個(gè)變壓器抽頭并聯(lián)時(shí)端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一致性，設(shè)計(jì)采取多線并行繞制的方式。

圖1 多線并行繞制示意圖

圖2 多繞組變壓器初級(jí)并聯(lián)模型

2.3 變壓器串聯(lián)模型

在低頻時(shí)，次級(jí)繞組分成多個(gè)線包，各個(gè)線包之間串聯(lián)連接，以提高匝比，即為變壓器串聯(lián)模型。串聯(lián)變壓器模型如圖3所示。

圖3 多繞組變壓器次級(jí)串聯(lián)模型

串聯(lián)關(guān)系式為：

由于串聯(lián)變壓器各個(gè)線包之間是串聯(lián)連接，從高電壓到低電壓漏感宜從小到大，以減少電感中儲(chǔ)存的能量。而不論初次級(jí)繞組分布方式如何，繞組的漏感Ls與線圈匝數(shù)N的平方成正比，與線圈高度D成反比[5]，即：

因此，電流流經(jīng)的高壓線圈所分得的線圈匝數(shù)應(yīng)依次比低壓線包所分得的線圈匝數(shù)少。從式（6）、（7）可看出，漏感受線圈匝數(shù)的影響比受線圈高度的影響要大，因此，各個(gè)線圈的高度可以相同。高壓線圈匝數(shù)少，在線圈高度相同的情況下，線圈層數(shù)就少；相反，低壓線圈匝數(shù)多，線圈層數(shù)就多。層數(shù)和線圈高度的取值與串聯(lián)的線圈數(shù)設(shè)計(jì)和該設(shè)定頻率下的趨膚深度及臨近效應(yīng)有直接的關(guān)系。

3 繞層設(shè)計(jì)和線圈繞制優(yōu)化

在寬帶變壓器中，高頻效應(yīng)嚴(yán)重影響變壓器性能，必須對(duì)寬帶變壓器的繞層進(jìn)行設(shè)計(jì)和線圈繞制進(jìn)行優(yōu)化，確保變壓器良好的性能。高頻效應(yīng)主要考慮為趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)[4,6]。為了減少鄰近效應(yīng)所增加的損耗，尤其是在采用銅排圓繞制的繞組線圈中，在繞組總匝數(shù)確定的情況下，通過(guò)改變繞組繞制方式，使繞組有效層數(shù)盡量減小。最常用的辦法就是將每一個(gè)繞組分成兩個(gè)和多個(gè)部分，與其他的繞組交錯(cuò)繞接，最后連接在一起。由于篇幅的限制，本文主要介紹次級(jí)的繞制方式，寬頻帶輸出變壓器次級(jí)采用中間多個(gè)抽頭繞層的方式，多個(gè)抽頭繞層示意圖如圖4所示。

圖4 多個(gè)抽頭繞層示意圖

不同的抽頭對(duì)應(yīng)不同匝比，次級(jí)匝數(shù)被平均分成了2n（n為整數(shù)）子繞組，在每個(gè)子繞組的倍匝數(shù)處再引出一個(gè)抽頭（即每個(gè)子組3個(gè)引出端），整個(gè)次級(jí)共有 3×2n引出端，由控制模塊控制各個(gè)子繞組引出端間進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)次級(jí)繞組匝比按倍（3 dB）比例變化，表1給出了變壓器輸出次級(jí)匝比控制邏輯情況說(shuō)明及對(duì)應(yīng)匝比關(guān)系，圖5為8個(gè)子繞組的邏輯控制模塊連接關(guān)系圖。

表1 變壓器輸出次級(jí)匝比控制真值表（8個(gè)子繞組情況）

圖5 變壓器次級(jí)輸出控制原理及連接示意圖

同時(shí)，在繞制工藝上采用初、次級(jí)線圈交錯(cuò)繞制方式，可以減少繞組的有效層數(shù)，降低繞組磁動(dòng)勢(shì)峰值，從而使每層的等效交流電阻降低，有效減小線圈的銅線損耗[3,7]。

在繞制時(shí)，繞制導(dǎo)線選擇以次級(jí)芯線線徑為參考，初級(jí)采用多線并行繞，在引出端并聯(lián)滿足功率容量對(duì)初級(jí)線徑的需求，這樣可使初級(jí)繞層與次級(jí)繞層的厚度相當(dāng)，易于實(shí)現(xiàn)繞制均勻；次級(jí)繞制，采用n線并行繞制的方式，其中n為子繞組數(shù)；同時(shí)，在繞組層與層之間繞制均勻絕緣層，保證層與層間的絕緣；繞制時(shí)，采取了初、次級(jí)相間繞制的方式，即繞制一層初級(jí)再繞制一層次級(jí)再繞制初級(jí)，直至完成。如圖6所示。

