（电路与系统专业论文）数字化超声波电源系统的研究与设计.pdf

l 摘要 i i ii i ili ii ii ii ii i iiil | y 1912 8 2 3 课题来源于国家自然科学基金资助项目棒形超声换能器的 研究( 项目批准号：1 0 8 7 4 1 2 3 ) ，旨在研究一款数字化、智能化的大 功率超声波清洗用电源，以驱动所设计的超声换能器。 超声清洗因其清洗效果好、效率高、速度快、易于实现自动化等 优点，在电子、化工、机械和医药等诸多领域得到了广泛的应用。超声 波清洗系统包括超声波电源、换能器和清洗槽，本文主要研究超声波 电源的设计，所做工作主要有： 1 、在对换能器的阻抗特性进行研究和分析的基础上，从理论上 论证了采用电压与电流的相位差作为频率跟踪系统控制参数的可行 性。 2 、采用直流开关电源及现代逆变技术，设计制作了超声波电源 的主电路，并对电路进行了调试。 3 、采用硬件和软件相结合的方法，设计了基于压控振荡器和单 片机的p w m 信号发生器。该方法实现了超声波电源的数字化控制， 同时保证了逆变输出信号的频率分辨率。 4 、研究了超声电源的频率自动跟踪问题。采用相位差控制的方 法，设计了一种由硬件电荷泵鉴相器、压控振荡器l t c 6 9 0 0 、低通滤 波器和单片机构成的新型锁相环控制电路。实验结果表明，该电路工 作稳定，具有较好的频率跟踪效果。 5 、针对单频超声清洗时因驻波产生清洗盲区进而造成清洗不均 匀的问题，采用积分电路输出的三角波作为振荡器的控制信号，设计 了扫频工作模式。实验表明，扫频清洗能够使声场均匀化，提高了清 洗效果。 最后在理论分析与设计的基础上，对设计的电路进行了实际制 作，并通过实验对各设计进行了验证。结果表明，该超声波电源工作 可靠，动态调节性能良好，具有很高的实际应用价值。 关键词：超声波电源；频率跟踪；扫频控制；a t m e g a l 2 8 ；数字p w m 信号发生器 a b s t r a ( 了r t h ep r o j e c to ft h i st h e s i si s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ，n a m e d “s t u d y o na c l u b s h a p e d u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r ”( g r a n tn o 1 0 8 7 4 1 2 3 ) t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st or e s e a r c h a n dd e s i g nad i g i t a la n di n t e l l i g e n th i g h - p o w e ru l t r a s o n i cc l e a n i n gp o w e r , f o rd r i v i n gt h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r w i t ht h ea d v a n t a g e so fs a t i s f a c t o r yc l e a n i n ge f f e c t ，h i g he f f i c i e n c y , f a s ts p e e da n de a s ya u t o m a t i o n ，t h eu l t r a s o n i cc l e a n i n ge q u i p m e n ti s w i d e l ya p p l i e d i ni n d u s t r i e so fe l e c t r o n i c s ，c h e m i c a l ，m a c h i n e ， m e d i c i n e ，e t c t h e u l t r a s o n i cc l e a n i n gs y s t e mi n c l u d et h r e ep a r t s ： g e n e r a t o r , t r a n s d u c e ra n dc