（电工理论与新技术专业论文）一种新型超声波电源的研究设计.pdf

西北工业大学硕士论文 ab s t r a c t a t o m i z i n g a n d d r y i n g a r e t h e k e y s t e p s f o r t h e p r o d u c i n g o f c h i n e s e t r a d i t i o n a l m e d i c i n e . t h e y a r e a l s o im p o r t a n t t e c h n i q u e s f o r t h e q u a l i t y o f c h i n e s e t r a d i t i o n a l m e d i c i n e . i n t h i s p a p e r , a n u l t r a s o n i c a t o m i z a t i o n s y s t e m i s d i s c u s s e d , w h i c h c o m p o s e d o f t h e u l t r a s o n i c p o w e r s u p p l y a n d t h e t r a n s d u c e r . t h e u l t r a s o n i c p o w e r s u p p l y p r o v i d e s a p p r o p r i a t e e l e c t r ic f o r t h e t r a n s d u c e r , a n d t h e t r a n s d u c e r t r a n s f o r ms t h e e le c t r i c e n e r g y i n t o t h e u l t r a s o n i c k i n e t i c e n e r g y t o m a k e t h e c h i n e s e t r a d i t i o n a l me d i c i n e l i q u o r a t o mi z e . i t i s f o c u s o n t h e d e t a i l r e s e a r c h a n d c i r c u i t d e s i g n o f t h e p o w e r s u p p l y i n t h e p a p e r . o n t h e b a s e o f t h e a n a l y s i s f o r t h e u l t r a s o n i c p o w e r s u p p l y , t h r e e s c h e m e s w a s a d o p t e d f o r t h e u l t r a s o n i c p o w e r s u p p l y . a ft e r c o mp a r i n g t h e s t r o n g p o i n t s a n d s h o r t c o m i n g s o f t h e s e s c h e m e s , t h e p r o g r a m o f t h e u l t r a s o n i c p o w e r s u p p l y i s p r o v i d e d . ai m i n g a t t h e r e q u e s t o f u l t r a s o n i c a t o mi z a t io n , t h e m a i n c i r c u it t h e s i s a n a l y s i s a n d c o n v e r t e r c i r c u i t h a s b e e n d e s i g n e d . a c c o r d i n g t o t h e s y s t e m g u i d e l i n e a n d t h e i d i o g r a p h i c n e e d , t h e c i r c u i t s u c h a s t h e r e c t i f i e r , t h e f i l t e r , t h e i n v e rt e r , t h e c o n t r o l a n d t h e f r e q u e n c y t r a c i n g c i r c u i t a r e a l l d i s c u s s e d . m e t h o d s o f c o n fi r m i n g p a r t p a r a m e t e r s i n t h e m a i n c i r c u i t a r e i n t r o d u c e d , m o s t p a rt s o f 2 - 帅a s e r e c t i f i e r , f i l t e r a n d c o n v e r t e r a r e a n a l y z e d . l a s t l