（水声工程专业论文）高频声纳发射机研究与设计.pdf

a b s t r a c t u n d e 州a t e ra c o u s t i ct r a n s m i t t e ri s av e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to la c t i v e s o n a re q u i p m e n t ；a tt h es a m et i m ei ti st h eu n i tw h i c hh a st h el a r g e s tv o l u m ea r l d e l e c t r i ce n e r g yu s el e v e li nt h es o n a rs y s t e m t h es o n a rw i t hh i g h 。r e s o l u t i o nh a s h i 曲w o r k i n gf r e q u e n c y ，w h i c hm a k et h ep o w e r f u l & h i g h f r e q u e n c yt r a n s m i t t e r c a r t yo u tw i t hd i f f i c u l t y b e c a u s et h et r a n s m i t t e rw o r k sw i t hh i g hf r e q u e n c y ，t h e s w i t c h i n gl o s ss h o u l db em i n i m i z e di no r d e rt of a s t e nt h es w i t c h i n gf r e q u e n c ya n d h i g hp e r f o r m a n c em a g n e t i cm a t e r i a l sa n df a s t s w i t c hc o m p o n e n t sa r e 。e q u l r e d - t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e sa b o v em a t t e r s i nt h ep a p e r ，b a s e do ns w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t ，t h ed e v e l o p m e n t s t a t eo fm o sp o w e rt r a n s i s t o ri si n t r o d u c e d ，t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c s l n s t a t i co fm o s f e ta n di t sp r o c e s s o fo n & o f fa r ea n a l y z e d ，t h ed e s i g n r e q u i r e m e n t so fh i g h s p e e dm o s f e t d r i v ec i r c u i ta n dt h em e a s u r e so tr e d u c m g m o s f e th fl o s sa r ep u tf o r w a r d t h ep r i n c i p l eo fh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e 。 a n dt h ef a c t o r so fa f f e c t i n gi t sp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d b a s e do i la l l t h ea b o v e ， t h e 口e 而r n l a n c ea n dc o i lp a r a m e t e r so fa l lk i n d so fh i g hf r e q u e n c ym a g n e t i cc o r e a r ea n a l y z e d a tl a s t ，t a k i n gt r a n s m i t t i n gc i r c u i tw i t hf r e q u e n c yo f3 5 0k h zf o r e x 哪p l e ，t h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ep a r a m e t e r so fd r i v ec i r c u i t a n do u t p u t t r a n s f o r m e ri sp u tf o r w a r d a tt h ee n do ft h ep a p e rah i g hf r e q u e n c ys o n a r t r a n s m i t t e rw i t ht h ef r e q u e n c y o f2 m h za n dat r a n s m i t t e r w i t ht h e f r e q u e n c y o f3 5 0k h za r ed e s i g n e d s u c c e s s f u l i v 。