l e a n i n gc h a n n e l t h em a i np u r p o s eo ft h i s t h e s i si st or e s e a r c ha n dd e s i g na nu l t r a s o n i cp o w e r t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 、b a s e do ns t u d y i n gt h ei m p e d a n c eo ft h et r a n s d u c e r , t h ep a p e r i l l u s t r a t e sw h yp h a s ed i f f e r e n c ec a nb eu s e da sac o n t r o lp a r a m e t e ri n a u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k i n gs y s t e m 2 、t h es w i t c h e dm o d ep o w e rs u p p l ya n di n v e r t e rt e c h n o l o g yh a v e b e e na p p l i e dw h e nd e s i g n e dt h em a i nc i r c u i to ft h eu l t r a s o n i cp o w e r s u p p l y , a n dt h ec i r c u i ti st e s t e d 3 、u s i n gh w s wc od e s i g nt e c h n i q u e ，ap w ms i g n a lg e n e r a t o r b a s e do nv c oa n dm c ui sd e s i g n e d t h em e a n i n go ft h ei n n o v a t i o ni s t or e a l i z ed i g i t a lc o n t r o lo ft h eu l t r a s o n i c p o w e rs u p p l y , w i t hh i g h h i f r e q u e n c yr e s o l u t i o n 4 、b a s e do nt h ep h a s ed i f f e r e n c ec o n t r o lm e t h o d ，an e wk i n do f p h a s e l o c k e dl o o pc i r c u i t ，w h i c hc o n s i s t so fc h a r g e p u m p 、l t c 6 9 0 0 、l p f a n dm c u ，i sd e s i g n e d t h ee x p e d m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h ec i r c u i t c o m p l e t e db yt h ea u t h o rw o r k sw e l la n di t c a nt r a c kt h ef r e q u e n c yo f t r a n s d u c e ra u t o m a t i c a l l y 5 、t oi m p r o v et h ec l e a n i n ge f f e c t ，t h ep f mw o r k i n gm o d ei s d e s i g n e db yu s i n gt h et r i a n g l ew a v e f o r mg e n e r a t e db yi n t e g r a t o r a sa c o n t r o ls i g n a lo ft h ev c o ，t e s t ss h o wt h a tt h ep f mw o r k i n gm o d ec a n m a k et h es o u