y , b a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l d e s i g n , t h e c i r c u i t s o f t h e u l t r a s o n i c p o w e r a r e p r a c t i c a l l y m a n u f a c t u r e d . a ft e r t h e u l t r a s o n i c p o w e r a n d t r a n s d u c e r w o r k i n c o o r d i n a t i o n , t h e m o d e l m a c h i n e i s p r o d u c e d . a n d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e d i s c u s s e d . t h e c o n c l u s i o n r e v e a l s t h a t t h e p o w e r h a s h i g h r e l i a b i li t y a n d b e t t e r d y n a m i c a d j u s t m e n t p r o p e r ty . i n t h i s p a p e r , t h e r e s e a r c h i s s p o n s o r e d b y t h e n a t u r e s c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a ( 5 0 2 7 5 1 2 5 ) a n d t h e h o r i z o n t a l s u b j e c t ( n 4 e k 0 0 2 0 ) 1 1 西北工业大学硕士论文 k e y w o r d s : u l t r a s o n i c a t o m i z a t i o n s y s t e m , u lt r as o n i c p o w e r s u p p l y , c o n v e r t , f r e q u e n c y t r a c i n g 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 随着现代科学技术飞速发展， 各学科之间相互渗透，新兴边缘学科不断出 现。 超声 工程学作为一门 新兴的边缘学科， 在工业生产、 知识产生、 转化研究、 卫生保健和疾病的诊疗中扮演着十 分重要的角色。 尤其对提高产品质量、降 低 生产成本、 防止环境污染、 保障生 产安全、设备安全运行和提高生产效率 等具 有特殊的潜在能力。因此， 我国 近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃。 超声工 程学按其研究内 容，可 划分为 功率超声和检测超声两大领域 0 超声雾化是功率超声技术的一个重要应用部分2 1 。目 前， 液体类、易 挥发 类以 及敏感类药品的加工一直是制药行业存在的难题之一。在 现代制药中采用 超声雾化干燥技术，使半成品药液在高频机械振动下雾化， 再通过其它配套设 施 千 燥分 离 31 。 这 种 干 燥 方 法与 传 统 的 干 燥方 法 相比 ， 产品 质 量好 、 溶 解 性 能 好，己广泛应用于制药工业、食品工业等其他领域。 夸 1 . 1超声波电源的发展概况 超声波电 源是超声波雾化系统的重要组成部分， 其发展可以分为电 子管放 大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器三个阶段 4 1 在早期， 2 0 世纪8 0 年代前， 信号功率放大采用电 子管。 采用电 子管的 优点 是动态范围 较宽。此优点对于 音频放大器很重要， 但对超声波电源来说 没有什 么好处。因此，当 功率晶 体管出 现后即 遭淘 汰s 1 。电 子管的 缺点很多: 功耗大、 寿命短、效率低、电源成本高、体积大。 2 0世纪 8 0年代到 9 0年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种 o c l 及o t l电 路大量 用于 超声波电源。 功率晶 体管模拟发生器开始 投入使 用， 电 源 效率提高、 体积和重量下降。 但由于受开关速度的限 制和晶体 管开关 特性的影 响，采用晶体管模拟放大器的超声波电源有以下几个缺点。 ( 约 功耗较大。由于 o t l , o c l电路理论效率只有 7 8 %左右，其实际效 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 随着现代科学技术飞速发展， 各学科之间相互渗透，新兴边缘学科不断出 现。 超声 工程学作为一门 新兴的边缘学科， 在工业生产、 知识产生、 转化研究、 卫生保健和疾病的诊疗中扮演着十 分重要的角色。 尤其对提高产品质量、降 低 生产成本、 防止环境污染、 保障生 产安全、设备安全运行和提高生产效率 等具 有特殊的潜在能力。