t h ee x p e r i m e n t sv a l i d a t ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g na n dt h es c h e d u l e d r e s e a r c ht a r g e ti sr e a l i z e d k e yw o r d s ：t r a n s m i t t e r ；p o w e rm o s f e t ；d r i v e c i r c u i t ；h ft r a n s f o r m e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ：至墨垒 日期：砂彳年3 月如日 哈尔滨- - v t - | i 大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 多普勒计程仪是根据声波在水中的多普勒效应原理而制成的一种精密测 速和计算航程的仪器。多年来，它一直是船用导航设备的重要组成之一，但 目前常用的多普勒计程仪经常面对着复杂的声速补偿问题。近年来，国内外 已经广泛开展利用相控阵发射和接收的多普勒测速技术的研究，这一技术可 以从原理上消除声速补偿问题，大大提高多普勒计程仪的性能。目前，国外 已有产品问世，本论文围绕相控阵多普勒声纳发射机设计有关问题进行了研 究。 水声信号发射机在主动声纳设备中是非常重要的一部分。它的性能对整 个系统的作用距离和工作带宽以及可靠性都有很大的影响。随着电子技术的 发展，高速、低功耗处理器性能的同益提高，发射机系统已经成为整个主动 声纳系统用电量最大的单元。面向应用的不同，使用的换能器不同，对功率 放大器的要求也不同。随着新技术器件的不断出现，水声信号发射机技术也 必须要有新的工作重点。 1 2 水声发射机基本概述 1 2 1 水声发射机组成 图1 1 是水声发射机的结构框图，它分为五个部分。信号源根据需要产 生一定形式的信号，通常是小幅度的电压信号；驱动电路负责为功放管提供 驱动；功率放大部分负责将信号进行电压放大和电流放大，输出功率信号； 匹配网络负责小输出阻抗的功放与大输入阻抗的负载之f 白j 的匹配，调节负载 阻抗的相角，使负载输出额定功率，包括变压器匹配和调谐匹配两个部分； 换能器将电信号转化为声信号，辐射到水中。 图i i 水声发射机系统框图 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 2 2 水声发射机特点 就工作原理而言，声纳发射机与无线电发射机并无多大的差别，只是由 于它们所应用的能量传播介质不同，导致它们的工作负载不同，工作频率不 同，所以在设计时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 ) 为了便于记录被测目标回波信号，声纳发射机多数工作在脉冲信号 工作状态下。工作时，发射机产生具有一定的重复周期丁，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 ) 声纳发射机的负载是水声换能器，它担负着将电信号转换为声信号， 并辐射到水中去的任务。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， 并避免损坏术级功率放大器的器件。 ( 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，必须考虑元件使用的可靠性和稳定性。 1 2 3 水声发射机关键技术指标口1 根据声纳总体指标的要求，声纳发射机的技术指标为： ( 1 ) 声纳发射机的工作频率及其带宽 ( 2 ) 电脉冲功率 ( 3 ) 脉冲重复周期 ( 4 ) 脉冲宽度 ( 5 ) 发射脉冲波的上升、下降时问和平顶下降 ( 6 ) 发射机平均功率 除了以上指标外，还有诸如系统可靠性、可维修性以及工作环境要求也 是声纳发射机的重要指标。其中最为重要的是电脉冲功率、脉冲重复周期、 声纳发射机频率范围。 2 哈尔滨一f i 稃大学硕十学何论文 电脉冲功率是指发射脉冲持续时间内发射机发出的平均功率。 1r r 2 尸：二垃 f 1 1 ) 2r 式中： u 。发射机输出的峰值电压； r 一一发射换能器辐射电阻。 脉冲功率决定着声纳站的最大有效作用距离。一般来说，一部声纳站所 要求的作用距离越大，声纳发射机的发射功率也就越大，则相应体积也大。 脉冲重复周期取决于声纳的最大作用距离，公式为 丁堡0 - 2 ) c 式中： k 一声纳最大作用距离； c 一声波在水中的传播速度，在淡水中一般取1 5 0 0 m s 。 发射机的发射频率，也就是主动声纳的工作频率。