n df i e l db e c o m eh o m o g e n e o u sa n dp r o v i d es a t i s f a c t o r y c l e a n i n ge f f e c t f i n a l l y , t h ec i r c u i t i sf a b r i c a t e do nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n d s t u d y i n g ，a n da l s o ，t h ed e s i g ni sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ep o w e rh a sh i g hr e l i a b i l i t y ，e x c e l l e n tr e g u l a t i o np e r f o r m a n c ea n d h i g ha p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y , f r e q u e n c yt r a c k i n g ，p f mc o n t r o l ， a t m e g a l 2 8 ，d i g i t a lp w ms i g n a lg e n e r a t o r 目录 摘要i a b s t r a c r i 第一章绪论。1 1 1 超声波电源的发展概况与趋势o 1 1 2 控制技术在超声波电源中的应用4 1 3 论文选题的意义及主要工作6 第二章超声波电源系统的基本原理。8 2 1 超声波电源系统的构成8 2 2 超声换能器的阻抗特性1 0 2 3 超声波电源频率跟踪的理论基础- 1 2 2 4 本章小结1 5 第三章超声波电源主电路的研究与设计1 6 3 1 整流滤波电路设计。1 6 3 2 高频逆变电路的设计1 8 3 2 1 逆变电路拓扑结构的选择1 8 3 2 2 逆变电路功率开关器件的选择。2 1 3 2 3i g b t 缓冲电路的设计。2 3 3 3 驱动电路的设计2 5 3 4 高频变压器的设计2 8 3 5 匹配网络设计= 。3 2 3 5 1 阻抗匹配3 2 3 5 2 调谐匹配：3 3 3 6 本章小结3 5 第四章超声波电源控制系统的研究与设计。3 7 4 1a t m e g a l 2 8 单片机3 7 4 2 超声波电源控制系统整体结构3 9 4 3p w m 信号发生电路4 0 4 3 1 信号发生电路设计4 0 4 3 2 基于a t m e g a l 2 8 单片机的p w m 产生原理4 4 4 4 频率跟踪控制系统设计4 8 4 4 1 锁相控制原理。4 9 4 4 2 锁相环芯片c d 4 0 4 6 介绍。5 0 4 4 3 频率跟踪控制电路设计与分析5 3 4 5 扫频控制系统设计。5 8 4 6 过流保护电路6 0 4 7 人机接口电路设计m 6 1 4 7 1 液晶显示电路设计6 1 4 7 2 键盘输入电路设计6 3 4 8 本章小结6 5 第五章实验结果与分析6 6 5 1 驱动电路实验6 6 5 2 扫频控制电路实验6 7 5 3 频率跟踪电路实验。6 8 5 4 本章小结6 9 第六章总结与展望7 0 参考文献7 3 附录7 9 致 射8 0 湖南师范大学学位论文原创性声明。8 1 湖南师范大学学位论文版权使用授权书。8 1 数字化超声波电源系统的研究与设计 第一章绪论 作为一门边缘学科，超声工程学被广泛应用于工业生产、环境保 护和卫生保健等领域【l - 7 。近十年来，我国对超声技术及其应用的研 究异常活跃。按研究内容，超声工程学可分为检测超声和功率超声两 大领域【8 l 。 超声清洗是功率超声的一个非常重要的应用，它是把被清洗物件 放置在清洗液中，同时向清洗液辐射超声而实现清洗的工艺过程 9 1 。 与其他传统清洗方法相比，超声波清洗具有清洗效果好、效率高、速 度快、易于实现自动化等优点，在各种机械的、物理的、化学的清洗 方法中，超声清洗是最有效、最理想的一种。在很多生产企业中，已 经慢慢用超声清洗取代了传统刷洗、振动清洗和压力冲洗等工艺方 法。 