因此， 我国 近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃。 超声工 程学按其研究内 容，可 划分为 功率超声和检测超声两大领域 0 超声雾化是功率超声技术的一个重要应用部分2 1 。目 前， 液体类、易 挥发 类以 及敏感类药品的加工一直是制药行业存在的难题之一。在 现代制药中采用 超声雾化干燥技术，使半成品药液在高频机械振动下雾化， 再通过其它配套设 施 千 燥分 离 31 。 这 种 干 燥 方 法与 传 统 的 干 燥方 法 相比 ， 产品 质 量好 、 溶 解 性 能 好，己广泛应用于制药工业、食品工业等其他领域。 夸 1 . 1超声波电源的发展概况 超声波电 源是超声波雾化系统的重要组成部分， 其发展可以分为电 子管放 大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器三个阶段 4 1 在早期， 2 0 世纪8 0 年代前， 信号功率放大采用电 子管。 采用电 子管的 优点 是动态范围 较宽。此优点对于 音频放大器很重要， 但对超声波电源来说 没有什 么好处。因此，当 功率晶 体管出 现后即 遭淘 汰s 1 。电 子管的 缺点很多: 功耗大、 寿命短、效率低、电源成本高、体积大。 2 0世纪 8 0年代到 9 0年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种 o c l 及o t l电 路大量 用于 超声波电源。 功率晶 体管模拟发生器开始 投入使 用， 电 源 效率提高、 体积和重量下降。 但由于受开关速度的限 制和晶体 管开关 特性的影 响，采用晶体管模拟放大器的超声波电源有以下几个缺点。 ( 约 功耗较大。由于 o t l , o c l电路理论效率只有 7 8 %左右，其实际效 西北工业大学硕士论文 率更低，功耗大，导致功率管发热严重，需要较大的散热功率。功率管的发热 导致工作不太稳定。 ( 2 ) 体积大、 重量重。由于 功率管输出 功率受到限 制， 要输出大功率需要 更多的功率管，且发生器所需求的 直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后 得到的。大功率的变压器重、效率低。 ( 3 ) 不易使用现代微处理器来处理。由 于该电 路呈现模拟线路特征， 用数 字处理复杂，涉及到 a / d和 d / a转换，成本高、可靠性低。 随着电 力电 子器件的发 展， 特别是 v d m o s 管和i g b t的发展与成熟，使 采用开关型发生器成为可能。 开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出的功率。由 于 晶 体管 在截止和饱和导通时的 功耗很小， 开关型发生 器主 要有以下特点。 ( 1 ) 功耗低、 效率高。 开关管在开关瞬时的功耗较大， 但由于开关时间短， 在截止或导通时的功耗很小， 因此总的功耗较小。 最高效 率可达到9 0 % 左右。 ( 2 ) 体积小、 重量轻。由 于效率高、功耗低， 使得散热要求较低， 而且各 个开关管可以 推动的功率大;在直流电源作用下可 直接 变换使用，不需电 源变 压器降压，因此体积小，重量轻。 ( 3 ) 可靠性好。与微处理器等配合较容易，电 子器件在工作时 温升较低， 工作可靠，加上全数字开关输出，可用微处理器直接控制。 1 . 2电力电 子器 件在超声波电源中的应用 开关型超声 波发生器的发展其实 与开关型电 源的发展息息 相关， 而开关型 电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连，电力电子开关器件的发展过 程 如 下 6 2 0 世纪5 0 年代， 双极型开关晶体管作为开 关电 源的开 关管， 线路成熟， 价 格低。 主 要缺点是由于双极开关管的上升、 下降时延 较大， 开关频率不能太高， 一般在2 0 k h z 左右。 它在开 关电 源场合有很多 应用，在 超声波发生器中由 于开 关频率电 力电 子开关器件的发 展过程低，主 要应用于开关 频率不高的场合。 西北工业大学硕士论文 率更低，功耗大，导致功率管发热严重，需要较大的散热功率。功率管的发热 导致工作不太稳定。 ( 2 ) 体积大、 重量重。由于 功率管输出 功率受到限 制， 要输出大功率需要 更多的功率管，且发生器所需求的 直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后 得到的。大功率的变压器重、效率低。 ( 3 ) 不易使用现代微处理器来处理。由 于该电 路呈现模拟线路特征， 用数 字处理复杂，涉及到 a / d和 d / a转换，成本高、可靠性低。 随着电 力电 子器件的发 展， 特别是 v d m o s 管和i g b t的发展与成熟，使 采用开关型发生器成为可能。 开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出的功率。由 于 晶 体管 在截止和饱和导通时的 功耗很小， 开关型发生 器主 要有以下特点。 ( 1 ) 功耗低、 效率高。 开关管在开关瞬时的功耗较大， 但由于开关时间短， 在截止或导通时的功耗很小， 因此总的功耗较小。 