采用不同的发射频率， 直接关系到声波在水中的传播衰减、换能器的指向性指数以及在这个频率范 围内的环境背景干扰电平或电路噪声电平。这些因素都影响声纳的作用距离， 而提高作用距离是当自，j 声纳要解决的主要矛盾。所以应以声纳探测的最大作 用距离来确定一部声纳站的最佳工作频率，目前，整个水声设备的频率范围 从几千赫兹到几百千赫兹。 1 3 水声发射机发展概述 目前国际上广泛采用的水声功率放大器的电路，主要采用功率m o s f e t 加变压器和低通滤波器的结构，如图1 2 所示。 图1 2 水声功率发射机示意图 哈尔滨i ：群人学硕十学何论文 d 类放大器是利用脉冲技术提高效率的一种放大器，它的效率在理论上 接近1 0 0 ，传统的a ，b ，c 类功率放大器的效率一般为2 0 ，7 5 ，8 0 ， 而d 类最高，典型值为8 5 。 1 3 1 功率半导体及驱动电路发展概述” 半导体器件一直是沿着提高器件的工作频率和提高器件功率处理能力这 两个方向发展的。每一种器件在频率和功率兼顾时都存在着某种限制。为了 突破这种限制，人们不断探索新的器件工作原理、新的器件结构，以不断解 决在提高器件频率和功率过程中的矛盾。如晶闸管虽然其功率控制容量可以 达到1 m w 以上，但工作频率较低，一般限制在1 0 k h z 以内。为了突破这一 限制，后来发展了大功率双极型晶体管( g t r ) 。现在达林顿大功率双极型晶 体管的功率控制容量虽然比晶闸管低一个数量级( 0 1 m w ) ，但其工作频率却 提高了两个数量级( 1 m h z ) ，因此总的来看是前进一步。 功率双极型晶体管工作频率要进一步提高，则受到其基区和集电区中少 子存储效应的限制。为了突破这一限制，人们再探索、开发了多子功率器件 一功率m o s 器件。目前，功率m o s 器件的功率控制容量比功率双极型晶 体管低一个数量级( 0 0 lm w ) ，但其工作频率却提高了两个数量级( 约 1 0 0 m h z ) 。因此，从器件的频率和功率兼顾来看，功率m o s 器件的出现，使 半导体器件的发展又日，j 进了一步。 现代功率m o s 器件的发展基本上是在保持和发挥其自身优点的基础上， 沿着努力提高器件的处理功率，提高器件的工作电压和增大器件的工作电流 的方向发展。因此，派生出了各种结构的功率m o s 器件一l d m o s 、v v m o s 、 v d m o s 及其进一步发展：i g t 、m c t 等功率半导体。 m o s 场效应晶体管因具有电压驱动、控制功率小、开关频率高等优良性 能，成为电力电子设备中高频应用的极为理想器件。与所有全控电力电子器 件一样，m o s f e t 应用的关键问题之一同样是栅极驱动电路的设计。现今几 乎世界上各生产m o s f e t 的公司，几乎都推出了相应配套的功率m o s f e t 驱动芯片，形成了一个庞大的家族，而且各自形成自己的系列产品。集成功 率m o s f e t 驱动电路体积小，简单可靠，越来越广泛的应用于各种丌关器件 的驱动。由于驱动功率m o s f e t 的集成电路很多，典型的有i r 公司的i r 2 l x x 哈尔演l ：烈人。子：硕十学何论文 i i i i ； 系列，u n i t r o d e 公司的u c 3 7 0 4 3 7 15 系列，h a r r i s 公司的h a 4 0 8 0 系列，m a x i m 公司的m a x 6 2 1 c 、m a x 4 4 2 7 c 系列，m o t o r o l a 公司的m c 3 4 1 5 x 系列，m i c r e l 公司的m i c x x 系列，t e l c o m 公司的t c 4 4 2 1 4 4 2 9 c 系列等等。 1 3 2 高频功率变压器发展方向一1 高频功率变压器的最大特点就是高频化。从变压器的工作原理来看，提 高工作频率，可以减小变压器的体积和重量，也就是实现短小轻薄化，从而 提高单位体积( 或重量) 传输功率，也就是高功率密度化。这些都是高频电 子变压器本身固有的特点和直接带来的结果，下面分别介绍高频电子变压器 的整体结构、磁芯材料和结构、线圈材料和结构几个方面的发展方向。 ( 1 ) 整体结构 为适应电子设备愈来愈轻薄短小，高频功率变压器一个主要发展方向是 从立体结构向平面结构、片式结构、薄膜结构发展，从而形成一代又一代新 的高频功率变压器：平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。高频电子变压 器的整体结构的发展，不但形成新的磁芯结构和线圈结构，采用新的材料， 而且对设计方面和生产工艺方面也带来新的发展方向。在设计方面，除了要 研究各种新结构的电磁场分布，如何达到最佳的优化设计，还要研究多层结 构的各种问题。在生产工艺方面，要研究各种新的力n j - _ 方法，从而保证性能 的一致性和实现加工工艺的机械化和自动化等。 ( 2 ) 磁芯材料和结构 磁芯材料的主要发展方向是降低损耗，加宽使用的温度范围和降低成本。 磁芯结构的主要发展方向是如何形成形状和尺寸最佳( 对电磁性能、散热、 用量和成本等参数) 的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。 