1 1 超声波电源的发展概况与趋势 超声波电源用来给换能器提供超声频电信号。按激励方式，超声 波电源有他激式和自激式两种。他激式超声波电源由信号发生器和功 率放大器构成，超声能量经输出变压器耦合加载到换能器上；而自激 式超声波电源把功率放大器、换能器、信号发生器和输出变压器连成 一体，组成闭环回路，闭环回路要同时满足相位反馈和幅度反馈条件。 超声波电源的发展可以分为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体 管数字开关放大器这几个阶段【1 0 l 。三种超声电源的主要性能特点如表 1 - 1 硕士学位论文 表1 - 1 各种超声电源的主要性能特点 癸电子管式发生晶体管模拟型晶体管开关型发 项x 器发生器生器 复杂，采用i c 后 电路复杂度简单简单 较简单 功耗大中小 体积大 由 小 i 效率低( 约4 0 )中( 6 0 - - 7 0 )高( 8 0 。9 0 ) 重量重中轻 寿命短长长 成本低低局 输出功率中小大 调试方法简单一般复杂 保护电路简单 中复杂 自动化程度低 中 向 线路成熟用于用于较大功率场 动态范围宽，同 优缺点、现状及小功率场合合，可方便与微 时缺点很多，已 昔r 旦 ( 2 0 0 w 以处理器结合，是日j j 录 淘汰 下) ，成本较低主流发展方向 1 电子管放大器 二十世纪八十年代以前，采用电子管来实现信号的功率放大，由 电子管构成的放大器具有动态范围比较宽的优点，但此优点对超声波 数字化超声波电源系统的研究与设计 电源而言无太大意义。电子管有很多缺点，如功耗大、效率低、寿命 短等，现在已经被淘汰。 2 晶体管模拟放大器 二十世纪八十年代至九十年代，功率晶体管发展已经很成熟，各 种o t l 和o c l 电路应用到超声波电源中。这种类型的超声波电源线 路很成熟并且成本不高，但是功率损耗也较大，不易用单片机控制， 一般只用于功率低于2 0 0 w 的场合。 3 晶体管开关型放大器 开关型放大器可靠性好、效率高，具有功率损耗低，方便与单片 机结合等优点，其输出功率的调节通过改变功率开关管的占空比来实 现。目前使用比较多的功率开关器件有i g b t 和m o s f e t 。 经过多年的理论及应用研究，功率超声技术无论在工艺上还是设 备上都得到了很大的发展。随着新的控制技术和功率开关器件的出现 以及功率超声应用领域的不断拓展，今后，超声波电源的发展趋势如 下： ( 1 ) 兆赫兹超声波电源的研制 研究表明，采用兆赫兹超声波清洗时，空化效应很微弱，不会损 坏被洗物件的表面，能有效去除被洗物件表面的极小颗粒，并且方向 性很强。鉴于这些优点，兆赫兹超声波清洗在一些要求精密清洗的行 业中有着良好的应用前景。目前，对兆赫兹超声波电源的研制还存在 着很多问题：首先，功率开关管必须有非常高的开关频率，而此时为 提高效率，怎样降低开关损耗将是一大难题；此外，工作于如此高的 硕士学位论文 频率下，电磁干扰问题也十分突出。 ( 2 ) 智能化、集成化 把f p g a 、c p l d 等处理器芯片应用于超声波电源，使系统在运 行稳定可靠的同时，具备故障在线检测、自动诊断和远程控制等功能。 超声波电源正朝着全数字化方向发展，具有电脑智能接口能实现远程 控制的超声波电源将是今后的发展趋势【1 1 】。 ( 3 ) 高功率因数、低损耗 随着功率开关器件的发展，驱动电路的优化，整个超声波电源系 统的损耗将会大幅度降低，另一方面，随着i c e l 0 0 0 3 2 标准的执行， 加入功率因数校正装置，提高电源的功率因数，成为新的趋势 ( 4 ) 大功率、通用化 在超声清洗、超声焊接等超声应用中，经常需要超声波电源输出 极大的功率，因此要求功率开关管有足够大的容量。另外，为适应不 同行业超声应用的需求，超声波电源的通用化也是一个大趋势。 1 2 控制技术在超声波电源中的应用 开关型超声电源的发展和电力电子开关器件的发展密切相关【1 2 】。 电力电子开关器件的发展先后经历了双极型开关管、v d m o s 管和 i g b t 三个阶段，其工作频率也从工频，低频，中频发展到高频。电 力电子器件发展的同时，相应的控制技术也迅速发展。控制电路最开 始由分立元件构成，后来采用集成控制器，发展到由计算机控制。当 前，正朝全数字化、低损耗、高频率的方向发展。 