最高效 率可达到9 0 % 左右。 ( 2 ) 体积小、 重量轻。由 于效率高、功耗低， 使得散热要求较低， 而且各 个开关管可以 推动的功率大;在直流电源作用下可 直接 变换使用，不需电 源变 压器降压，因此体积小，重量轻。 ( 3 ) 可靠性好。与微处理器等配合较容易，电 子器件在工作时 温升较低， 工作可靠，加上全数字开关输出，可用微处理器直接控制。 1 . 2电力电 子器 件在超声波电源中的应用 开关型超声 波发生器的发展其实 与开关型电 源的发展息息 相关， 而开关型 电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连，电力电子开关器件的发展过 程 如 下 6 2 0 世纪5 0 年代， 双极型开关晶体管作为开 关电 源的开 关管， 线路成熟， 价 格低。 主 要缺点是由于双极开关管的上升、 下降时延 较大， 开关频率不能太高， 一般在2 0 k h z 左右。 它在开 关电 源场合有很多 应用，在 超声波发生器中由 于开 关频率电 力电 子开关器件的发 展过程低，主 要应用于开关 频率不高的场合。 西北工业大学硕士论文 2 0 世纪8 0 年代， 采用 v d mo s 管。主要 优点:开关频率高、 驱动简单、 抗击穿性好。 主要缺点是导通电阻大，在高压大电 流场合功耗较大。 因此， 主 要用于 开关频率高、 功率小的 场合。 2 0 世纪9 0 年代， 采用i g b t ， 它是一种 m o s 与双极管结合的产物，既有 m o s 管开关频率高， 驱动简单等优点， 也 有双极管导 通压降小， 耐压高等优点。 它的开关频率目前可以在 4 0 - 5 0 k h z ， 功率可以达到 5 0 0 0 w。 在一般超声波发生 器中 很少用，因为价格较高， 保护线路要求复 杂。 电 力电子器件经 历了工频， 低频，中 频到高 频的发展历程。随 着电力电子 器件的迅速发展，电 力电子电路的控制也在飞 速发展。控制电 路最初以相 位控 制为手段、由分立元件组成，发展到集成控制器， 再到实现高频开关的计算机 控制。向着更高 频率，更低损耗和全数字化的方向发展。 模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移 严重、容易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电 路的控制线路。提高了 控制信号的开关频率， 只需外接若干阻容元件即可直接 构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻 容元件的存在， 模拟控制电 路的固 有缺陷，如元件参数的 精度和一致 性、元件 老化等问题仍然存在。此外， 模拟集成控制芯片还存在功耗较大、 集成度低、 控 制 不 够 灵活 ， 通 用 性 不 强 等问 题 71 用数字化控制代替模拟 控制， 可以消除 温度 漂移等常规模拟调节器难以 克 服的缺点，有利于参数整定和变参数调节， 便于 通过程序软件的 改变， 方便地 调整控制方案和实现多 种新型控制策略。同时可 减少元器件的数目 、简化硬件 结构， 提高系统可靠性。此外，还可以实 现运行数据的自 动储存和故障自 动诊 断，有助于实 现电力电子装置运行的智能化 8 1 超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式。 1采用单片机控制 单片机是一 种在一 块芯片上集成了c p u . r a m / r o m、 定时 一器/ 计数器和 / o 接口等单元的微控制芯片， 具有速度快、功能强、 效率高、 体积小， 性能可靠、 西北工业大学硕士论文 抗干 扰 能 力 强 等 优 点， 在各 种控 制 系 统 中 应 用 广 泛 191 。 单 片 机 主 要以 美国i n t e l 公司生产的m c s - 5 1 和mc s - % 两大系 列为代表。 在超声 波发生器中， 单片机 主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、 p wm 信号生成、 系统状态监控 和故障自 我诊断等， 一般作为整个电 路的主 控芯片运行， 完成多种综合功能。 配合d / a转换器和m o s f e t 功率 模块实 现脉宽调制。 另外， 单片机还具有对过 流，过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。 单片 机控制克服了 模拟电 路的固有缺陷， 通过数字化控制方法，得到高 精 度 、高 稳定度的控制特性， 可实现灵活多样的控制功能。 但是， 单片机的工作 频率与控制精度是一对矛盾， 处理速 度也很难满足高 频电路的要求， 这就使人 们寻求功能更强芯片的帮助，于是d s p 应运而生。 2 . 采用 d s p控制 d s p是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器。内部集成了波特率发生器 和 f i f 。 缓冲器，提供高 速同步串口 和标准异步串口 ，有的片内 还集成了采样/ 保持和 a / d转换电路，并提供 p wm 信号输出。