现在各种软磁材料，都在不断地改进和丌发，以竞争高频电子变压器的 市场。软磁铁氧体是现在高频电子变压器使用的主要磁芯材料，发展方向是 开发性能更好的新品种和降低成本的新工艺。在材料新品种方面，r 本t d k 公司在2 0 0 3 年开发出宽温低损耗材料p c 9 5 ，在2 5 1 2 0 温度范围内损 耗都小于3 5 0 m w c m 3 ( 在1 0 0 k h z 2 0 0 m t 条件下) 。在8 0 时损耗最小，为 2 8 0 m w c m 3 。2 5 时b 。为5 4 0 m t ，1 0 0 时，b 。为4 2 0 r o t 。还丌发出高温 高饱和磁密材料p e 3 3 ，居罩点t r 2 9 0 ，在1 0 0 下，b 。为4 5 0 r o t 。在1 0 0 ， 哈尔滨f 种人学硕十学伊论文 1 0 0 k h z 2 0 0 m t 条件下，p r 1 1 0 0 m w c m 。，同本f d k 公司，德国e p c o s 公司、f e r r o c u b e 公司也丌发出类似的高温高饱和磁密材料。 高磁导率材料也有许多新品种，如t d k 公司的脉冲变压器用h 5 c 5 ， 为3 0 0 0 0 左右。抗电磁干扰电感器用h s l 0 ，同时具有良好的频率特性和阻抗 特性，在5 0 0 k h z 仍具有较高磁导率，虽然初始磁导率不高，只有1 0 0 0 0 左 右。高磁导率高饱和磁密材料d n 5 0 ，在2 5 时b 。为5 5 0 m t ，在1 0 0 时b 。 为3 8 0 m t ，2 i 为5 2 0 0 左右，居里温度t r 芝2 1 0 * c 。 ( 3 ) 线圈材料和结构 随着高频电子变压器整体结构的发展，线圈结构主要的发展方向是平面 线圈，片式线圈和薄膜线圈，其中又包括多层结构。各种线圈结构的材料选 用，也有一些新发展。 立体结构的高频变压器线圈，导线材料由于考虑集肤效应和邻近效应， 采用多股绞线( 早兹线) ，有时也采用扁铜线和铜带。绝缘材料采用耐热等级 高的材料，以便提高允许温升和缩小线圈体积，采用双层和三层绝缘导线， 可以减少线圈尺寸。举一个例子，最近，国内开发出用纳米技术把云母涂在 铜线上的c 级绝缘电磁线，已经在工频电机和变压器中应用，取得良好的效 果，估计在高频电子变压器中也会得到应用。 平面结构线圈，导线采用铜箔，大多数采用单层和多层印刷电路板制造， 也有采用一定图形的铜箔，多个折叠而成的。绝缘材料一般采用b 级材料。 薄膜结构线圈，导线采用铜、银和金薄膜，制成梳形、螺旋形、运动场形等 图形，绝缘材料采用h 级和c 级材料。也有采用多层结构的，或者是几个多 层线圈组合起来，或者是几个线圈和几个磁：芭= 交叉重叠而成。总之，薄膜变 压器是现在f 在大力丌发的高频电子变压器，许多结构并不定型，也许，还 会出现许多新的线圈结构。 1 4 论文研究主要内容 论文主要围绕高频声纳发射机的设计与实现进行研究。其重点和难点是 研究m o s f e t 的高频特性、高频下的驱动电路，以及高频变压器的材料特性 等内容。 论文以多普勒测速系统为研究背景，从基本理论出发，叙述了水声发射 哈尔滨f 榉人。半：倾十孚：何论文 机的设计和实现，主要针对以卜问题做了详尽的分析和探讨。 首先，从整体叙述了水声发射机的发展状况、特点、技术指标。然后对 各个部分功能模块进行了详细的分析，着重研究了功率m o s f e t 工作原理以 及在开关模式下工作特性。根据特性分析，为了优化丌关性能要求对功率 m o s f e t 设计可靠的驱动电路。开关变压器作为发射机主电路，它的性能好 坏，不仅影响变压器本身发热和效率等，而且还影响到发射机的技术性能和 可靠性。所以在设计制作时，对变压器电路的分析，磁芯材料的选择，磁芯 与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密的考虑。最后根据项目要求论述了声 纳发射机的设计和制作的过程，通过系统验证了论文中一些内容。 经过电路系统的设计、安装及调试工作，最终完成了发射电路。它们都 已经装备在声纳设备上，经过了湖试和海试的检验。 哈尔滨r 1 程火学硕十学位论文 第2 章功率m o s f e t 和驱动电路的研究 2 1 引言 功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t - - p o w e rm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) ，是一种多子导电的单极型电压控制器件，比双极型功 率器件具有许多优良性能：如高输入阻抗、低驱动电流、没有少子，2 + 存储效 应、开关速度快、工作频率高、具有负的电流温度系数、并具有良好的电流 调节能力、具有较强的功率处理能力、热稳定性好、安全工作区大、没有二 次击穿等显著特点，已广泛应用于各种电子设备中。 功率m o s f e t 作为主丌关器件，适当的驱动一个功率m o s f e t 对优化 丌关性能是必要地，因此为m o s f e t 设计可靠的驱动电路对整个主电路来说 是一个重要而不可缺少的环节，设计者既要考虑减少月：关损耗，又要驱动波 形较好。即振荡小，过冲小，e m i 小。