模拟控制电路容易老化、温漂严重，参数调整不方便，另外在动 数字化超声波电源系统的研究与设计 态响应和控制精度等方面也不太理想。随着专用模拟集成控制芯片的 出现，电力电子电路的控制线路得以简化，同时电路的可靠性也得以 提高。但是由于外接电阻电容等元件的存在，模拟控制电路的一些缺 点如元件老化等问题依然存在。除此之外，模拟集成控制芯片还有功 率损耗大、通用性差和控制不灵活等问题【1 3 】。 用数字控制替代模拟控制，能够消除温漂等缺点，便于参数设定 和调节【1 4 1 。采用数字控制方式，可以通过改变程序软件，方便地调整 控制方案，实现不同的控制策略，同时可以简化硬件结构，提高电源 系统的可靠性。此外，数字控制还可以实现故障自动诊断和运行数据 的自动保存，有助于电力电子装置实现智能化运行【1 5 1 。一般而言，可 以采用以下三种方式来实现超声波电源的数字化控制。 ( 1 ) 采用单片机控制 ! 单片机因具有功能强、效率高、速度快、性能可靠等优点而被广 泛应用【1 6 1 。在超声波电源系统中，作为电路的主控芯片，单片机承担 着p w m 信号生成、参数调节、数据采集及运算、故障诊断等任务。 此外，单片机还能对过流过热等情况进行监控及中断保护，同时它也 可以配合功率管i g b t 及d a 转换器实现脉宽调制功能。由此可见， 单片机的控制功能灵活多样，但其工作频率与控制精度相矛盾，同时 其处理速度也满足不了高频电路的要求。 ( 2 ) 采用d s p 控制 d s p 是近年来发展起来的新一代可编程处理器，它可以提供标准 异步串口和高速同步串口，内部集成了f i f o 缓冲器和波特率发生器 硕士学位论文 【1 7 1 。与单片机相比，d s p 不仅集成度更高、c p u 速度更快，其存储 器的容量也比单片机大得多。d s p 属于精简指令系统计算机，通过并 行处理技术，它可以在一个指令周期的时间内完成多条指令，由于采 用了改进的哈佛结构，d s p 允许同时存储数据和程序。此外，d s p 内部还设置了高速的硬件乘法器，使其具有速度极高的数据运算能 力。在超声波电源系统中，d s p 可以完成除功率变换之外的几乎所有 功能。当然d s p 也有其局限性，如p w m 信号频率及精度、运算时 间及精度、采样频率的选择等，这些因素都会对电路的控制性能有所 影响。 ( 3 ) 采用f p g a 控制 f p g a 为可重构器件，可以根据用户需要对其内部逻辑功能进行 任意设定，它具有处理速度快和集成度高等优点。f p g a 的结构可以 分为可编程内部连线、可编程i o 模块以及可编程逻辑块三个部分。 f p g a 的集成度很大，一片f p g a 可以有几万甚至几十万个等效门， 因此，用一片f p g a 就可以实现很复杂的逻辑。f p g a 是借助硬件描 述语言v h d l 对系统进行设计的，它采用门级描述、r t l 描述以及 行为描述三个层次的硬件描述和自上而下的设计风格，可以对三个层 次的描述进行混合仿真。f p g a 具有可靠性好、体积小、成本低等优 点，比较适合应用于条件操作少、数据率高和取样速率高的场合。 1 3 论文选题的意义及主要工作 传统超声波清洗电源用的是模拟式放大器，其制造技术已经很成 熟。这类超声波电源具有输出功率不稳定、缺乏频率跟踪功能、参数 数字化超声波电源系统的研究与设计 设定不方便等缺点，已经满足不了实际应用的需要。本文采用单片机 结合现代逆变技术，设计制作了一款具有频率跟踪功能且输出功率可 调的超声波电源。 本文主要完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 分析了换能器在它的谐振频率周围的阻抗特性，阐述了采 用相位差作为频率自动跟踪系统控制参数的理论依据。 ( 2 ) 对超声电源的主电路进行了研究和设计，包括整流滤波电 路、全桥逆变电路、i g b t 驱动电路、高频变压器和匹配电路等。 ( 3 ) 设计了基于p w m 技术的超声电源控制系统。对控制系统 的各大功能模块分别进行了研究和设计。包括p w m 信号发生电路、 信号采样电路、频率跟踪电路、扫频电路、过流保护电路和人机接口 电路等。 ” ( 4 ) 对设计的电路进行了实际制作，并通过实验对设计进行了 验证。 