与单片机相比，ds p具有更快 的 c p u ，更高的集成度和更大容量的存储器。 d s p属于精简指令系统计算机， 大多数指令都能 在一个周期内 完成并可通 过并行处理 技术， 在一个指令周期内 完成多条指令。同 时， d s p采用改 进的哈 佛结 构，具有独立的 程序和数据空间，允许同 时存储程序和数据。内 置高速的 硬件乘法器，增加了 多级流水线，使其具有高速的 数据运 算能力。而单片机为 复杂指令系统计算机， 多数指令要 2 - 3 个指令周期才能完成。 单片机采用诺 依 曼结构，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据。单 片机的a l u只能做加法，乘 法需要由软件来实现， 需要占 用较多的指 令周期， 速度比较慢。d s p与 1 6 位单片机相比，执行单指令的时间快 8 - 1 0倍，一次乘 法运算时间快 1 63 0 倍。 在超声波发生器中，d s p可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路 控制、系统实时监控及保护、系统通信等。虽然 d s p 有着许多优点，但是它也 存在一些局限性， 如采样频率的选择、 p wm信 号频率及其精度、采样延时、 运 西北工业大学硕士论文 算时间及精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。 3 . 采用f p g a控制 f p g a属于可重构器件， 其内 部逻辑功能 可以 根据需要 任意设定， 具有集成 度高、 处理速度快、 效率高等优点 1 0 1 。 其结构主要分为三部分: 可编程逻辑块、 可编程 u o模块、可编程内 部连线。由 于f p g a的 集成度非常大，一片f p g a 少则几千个等效门， 多则儿万或几十万千等效门， 所以 一片 f p g a就可以 实现 非常复杂的 逻辑，替 代多块集成电 路和分立元件组成的电 路。 它借助于硬件描 述语言来对系统进行设计，采用三个层次 ( 行为描述、 p j l描述、门级描述) 的 硬件描 述和自 上至下( 从系统功能描述开始 ) 的设计 风格， 能 对三个 层次的描 述 进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上 具有相当 优势。 比 较而言， d s p 适合取样速率低和软件复杂程度高的 场合使用; 而当 系统 取样速率高 ( mh z 级) ， 数 据率高 ( 2 0 m b / s 以 上) 、 条件操作少时， f p g a更有优势。 夸1 . 3本文的研究背景及主要工作 一、本文研究背景 2 0 世纪6 0 年代初， 我国开 始研制各种功率的超 声波电 源。 到目 前为 止， 超 声电源经历了电 子管、晶闸管、晶体管、 v m o s 和i g b t的发展过程。 2 0 世纪 7 0 年代电 子管组成的 超声波电源电能利用率低、电 源成本高、 体积大。 2 0 世纪 7 0 年代到8 0 年代初， 晶闸管 超声波电 源开始投入使用。 晶闸管电源与电子管电 源相比效率有了很大提高，体积和重量有所下降。但由于受开关速度的限制和 晶闸管开关特性的影响，电源频率在2 0 k h z以下，工作效率较低。 为了 克服上述电 源的不 足， 人们开 始研制和使 用v m o s 电源o v m o s 电 源 开关速度高、 驱动功率小。 但是由 于管子的制造工艺结构限 制，单管的导 通电 流较小， 耐压较低， 抗电 流和电 压冲击能 力较差。 晶体三极管的驱动功率较大， 但采用大功率复合三极管， 开关速度会大大降低， 这种复合三极管一 般也只能 在 2 0 k h z以下使用。因此，v mo s 管和品体三极管一般适用于小功率超声波电 西北工业大学硕士论文 算时间及精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。 3 . 采用f p g a控制 f p g a属于可重构器件， 其内 部逻辑功能 可以 根据需要 任意设定， 具有集成 度高、 处理速度快、 效率高等优点 1 0 1 。 其结构主要分为三部分: 可编程逻辑块、 可编程 u o模块、可编程内 部连线。由 于f p g a的 集成度非常大，一片f p g a 少则几千个等效门， 多则儿万或几十万千等效门， 所以 一片 f p g a就可以 实现 非常复杂的 逻辑，替 代多块集成电 路和分立元件组成的电 路。 它借助于硬件描 述语言来对系统进行设计，采用三个层次 ( 行为描述、 p j l描述、门级描述) 的 硬件描 述和自 上至下( 从系统功能描述开始 ) 的设计 风格， 能 对三个 层次的描 述 进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上 具有相当 优势。 比 较而言， d s p 适合取样速率低和软件复杂程度高的 场合使用; 而当 系统 取样速率高 ( mh z 级) ， 数 据率高 ( 2 0 m b / s 以 上) 、 条件操作少时， f p g a更有优势。 夸1 . 3本文的研究背景及主要工作 一、本文研究背景 2 0 世纪6 0 年代初， 我国开 始研制各种功率的超 声波电 源。 