这两个方面往往是相互矛盾的，需要 寻找一个平衡点，即驱动电路的优化。 本章着重对功率m o s f e t 和功率m o s f e t 驱动电路进行分析设计。 2 2 功率m o s f e t 概述 2 2 1 功率m o s f e t 结构和原理 1 功率m o s f e t 结构 v m o s 场效应晶体管是功率器件中的一种常用器件，它的应用领域相当 广泛。v m o s 功率器件有两种不同的结构，一种是v v m o s 功率场效应晶体 管，另一种是v d m o s 功率场效应晶体管。v v m o s 结构是美国雷达半导体 公司( s i l i c o n i x ) 1 9 7 5 年首先提出的，其结构如图2 1 所示。这种结构是在1 + 基 片的胛一外延层上，先后进行p 型区，? + 型区两次选择扩散，然后利用硅的各 向异性刻蚀技术，刻出v 型槽，槽的深度由槽的丌口宽度决定，槽壁与硅片 平面成5 4 7 。角。沟道长度由扩散的深度差决定，在1 2 微米之间。漏极从 芯片的背面引出。由于这种结构是利用v 型槽实现垂直导电的，故叫v v m o s 结构。 另一种结构v d m o s 结构是美国i r 公司于1 9 7 8 年提出的，所谓v d m o s 8 哈尔滨t 稗人学硕十学何论文 结构，就是垂直的双扩散m o s 结构，如图2 2 所示。v d m o s 与v v m o s 不 同，它不是利用v 型槽形成导电沟道，而是利用二次扩散形成的p 型区和门+ 区，在硅片表面处的结深之差形成沟道。电流在沟道内沿表面流动，然后垂 直地被漏极接收。 图2 1v v m o s 结构图图2 2v d m o s 结构图 2 功率m o s f e t 基本原理0 1 本论文以使用占主导地位的v d m o s 为例说明功率m o s 器件的工作原 理。 当栅源电压u g 。，低于器件的阈值电压u 。时，栅极下面盼p 区表面不会 形成n 沟道，漏源没有沟通，即使加上漏源电压u d 。，也不能形成漏源电流，d 。， 这时器件处于截止状态。但当s 大于击穿电压r 时，反偏p n 结被击穿，d s 剧增。 当栅源电压。等于或大于u i h 时，栅极下面的p 型表面i ：i ：i 现反型层，即 有n 型沟道存在，该n 型沟道将漏源沟通。这时加上漏源电压u d 。，就会有 一定的漏源电流，d 。，d 。与u d 。成线性关系，称之为线性区。 当u d 。增加时，d 。随之增加，这时靠近漏端沟道逐渐变窄，沟道电阻逐 渐增大，d 。增加速度逐渐挛慢，当u d 。增加到某一数值时，j r d 。达到最大值。 j f d 。达到最大值时的u d 。= u g s - u m 。这时的u d 。称为饱利电压d ( s 。，对 应于沟道木端刚刚出现央断的情况。当u d s u d ( 。”时，j d s 不再随己，d s 增加， 这时沟道术端出现耗尽区，其上压降为u d s u d ( s a l ) ，而沟道中的电场基本不 变，故电流j d 。不变，即不再随u d 。的增加而增加，维持其饱和值，称该区为 饱和区。 上面的分析是对一般m o s 器件而言的。对于功率m o s 器件，由于其沟 9 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 道长度三很短( 1 2 z r n ) ，上面的分析只是在u d s 很小时适用，u d s 稍大时( 有 效漏电压只要几伏时) 。 一般m o s 器件的跨导不是一个常数，其值随u n 。线性增加。 功率m o s 器件与一般m o s 器件还有一个重要的区别是其输出，u 特 性中出现了准饱和区。该区域的特点是： ( 1 ) d 。随u d s 的增加而增加，不再维持饱和； ( 2 ) u d 。增加时，d 。几乎不增加，即跨导极小。这是由于功率m o s 的 器件结构中，含有电阻率比较高，厚度又比较大的漂移区的缘故。 2 2 2 功率m o s f e t 基本特性 i 输出特性 以栅源电压。为参变量，反映漏极电流，d 与漏源电压【，d 。间关系的曲 线族称为功率m o s f e t 的输出特性。输出特性又分为f 向输出特性和反向输 出特性。 f 向输出特性可分为三个区域：可调电阻区，饱和区和雪崩区，如图2 3 所示。 0 u 出 图2 3 功率m o s f e t 输出特性 在可调电阻区，氓。一定时，漏极电流j r 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i g - 9 2 域中，当u g s u 。时，在栅极下而形成沟道，一旦u d s 0 ，便 有漏极电流j r d 流过，随着u d 。增加，r 。逐渐增大( 当u g s 为定值时) ，即，d 随 u d 。的增加减慢。 - ku d 。较；k t , - t ，情况有所不同，方面随u d 。的增加，靠近 漏区一端的沟道要逐渐变窄，另一方面沟道载流子将达到散射极限速度，电 子速度不再继续增加，于是尽管u d 。继续增加，但i o 增加缓慢，沟道有效阻 1 0 哈尔滨 ：稗大学硕十学位论文 值增加。