硕士学位论文 第二章超声波电源系统的基本原理 超声波清洗机包括超声电源、换能器以及清洗槽三部分，它们互 相配合一起完成清洗任务，其中超声波电源及换能器是超声清洗系统 的两大主要部件。超声波电源用来产生超声频电能并将电能提供给换 能器；而换能器的作用是把电能转变成机械振动输出，其各参数直接 影响着超声波清洗机的性能。本章将分别对超声波电源系统的构成及 超声换能器的电阻抗特性等做详细介绍。 2 1 超声波电源系统的构成 超声波电源也称作超声波功率源、超声波发生器，其作用是将市 电转变为与换能器相匹配的超声频电信号。超声波清洗电源系统一般 由信号发生器、反馈电路、阻抗匹配电路、功率放大器以及换能器等 部分构成。其原理图如图2 - 1 所示。 图2 1 超声波电源原理图 1 信号发生器 信号发生器用于产生一个频率与超声换能器谐振频率一致的电 信号，以推动功率放大器工作。该电信号可以为正弦信号或者脉冲信 号。 2 功率放大器 信号发生器产生的信号较微弱，功率很小不能直接驱动换能器， 8 数字化超声波电源系统的研究与设计 因此需要用功率放大器对其电压和电流进行放大。功率放大器有甲 类、乙类、丙类以及甲乙类等多种结构形式。其中传统的甲类、乙类 和甲乙类功放是把有源器件当作电流源而工作的，它们在进行功率放 大时，有源器件工作于伏安特性曲线的有源区，这样在有源器件的集 电极上就会产生极大的电压和电流，从而使有源器件的功耗过大，降 低电路的放大效率。而丙类功率放大器采用了选频滤波和调制开关技 术，大大提高了放大电路的效率，理论上其能量转换效率为1 0 0 ， 实际应用中，效率能在9 0 以上。因此，目前广泛采用丙类功放对信 号进行放大。 3 阻抗匹配电路 ? 在给定电源电压的情况下，超声波电源输出功率的大小与其负载 阻抗密切相关。为使电源输出的额定功率取得最大值，必须使电源的 负载与其输出阻抗相匹配。基于此，需要在电源电路中加入阻抗匹配 电路。 一 4 反馈电路 秘 反馈电路主要用来提供两种反馈信号：一是频率反馈信号，清洗 机工作时，由于负载变化和温度变化等因素，换能器的谐振频率会产 生漂移，如果不能及时调整超声电源的工作频率，将会使换能器工作 于失谐状态，导致其效率下降，甚至停止振动。此时，通过频率反馈 信号能够控制超声电源，使其输出频率在一定范围内跟踪负载换能器 的谐振频率。二是输出功率反馈信号，当电网电压或负载变化时，电 源的输出功率会随之发生变化，这时换能器上的机械振动就变得忽大 硕士学位论文 忽小，工作很不稳定。为使负载换能器稳定工作，可以设计功率反馈 电路，通过功率反馈信号相应地调整功率放大器，使电源系统稳定工 作。 5 换能器 换能器的作用是将超声电源提供的电能转化成机械振动输出，完 成超声波清洗功能。 2 2 超声换能器的阻抗特性 当超声换能器在远低于其内部固有谐振频率的频率上工作时，其 电学特性可以等效为一个电容，即我们通常所说的自由电容c r 。自由 电容可由万用表直接测得，也可以在1 砒以下的激励信号作用下测 量出来，在换能器的工作过程中，它近似为一常数。当换能器工作于 其谐振频率附近时，则表现出极强的时变性和非线性，只要工作频率 稍许改变，换能器的机械特性和电阻抗特性就会发生明显地变化。由 此可推断，在谐振频率附近，换能器除具有静态特性外，还有随着频 率变化面变化的动态特性。 谐振频率附近，压电换能器可以近似看作一个集总系统，其等效 电路如图2 2 所示【1 8 , 1 9 】。 j ir d = _ = o i l 1 1 q d l 图2 - 2 换能器等效电路 数字化超声波电源系统的研究与设计 图中： r 压电陶瓷的内介电损耗，其影响可忽略； c 0 静态电容； 墨动态电阻； 动态电感； c 1 动态电容。 其中卧厶和g 并非真正的电学量，而是由换能器的损耗、机械 顺性以及质量分别折算所得的等效参数。通常把由卧小c 1 构成的 支路称作机械臂，尺d 、c 0 组成的支路称作电学臂。 由电路知识得，换能器阻抗为： z4r + i x 其中，电阻分量r 为： ( 2 1 ) 尺，冬一 ( 2 2 ) 【1 一瞩池一去) 】2 州2 c 0 2 r 2 “。 电抗分量x 为： ( 2 3 ) 由图2 2 中换能器的等效电路可知，墨、厶、c 1 构成的支路串联 谐振时，集总系统呈容性。