到目 前为 止， 超 声电源经历了电 子管、晶闸管、晶体管、 v m o s 和i g b t的发展过程。 2 0 世纪 7 0 年代电 子管组成的 超声波电源电能利用率低、电 源成本高、 体积大。 2 0 世纪 7 0 年代到8 0 年代初， 晶闸管 超声波电 源开始投入使用。 晶闸管电源与电子管电 源相比效率有了很大提高，体积和重量有所下降。但由于受开关速度的限制和 晶闸管开关特性的影响，电源频率在2 0 k h z以下，工作效率较低。 为了 克服上述电 源的不 足， 人们开 始研制和使 用v m o s 电源o v m o s 电 源 开关速度高、 驱动功率小。 但是由 于管子的制造工艺结构限 制，单管的导 通电 流较小， 耐压较低， 抗电 流和电 压冲击能 力较差。 晶体三极管的驱动功率较大， 但采用大功率复合三极管， 开关速度会大大降低， 这种复合三极管一 般也只能 在 2 0 k h z以下使用。因此，v mo s 管和品体三极管一般适用于小功率超声波电 西北工业大学硕士论文 源 d u 综上所述， 超声波电源需 要一种开关速度快、导 通电流大、耐压高、 抗冲 击能力强、 驱动功率小的新型 功率器件。同 时， 随 着微电 子技术、 计算机技术、 自 动控制理论和电力电 子技术的发展， 超声波电 源需要一种功率大、性能高、 成本低的 系列化超声波电 源。 要求能较好适应换能器阻 抗变化、 频率漂移等所 带来的疑难问 题。所以， 如何提高超声波电源的可靠性、与换能器的匹配性能 乃是我们广大科技工作者i待解决的问题。 功率开关器件是超声波电 源的核心器件，对超声波电 源的电路设计性能 有 很大影响，它是决定超声波电 源可靠性的关 键因数。性能好、可靠性高的开 关 器件将大大简化超声波电源的电 路设计， 解决目 前大功率超声波发生器的设计 难点。但由 于我国目 前大功率电力电 子器件生产能力不足，国 外进口 的器件价 格比 较昂 贵。 所以，采 用新的电路设计方案， 提高 超声波电源可靠性问题迫在 眉睫。由 此， 超声波电 源设计中功率放大电 路设计的合理性非常重要。 超声波电源与超声波换能器的匹配是超声波电源设计的另一个重要问题。 一方面，匹配电路使发生器向换能器输出额定的电功率:另一方面，通过匹配 使发生器输出 效率最高。由 此可见，匹配的好坏直接影响 着功率超声源的 产生 和效率。因此，合理、正 确设 计超声波电 源与 换能器的匹配电路也很重要。 二、本文主要工作 本文是 在理论研究的 基础上， 研制一种超声波电 源， 实现超声波雾化功能。 就超声波电源部分的设计来讲，主要任务是 完成超声波电 源系统的设计、各组 成部分电 路的设计调试以 及超声波雾化系统的调试。 木文的研究内容主要有以下几个部分。 1 . 研究超声波电源系统， 讨论超声 波电 源常用的拓扑结构， 确定 超声波电 源系统方案。 2 . 研究 超声波末级功率放大电路的原理， 分析超声波末级功率放大器的 具 体拓扑结构，进行主电路元器件参数计算和选择。 3 . 研究超声波电 源反馈电 路原理， 确定 频率自 动 跟踪电路和功率反馈电 路 西北下业大学硕上论文 方案。 4 . 研究超声波电源与超声波换能器匹配电路的原理， 设计主功率高频变压 器 。 5 .研究超声波电源中的驱动电路及保护电路，确定驱动电路的方案和保护 电路的实现方法。 6 .根据设计结果， 试制电 路， 测试实 验结果， 对设计进行验证。 1 . 4本章小结 本章主要论述了超声波电源的发展概况，电力电子器件在超声波电源中的 应用，以及本论文的研究背景及主要工作。 超声波电源从最初的电子管放大器型发展为晶体管开关放大器型。超声波 电 源效率大幅度提高、 体积明显下降。 本章从电 力电子器件在超声波中的 应用 入手， 详细介绍了 各种电力电子器件以 及控制芯片的发展， 为合理选择功率放 大电 路元件、电 路控制方法打下了良 好的基础。 在电 力电子器件飞速发展的 今天，高频化、 小型化、数字化超声波电 源的 研制己势在必行。 本文研究内容属国家自 然科学 课题 ( 5 0 2 7 5 1 2 5 ) 和横向 客体 ( n 4 e k 0 0 2 0 ) 资助项目 。 旨在完 成超声波雾化电源系统研制， 实现超声波雾化 功能 。 西北下业大学硕上论文 方案。 4 . 研究超声波电源与超声波换能器匹配电路的原理， 设计主功率高频变压 器 。 5 .研究超声波电源中的驱动电路及保护电路，确定驱动电路的方案和保护 电路的实现方法。 6 .根据设计结果， 试制电 路， 测试实 验结果， 对设计进行验证。 1 . 4本章小结 本章主要论述了超声波电源的发展概况，电力电子器件在超声波电源中的 应用，以及本论文的研究背景及主要工作。 超声波电源从最初的电子管放大器型发展为晶体管开关放大器型。超声波 电 源效率大幅度提高、 体积明显下降。 本章从电 力电子器件在超声波中的 应用 入手， 详细介绍了 各种电力电子器件以 及控制芯片的发展， 为合理选择功率放 大电 路元件、电 路控制方法打下了良 好的基础。 在电 力电子器件飞速发展的 今天，高频化、 小型化、数字化超声波电 源的 研制己势在必行。 本文研究内容属国家自 然科学 课题 ( 5 0 2 7 5 1 2 5 ) 和横向 客体 ( n 4 e k 0 0 2 0 ) 资助项目 。 