直至靠近漏区一端的沟道被夹断或沟道载流子达到散射极限速度， 才使沟道载流予的运动摆脱了沟道电场的影响，开始进入饱和区。 在饱和区的后部，d 仍随着u g s 增大而上升，但在u g s 为恒值时，d 仍 随着u d 。增3 v n - f n 。这是由于u g 。和u d 。值比较高，沟道电子浓度r i 很高， 电子速度又均达v ；。，因此电流密度，。很高。为了维持导电区中性，在高阻 漂移区电流通道两侧产生空i 日j 电荷层，随着u n 。增加，该空阳j 电荷层向电流 通道扩张，电压越高，电流通道就越窄，因此电流反而降低。 2 转移特性 漏源电压u d 。为常数，漏极电流，d 和栅源电压u g 。之i 白j 的关系称为转移 特性。图2 1 为增强型功率m o s f e t 的转移特性。转移特性表示功率m o s f e t 的放大能力。由于m o s f e t 为电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。 跨导g 。定义为 a ， g 。= 吉 ( 2 1 ) a t d l | | l o j 瓜 j 二s j ou 6 s 噍 uc s 图2 4 功率m o s f e t 的转移特性 2 2 3 功率m o s f e t 等效电路 在进行驱动电路设计之自，j ，必须先清楚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x 寸, - - 3 1 x 动的影响。 m o s f e t 的等效模型及参数如图2 5 所示，各部分物理意义为： ( 1 ) l c 和民代表封装段到实际的栅极线路的电感和电阻。 i l 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 ( 2 ) g 代表从栅极到源端n + 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 。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0 v 升到开启电压。( c l n 时，c 4 使整个栅极电容增加 1 0 15 。 ( 4 ) c ，+ c ；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 ) g 是随漏极电压变换的漏源电容。 m o s f e t 输入电容c 啷，跨接电容c 。，输出电容c o 。；和栅源电容，栅漏 电容，漏源电容之| 白j 的关系如下： c i 。= c o s + c o d = c i + c 4 + c 5 ( 2 - 2 ) c 曙s = c g d = c 5 c 。s s = c d s + c g d = c 5 + c 6 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 图2 5m o s f e t 等效电路模型 2 3 功率m o s f e t 驱动电路研刭2 “1 3 1 2 3 1 功率m o s f e t 驱动电路要求 功率m o s f e t 的工作频率越来越高，m o s f e t 驱动电路的设计对提高 m o s f e t 的工作频率有举足轻鼋的作用，在兆赫兹范围工作的高速m o s f e t 的转换过程成为m o s f e t 高频率f 确应用的关键技术问题，对m o s f e t 类 电力电子设备的效率，可靠性寿命都有重要的影响。 哈尔滨i ：样人字硕十学何论文 i m o s f e t 一个周期的高速转换有两个：一个导通转换过程；另一个为关 断转换过程。这两个过程的漏极电压与漏极电流、栅源电压与电荷之间的关 系分别如图2 6 与图2 7 所示。现以图2 6 截止一导通转换过程为例进行分析， 该过程可分为四个阶段。 岛一，区问：栅极电压从0 上升到门限电压u ，称作延迟时| 白j ，这一区间， m o s f e t 漏源极间的电压与漏极电流都不发生变化。 一，：区i 、白j ：从栅极电压达到u ，。时刻，丌始，漏极电流开始增长。到，时 刻，d 达到最大值，在这一过程中，栅源电压也在上升，而漏源电压保持截止 时的高电平不变，在这一过程中，由于电压与电流重叠，m o s f e t 功耗增大。 f 2 一f ，区i n j ：从，时刻丌始，漏源电压丌始下降，引起从漏极到栅极的密 勒电容效应( c g d ) ，使得栅极电压不能上升而出现平台，从，到，时刻电荷量 等于q g d ，从岛时刻漏极电压下降到最小值。 岛一乙区间：在这一区间，栅极电压从平台上升到最后的驱动电压。上升 的栅压使漏源电阻_ r d s ( 0 n 1 减少，f 。以后，m o s f e t 进入导通状态，当栅极电 压上升到1 0 一1 5 v 之后，继续升高其电压对减少r 嗍m 效果很小。 u 锱 q 。d u g s c 吐l ) t ) s ，d o b ) 图2 6 截止一导通转换过程波形 哈尔滨f 。干l f 人 ：硕十学 奇：论文 图2 7 导通一截止转换过程波形 图2 7 的导通一截止的转换过程与图2 6 转换过程波形相同，仅顺序相反。 