圖6 多繞層變壓器初、次級(jí)線圈繞制示意圖

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

某型寬頻帶水聲發(fā)射機(jī)，其電路主體結(jié)構(gòu)屬于AB類線性放大器，設(shè)計(jì)最低工作頻率200 Hz，最高工作頻率40 kHz，最大輸出電壓1 000 Vrms，輸出電流1 A。電路結(jié)構(gòu)為推挽結(jié)構(gòu)，變壓器輸入端為正弦波，電壓幅值72 Vp-p，選用的磁芯主要參數(shù)為（BS=1.5 T，AC=3.75 cm2，μi＞10 000，PFe=80 W/kg（100 kHz, 0.2 T）），變壓器的初級(jí)繞組匝數(shù)可由式（2）算出。

根據(jù)式（2），求得初級(jí)匝數(shù)為144.14匝，取145匝。根據(jù)輸出電壓的要求，計(jì)算可得次級(jí)匝數(shù)為2 847.6匝，考慮設(shè)計(jì)及冗余后次級(jí)匝數(shù)，取2 848匝。按上節(jié)中論述的設(shè)計(jì)方法，變壓器次級(jí)設(shè)計(jì)為8個(gè)子繞組，每個(gè)子繞組的匝數(shù)為ni=2 848÷8=356，子繞組中間抽頭匝數(shù)為ni=356÷≈251.73（取252匝）。

為了降低損耗，需考慮趨膚深度，40 kHz頻率下的趨膚深度為0.331 mm，因此，導(dǎo)線的直徑d≤2δ=0.662 mm，考慮到導(dǎo)線的規(guī)格尺寸，可取d=0.64 mm。繞制時(shí)，初級(jí)采用銅排圓導(dǎo)線等效代替銅箔，次級(jí)子繞組匝數(shù)及抽頭引出按圖7示意進(jìn)行，并且繞制時(shí)，采用次初級(jí)相間繞制的方式，繞制完成的變壓器實(shí)物圖如圖8所示。

5 測(cè)試結(jié)果分析

在不同匝比下對(duì)變壓器實(shí)際傳輸效率進(jìn)行測(cè)試（主要測(cè)試最低匝比n=1：N和最高匝比n=1：27/2N）。測(cè)試方法：在變壓器初級(jí)施加足夠的功率輸入，使變壓器輸出端傳送到特定負(fù)載上的功率是1 W，測(cè)出輸入端的功率，并據(jù)此來(lái)計(jì)算效率η，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖7 單個(gè)子繞組匝數(shù)及抽頭示意圖

圖8 變壓器實(shí)物照片

圖9 不同匝比下變壓器傳輸效率測(cè)試結(jié)果（P=1 W，RL=1 kΩ）

從測(cè)試結(jié)果可知，隨著頻率增加變壓器的傳輸效率下降，且高匝比的下降趨勢(shì)比低匝比大，分析認(rèn)為，這與在高匝比時(shí)線圈匝數(shù)增加導(dǎo)致的銅損增加有關(guān)，同時(shí)隨著頻率升高，繞組線圈間臨近效應(yīng)增加引入的損耗導(dǎo)致了效率隨著頻率上升而下降。

將制作好的變壓器安裝到發(fā)射機(jī)，進(jìn)行實(shí)際使用的測(cè)試，結(jié)果如表2所示。測(cè)試負(fù)載為實(shí)驗(yàn)室里使用的典型換能器，表征各種換能器主要特性參數(shù)列在表中，測(cè)試結(jié)果表明通過(guò)變壓器的阻抗變換匹配發(fā)射機(jī)能驅(qū)動(dòng)阻性、容性和某些特定感性的負(fù)載，工作情況良好。表中給出了發(fā)射機(jī)輸出效率測(cè)試結(jié)果，輸出效率測(cè)量值是發(fā)射機(jī)供電輸入端功率與發(fā)射機(jī)輸出到負(fù)載的功率之比。由于發(fā)射機(jī)主體是AB類線性放大器類型，該類型功率放大器理論上最大效率為 78.5%，考慮到電源轉(zhuǎn)換效率及發(fā)射機(jī)本身的損耗后，實(shí)際工作效率最多為50%左右，因此從測(cè)試結(jié)果可看出，變壓器的匹配效果較理想。

表2 不同換能器負(fù)載下發(fā)射機(jī)的匹配輸出情況

6 結(jié)論

本文從變壓器匹配的原理分析出發(fā)，結(jié)合了變壓器低頻、高頻繞制的要求和特點(diǎn)，提出了寬頻帶匹配變壓器的高阻抗時(shí)的串并聯(lián)模型和低阻抗時(shí)的并聯(lián)模型，并對(duì)在同一個(gè)變壓器上實(shí)現(xiàn)串聯(lián)模型和并聯(lián)模型的繞層設(shè)計(jì)和繞制方法進(jìn)行了研究，文中給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，結(jié)合發(fā)射機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例的實(shí)際使用匹配情況進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，寬頻帶匹配變壓器的匹配效果良好，滿足實(shí)際使用的需求。