旨在完 成超声波雾化电源系统研制， 实现超声波雾化 功能 。 西北工业大学硕十论文 第二章 超声波电源系统的原理与组成 本章简要介绍了超声雾化系统的工作原理， 重点介绍了超声波电源的原理、 组成和电路的拓扑结构。 2 . 1超声波电源系统原理 目 前，功率超声设备的 换能器主要采用压电 换能器，它是一个将电能转换 成超声能的器件。 对于压电 超声波雾化器， 无需 对液体加热， 就能 直接把液体 雾化成 1 - l o u m 的微 粒。其雾化机理如下:在超声波雾化装置中， 超声信号传 输到压电 换能器上， 换能器的机械振 动输出动能; 动能 作用使液面产生隆 起， 产生空化作用。由于空化作用所产生的冲击波将以 换能 器的振 动频率不断反复 振动，使在液面 上产生有限振幅的 表面张 力波。张力波的波动扩散，促使液体 雾 化 ， 。 超声波雾化系统主要包括两个部件: 超声波换能器 和超声波电 源。 超声波 换能器将超声波发生器 提供的电 信号转换为动能 输出。 超声波电源为换能器提 供所需的电能。 互 2 . 2超声波电源的 原理、 通常，超声波雾化电源系统主要由驱动电路、功率放大器、匹配电路、换 能 器和反馈电路等部分组成。 超声波电 源的 原理如图2 - 1 所示。 图2 - 1 超声波发生器的原理 马 区 动 电路 西北工业大学硕十论文 第二章 超声波电源系统的原理与组成 本章简要介绍了超声雾化系统的工作原理， 重点介绍了超声波电源的原理、 组成和电路的拓扑结构。 2 . 1超声波电源系统原理 目 前，功率超声设备的 换能器主要采用压电 换能器，它是一个将电能转换 成超声能的器件。 对于压电 超声波雾化器， 无需 对液体加热， 就能 直接把液体 雾化成 1 - l o u m 的微 粒。其雾化机理如下:在超声波雾化装置中， 超声信号传 输到压电 换能器上， 换能器的机械振 动输出动能; 动能 作用使液面产生隆 起， 产生空化作用。由于空化作用所产生的冲击波将以 换能 器的振 动频率不断反复 振动，使在液面 上产生有限振幅的 表面张 力波。张力波的波动扩散，促使液体 雾 化 ， 。 超声波雾化系统主要包括两个部件: 超声波换能器 和超声波电 源。 超声波 换能器将超声波发生器 提供的电 信号转换为动能 输出。 超声波电源为换能器提 供所需的电能。 互 2 . 2超声波电源的 原理、 通常，超声波雾化电源系统主要由驱动电路、功率放大器、匹配电路、换 能 器和反馈电路等部分组成。 超声波电 源的 原理如图2 - 1 所示。 图2 - 1 超声波发生器的原理 马 区 动 电路 西北工业大学硕士论文 驱动电路产生特定频率的信号， 推动功 率放大管工作。 此信号可以是正弦 或脉冲信号;特定频率就是换能器频率。目 前，在超声波设备中 所采用的频率 为2 0 k h z , 2 5 k h z , 2 8 k h z , 3 5 k h z , 4 0 k h z 和 1 0 0 k h z o 2 功率放大器 功率放大器是超声 波电源的核心部件， 它有多 种结构形式， 如电 子管甲 类 放大器、甲乙类放大器、晶体管甲类或乙类放大器、晶体管开关式放大器等， 功率一般从5 0 w到5 0 0 0 w不等。 3 .阻抗匹配电路 阻抗匹配电路是为了 使超声波发生器的输出 的阻抗与换能 器相符，推动换 能器将电信号转换为动能 输出。 4 .反馈电路 反馈电路，主要提供两个方面的 反馈信号:输出功率反馈信号和频率反 馈 信号。当超声波电 源的供电电 源电 压发生 变化时，发生器的 输出 功率 也会发生 变化，反映在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致工作不稳定。因此需要稳 定输出功率，通过功率反 馈信号相应调整功率放大器，使功率放大稳定。当换 能器工作在谐振频率点时，效率最高，工作最稳定。而换能器谐振频率点 会由 于装配原因 和工作老化而改变，产生频率漂移， 频率跟踪信号可以 控制超声波 电 源，使超声波电源的 频率在一定范围内 跟踪换能 器的谐振频率点， 让发生器 工作在最佳状态。 5 .换能器 换能器将超声波电源输出的电信号转化为动能输出， 完成超声波雾化功能。 夸 2 . 3开关电源的原理 开关电源指利用高频 功率开关器件， 通过变换 技术制成的高 频开关 直流稳 压电 源。目 前， 开关电 源以其高性能、 低成本、体 积小和重量轻等优点己 经广 泛应用于通讯、 遥感、电 子仪器等领域中， 而它在 超声波电 源等大功率领域的 应用才刚刚起步。 西北工业大学硕士论文 驱动电路产生特定频率的信号， 推动功 率放大管工作。 此信号可以是正弦 或脉冲信号;特定频率就是换能器频率。目 前，在超声波设备中 所采用的频率 为2 0 k h z , 2 5 k h z , 2 8 k h z , 3 5 k h z , 4 0 k h z 和 1 0 0 k h z o 2 功率放大器 功率放大器是超声 波电源的核心部件， 它有多 种结构形式， 如电 子管甲 类 放大器、甲乙类放大器、晶体管甲类或乙类放大器、晶体管开关式放大器等， 功率一般从5 0 w到5 0 0 0 w不等。 3 .阻抗匹配电路 阻抗匹配电路是为了 使超声波发生器的输出 的阻抗与换能 器相符，推动换 能器将电信号转换为动能 输出。 4 .