从上面波形分析就可以得出工作在兆赫兹的功率m o s f e t 丌关对高速驱动 器的要求如下： ( 1 ) 驱动电路延迟时间“要小，若开关频率达到兆赫兹，则从输入到输 出的传输延迟时间“要小于1 5 n s 。 ( 2 ) 驱动电流峰值电流，m 。要大。大的，。瓠可大大缩短密勒电容的充放电 时间，从而缩短平台的持续时间。 ( 3 ) 栅极电压的变化率d v d t 要大。d v d t 大，可缩短栅极电压上升时间 ( 岛一，1 ) 或下降时白j ( ，：一，。) 。工作在兆赫的m o s f e t 丌关，其典型的上升和下 降时i 白j 应该在4 0 n s 左右。 2 3 2 功率m o s f e t 驱动电路的分类 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t t l 驱动，互补输出驱动和c m o s 驱动三种方式；隔离驱动分为电 磁隔离和光电隔离两种，下面简单介绍几种驱动方式特点： ( 1 ) 直接驱动式 比较简单又比较可靠的驱动方式是使用集电极开路的t t l 与功率 m o s f e t 的连接，如图2 8 。这种方式可以产生足够的栅压使器件足够导通， 并保证较高的关断速度。由于外接负载电阻r l 须有一定大小，以限制t t l 的低电平输出晶体管的功率散耗，因而这种驱动方式的丌关速度不够高。不 1 4 哈尔滨l 。种人学硕十学付论文 过对感性负载的丌关电路来 兑，出于对动念损耗的考虑，关断速度的重要性 更强一些。 u 图2 8 用t t l 驱动功率m o s f e t 电路 ( 2 ) 用c o m s 传输门驱动 由于m o s f e t 有很高的输入阻抗，所以可以考虑用c o m s 直接驱动其 栅极，如图2 9 所示。 直接使用c m o s 驱动功率m o s f e t 的优点是两者都可以用1 0 15 v 电 源供电。这就可以直接将c m o s 与功率m o s f e t 相接而不用任何附加电路， 也不需要连外接电阻。但是，由于c m o s 能够提供的充电电流和能够接收的 放电电流有限，因而对功率m o s f e t 的开关速度有所影响。虽然c o m s 缓 冲器接收功率m o s f e t 栅极放电电流的能力比c o m s 栅极高很多，但是提 供充电电流的能力基本上还是一样。因此，和使用集电极丌路的t t l 驱动功 率m o s f e t 的情况类似。 图2 9 用c o m s 驱动功率m o s f e t 电路 ( 3 ) 耦合驱动式 在某些情况下可以用脉冲变压器来驱动功率m o s f e t 的栅极，脉冲变压 1 5 哈尔滨l 科入学颂十学 寺- 论文 器可以提供必要的隔离。 图2 1 0 是这种驱动方式中最简单的一种，此电路中二极管作用是限制驱 动晶体管上的反馈电压，升压比为1 ：1 的脉冲变压器用来向功率m o s f e t 提供足够的驱动电压。由于变压器的次缴在丌和关两种状态中的电压与持续 时间的乘积必须大小相等，因而驱动脉冲的占空比变化必须引起栅一源电压 的变化。这是脉冲变压器栅极驱动方式潜在的问题。 脉冲变压器驱动还有一个缺点就是脉冲宽度有较大的限制，如果脉冲过 宽，磁饱和效应可能使初级绕组的电流猛然上升，最终令其烧毁。这种情况 对容量较小的脉冲变压器尤其容易发生。脉冲过窄主要有两个问题，一个问 题是脉冲i b j 隔太长时，变压器漏感对充电电流的限制可能很大；另一个问题 是磁化电流为驱动栅极关断所存储的能量可能不够，因为脉冲过窄时，电流 不能充分上升。 u 图2 1 0 用脉冲变压器驱动功率m o s f e t 电路 2 3 3 驱动电路参数设计原则 栅极电荷o o 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 1 1 所示。q g 表示功率m o s f e t 的o a g ( c o d + c o s ) 从o 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。 栅极电荷q g 由三部分组成：o o 。，o o d 和o o 。：。充电丌始，电荷流入栅 源间电容c g 。，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u d 。下降期间，u g 。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 n d 上积累的电荷 为9 g d 。以后，随着u g 。的增高，虽然c g 。仍在积聚电荷，但大部分电荷被c g d 1 6 哈尔滨1 。：稗人学硕十学位论文 储存。这段时i b j 内栅极上积聚的电荷用瓯。：表示。因此，总的栅极电荷q g 等 于三者之和。 利用这一特性曲线，可以在给定的丌关速度要求下，求得所需的栅极电 流估算值，这对设计驱动电路是一个重要的依据。 u n g ( v ) i o 有效电容c i 。为 驱动电流，g 。为 栅极所需驱动功率为 o ( ；s l q a dq o 钉 图2 1 1 栅极电荷特性曲线 印急 k 等 咒。