反馈电路 反馈电路，主要提供两个方面的 反馈信号:输出功率反馈信号和频率反 馈 信号。当超声波电 源的供电电 源电 压发生 变化时，发生器的 输出 功率 也会发生 变化，反映在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致工作不稳定。因此需要稳 定输出功率，通过功率反 馈信号相应调整功率放大器，使功率放大稳定。当换 能器工作在谐振频率点时，效率最高，工作最稳定。而换能器谐振频率点 会由 于装配原因 和工作老化而改变，产生频率漂移， 频率跟踪信号可以 控制超声波 电 源，使超声波电源的 频率在一定范围内 跟踪换能 器的谐振频率点， 让发生器 工作在最佳状态。 5 .换能器 换能器将超声波电源输出的电信号转化为动能输出， 完成超声波雾化功能。 夸 2 . 3开关电源的原理 开关电源指利用高频 功率开关器件， 通过变换 技术制成的高 频开关 直流稳 压电 源。目 前， 开关电 源以其高性能、 低成本、体 积小和重量轻等优点己 经广 泛应用于通讯、 遥感、电 子仪器等领域中， 而它在 超声波电 源等大功率领域的 应用才刚刚起步。 西北工业大学硕士论文 一、开关电源分类 1 .按驱动方式可分为:自 激式、它激式和同 步式三类 1 3 自 激式电源出现最早， 特点是电路简单、 价格低廉、响应速度较快， 但开 关 频率变化大、 输出纹 波较大，不易做精确的分析。 它激式电电 源由 一个方波振荡 器推动功率开关电路。其特点是开关频率恒 定、 输出纹波较低， 但电路较复杂、 造价高、响应速度较慢。 同步式电 源是用一个独立于反馈环之外的简单振荡 器来同步自 激功率开关 电 路。在瞬态情况下，同步式电 路具有自 激式电 路性能; 在暂态情况下，它像 一个它激式开关电 路。同步的实现比 较复杂，要满足同 步频率和同 步幅度这两 个条件。 2 。按控制方式分 按控制方式，可分为脉宽调制开关电 源、 脉频调制电源和混合调制开关电 源 1 4 1 o p wm 型开关电 源的控 制脉冲信号的 周期固定，而导通时hl可调。p f m 型开关电 源开关的导通时间固定， 而开关周期可调。当功率开关的开关周期和 导通时间都可调时的开关电源为混合调制开关电源。 3 .按功率开关电路结构分 开关电 源按功率开关电 路的结构形式分，可分为降 压型、升压型、 升降 压 型、 c u k型、 s e p i c 型和z e t a 型6 种基本拓扑结构。 4 .其它分类 按输入与输出 之间是否要变压器隔离，可分为有隔离和无隔 离两类。变压 器型中按开关管输出电路的形式可分 为单端开关电源和双端开 关电 源。而双端 开关电 源又可分为推挽型、半桥型和全桥型。单端开关电源可分为单端正 激型 和单端反激型。 二、 开关电 源主电路拓扑结构 1 . 基本拓扑结构 开关电 源主电路的 基本拓扑包括降压型变换器、升压型变换器、 升降压型 变 换 器 、 c u k 型 变 换 器 等 p - u j 西北工业大学硕十论文 1 )降压型变换器 降压型开关电源主电路如图2 -2 所示。 主电路由功率开关t 、 储能电感l , 续流二极管 d ,滤波电容 c和负载 r组成。降压型开关电源的工作原理是:t 导通时，电源一方面通过储能电感 l向负载 r供电，另一方面向储能电感 i. 存 储能量。t关断时，电感中的能量通过l , r , c和续流二极管 d降将存储的电 能放到电 阻中去。 储能电 感l 很小时，电 感中的能 量有可能 在放完后丁 还没有 开通，导致负载电流断续，一般情况下，将会造成输出电压纹波大、电源调制 率变差等不良 影响，因 此这种情况是不希望出 现的。 丁 舌 l 尖 。 率 * c6 图2 -2降压型开关电源主电路图 电流连续时，负载电压平均值为 u, =三- e = 丛e 一 d e t + t ff t ( 2 - i ) 式中， t o n 为t处于通态的时间; t o ff 为t 处于断态的时间; t为开 关周 期; d 为占 空比 ，口 一 丛。 t ( 2 )升压型变换器 升压型开关电源主电路，如图 2 -3 所示。 -i l c t r u - 图2 -3升压型开关电源主电路 西北工业大学硕士论文 升压型与降压型开关电 源相同， 由 功率开关t 、 储能电感l 、 续流二极管d , 滤波电容c 和负 载 r 组成。 升压型开关电 源的工 作原理是:t 导通时，电源中 的能量以 磁能的形式储存在电 感中，电 容 c向负 载r放电。t 关断时，电源能 量和电感的能量同时向负载供电。 在电感很小时，电流也会出现不连续的状况， 因此，在工作时应该使储能电 感量满足最小电 感值的 要求。电 流连续时，负载 电压平均值为 u o = to . + to f e _ 二e = 卫 -e ( 2 - 2 ) t o ff t a ff 1 一d ( 3 )升降压型变换器 升降压型开关电源主电路，如图2 -4 所示。 t2 . d u 占 * 图2 -4升降压型开关电源主电路 可以 看作一个降压斩波器和一个升压斩波器的 组合。 设电源电流平均值为 i , ， 负载电流平均值为1 2 ;当脉动足够小时有 i , t o . 1 2 t o g d 1一 d ( 2 - 3) 同时，假设功率单元没有能 量损耗，则有 e i , = u a i 2 化简后