= q ( j u g s 厂 q o ( n o ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 2 4 设计过程中应考虑的问题 2 4 1 栅极功率驱动电路的寄生效应分析及对策 如图2 1 2 所示为一典型的由一个驱动芯片驱动两个m o s f e t 组成的半 桥电路。由器件内部连线，器件引脚和p c b 布线形成的寄生电感统一用丘，、 厶：和三d ，、l d ：表示。此外，在布线的过程中也要考虑到存在于栅极驱动电 哈尔滨r 稃大学硕十学何论文 路的寄生效应。在器件高速开关过程中，快速变化的电流会在杂散电感中产 生较高的瞬变电压，不但会耦合到其它电路中产生噪声干扰，而且会增加功 率管丌关损耗，甚至损坏驱动芯片。 广业 i l d 2 c o 载 图2 1 2 半桥电路的寄生效应 1 负过冲产生的原因及其影响 对驱动芯片来说，寄生效应引起的主要问题是功率管丌关过程中k 点的 电位会负过冲到参考地以下。当半桥电路的负载为感性的情况下，上桥臂功 率管的关断会引起负载电流突然流向下桥臂的续流二极管。在二极管的丌通 延迟和i t 向导通压降以及寄生电感厶。、d 的共同作用下，会导致k 点的电 位过冲到参考地以下，具体波形如图2 1 3 所示。如果电流在死区时间内不能 完全实现转换，当下桥臂开通时，k 就会产生过冲或振荡。如果赡保持在允 许的最大极限范围内，过冲现象就不会损坏芯片。 v 、八、 y 7t 图2 1 3 以负过冲曲线 如果赡的负过冲持续超过5 v ，上桥臂就会暂时锁定在当前状态，即上桥 臂输出不会响应输入控制信号，这就时“锁定 现象。驱动芯片有可能由于 哈尔滨t 挥大学硕+ 学位论文 锁定现象引起的连锁反应而损坏。例如，可能会导致同一桥臂的上下两路驱 动信号同时为高电平，造成桥臂直通，从而损坏器件。这是在实际应用中功 率m o s f e t 和功率驱动：芷= 片损坏的主要原因。 2 减少寄生效应对驱动电路影响的措施 ( 1 ) 最小化寄生效应 在设计p c b 时，两个功率m o s f e t 之| 白j 的连线应尽量宽、短，避免坏 路，同时尽量降低功率m o s f e t 的安装高度以减少管脚电感，两个功率 m o s f e t 应并排安置，以减少连线长度。 ( 2 ) 减少驱动芯片的杂散电感 使用尽量短的连线来减少门极电路电感；驱动芯片的布置应尽量靠近功 率m o s f e t 。 ( 3 ) 加强局部去耦 尽量让去耦电容靠近相应管脚。在电路设计中也可采用外部吸引电路和 提高栅极驱动电阻的方法来折衷效率和开关速度。如果系统本身不允许采用 这种方法，也可以采用快速反应并联钳位二极管。 2 4 2 布局的考虑 栅极驱动电路中常出现的问题：电压过冲损坏栅氧化层，振荡，振铃， 误导通。这些问题的出现常与御局有关而和电路设计无关。为了减少以上问 题的出现。我们将遵循以下规则： 源极电感对驱动器相当于一个负反馈，在开关速度中起着重要作用。器 件的封装电感我们无法改变，但连接电路引线电感可以减小。栅极信号和负 载电流通过同样的传输路径。所以，负载电流应尽快由栅极信号路径转移， 离器件源极越近越好。 接地环路在驱动电路斫i 局中常常被忽略。当驱动电路连续到地多于一处 致使负载电流流过驱动器的“地”时将会出现接地环路，这不仅导致慢的丌 关速度而且将在栅极引起振铃，功率器件的误导通和振荡。 使图2 1 4 所示区域最小化可以减小环路电感和驱动器阻抗。 1 9 哈尔滨下程大学硕十学何论文 图2 1 4 驱动粕局示意图 在栅极驱动电路罩，接地面有助于减少进入驱动电路的噪声。应注意不 要在电源接地点有太多节点而产生多个接地环路。 驱动器电源有高频的电路旁路，此电容应低e s r ，e s l 。由于电源阻抗 是栅极阻抗的一部分，旁路电容应尽可能离驱动器近以减小电感，电容大小 至少为所驱动的功率器件输入电容c i 。的5 0 倍。 2 5 本章小结 为了更好的利用器件，本章首先分析了功率m o s f e t 的工作原理。分析 了静态特性下输出和转移特性，为功放管的选取提供了依据，综合分析得出 功率m o s f e t 适合应用于丌关电路。当功率m o s e f t 应用于高频丌关电路， 丌关过程的分析对功率m o s f e t 应用于丌关电路非常重要，如何将功率 m o s f e t 的高频特性应用于高频电路中，减少丌关损耗，提高功放管工作效 率是本章研究的重点。因此，在这罩详细分析了功率m o s f e t 驱动电路特性 和在高频下对驱动电路的要求及设计方法。最后分析了在设计过程中需要注 意的寄生参数和布局的影响。 2 0 哈尔滨r 样火。孚：硕十学何论文 第3 章高频功率变压器的设计 3 1 引言 功率变压器是水声发射机的重要部分，发射机的能量转换和电压变换就 由它来承担。本设计主要采用推挽式丌关型功率变换器，在丌关晶体管的丌 关作用下，将直流电转换为方波施加于变压器一i - _ ，经变压器的电磁转换，将 输入功率传递到负载，输出所需要的电压。变压器工作于高频状态，分布参 数的影响不能忽略，这些分柿参数有漏感、分御电容和电流在导体中流动的 趋肽效应。变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身发热和效率等，而且还 影响到发射机的技术性能和可靠性。所以在设计制作时