这样换能器在一定频率下工作时，其上的 电流和电压之间有一相位角，导致换能器输出声功率达不到期望的最 大值。为使超声电源的能量更加有效地传送至换能器，提高电源系统 土堕搏一。一g 兰村 专| 却 盘一 鸠i i - i 硕士学位论文 的功率因数，让系统更加安全、稳定的工作，有必要设置调谐匹配网 络【2 0 】【2 1 1 。 2 3 超声波电源频率跟踪的理论基础 设激励信号的角频率为，在正弦波电压信号的激励下，串联谐 振支路的阻抗为： 硼鸠霄1f 哥7 一h 汜4 ， 由式( 2 4 ) 可知，阻抗实部r e z ( j e o ) 一日为一常数，虚部 h i l 【z ( ) 卜x ( ) = 鸠一去是关于角频率的函数，其随变化的规 l 律，也就是电抗的频率特性曲线如图2 3 。 j、z 吗 x 1 ， 7 ，、 0 ，一一7 ，吣， | 配。 图2 - 3 串联电抗的频率特性曲线 由图2 - 3 可知，当 时， ( 2 5 ) ( 2 6 ) 数字化超声波电源系统的研究与设计 阻抗的虚部i m z ( j t a o ) = 0 ，电路呈纯阻性。该状态我们称之为串联谐 振，此时的角频率称作串联谐振角频率，其数值为 ；1 二 ( 2 7 ) ”丽 叱夕 相应的串联谐振频率 兀2 司1 雨 2 8 ) 可见，串联谐振频率兀只与厶和c 1 有关。 电路发生谐振时，将会有以下现象发生： ( 1 ) 等效电抗等于零，等效阻抗为阻抗的最小值，即支路中的电阻墨。 此时，在电压信号的激励作用下，电路中电流就可以达到最大值，且 电流的相位与激励电压相同。 j ；旦。生( 2 9 ) z ( j ( a o ) 墨 ( 2 ) 感抗与容抗的值相等，由式( 2 4 ) 可知电容的电压相量 痧c 。_ l _ j 和电感的电压相量r b 一，蚺j 大小相等，相位角相反，这 _ 7 l 1 样电抗电压相量 痧而一痧k + r c 一0 ( 2 1 0 ) 激励信号电压相量 痧，= d 凡+ 痧厶+ 痧c 一痧凡一r j ( 2 1 1 ) 这样就相当于激励信号电压全部作用于电阻r 上，而电容电压和电感 电压互相抵消。 下面再看并联谐振电路部分的特性。同样假设激励信号角频率为 硕士学位论文 ，在正弦波电流信号的激励下。，她c 1 并联谐振电路的导纳为： w 峰嵋霄1 厣哥h 汜 导纳实部r e 【y ( i ) 】。g 1 为一常数，虚部i m y ( j w ) 一b ( ) = 嵋一是关 仉，工 于角频率的函数，其随变化的规律，也就是电纳的频率特性曲线 如图2 4 。 、b ，夕b 砬l 一一一， o i 一一 图2 - 4 并联电纳的频翠特性曲线 由图2 4 可知，当 0 ，电路呈容性。当= 时，电路处于并联谐振状态，此时 c l3 壶，电感的电流相量吒。瓦痧和电容的电流相量 纰l _ ，n k “ j c ，j c l d 大小相等，相位角相反，因此激励信号电流相量 j ，一j 凡+ 厶+ j c i j 凡；g l 痧 ( 2 1 3 ) 即并联谐振时，电感电流和电容电流互相抵消，激励信号电流全部流 过电阻支路，对整个并联谐振电路而言，其激励信号的电流与端电压 之间的相位差为零。 综上可知，超声换能器谐振时，流经它的电流及其两端的电压相 数字化超声波电源系统的研究与设计 位相同；而失谐时，换能器上的电流与电压之间存在一定相位差。因 此，可以通过电流与电压间的相位差情况来判断换能器谐振与否。这 就是锁相法频率跟踪控制的理论依据。 2 4 本章小结 本章先是介绍了超声电源的基本结构，然后在描述了超声波换能 器阻抗特性的基础上，分析了采用换能器上的电压与流过其电流的相 位差作为频率自动跟踪系统控制参数的理论依据，为超声波电源的频 率跟踪控制系统设计提供了理论基础。 硕士学位论文 第三章超声波电源主电路的研究与设计 超声波电源主电路包括整流滤波电路和高频逆变电路两个主要 部分，图3 - 1 和图3 2 分别给出了其结构框图和原理图。 市电口整流滤波电高频逆变电路口i 高频变压器口匹配网络口超声波换能 驱动电路 信号处理电 图3 1 超声波电源主电路结构框图 采样电路 图3 2 超户波电源主电路原理图 2 2 0 v 交流电经整流滤波后变成平滑的直流电，送入高频逆变电 路，逆变后产生频率与超声换能器谐振频率一致的交变电压。该交变 电压经高频变压器变至所需的工作电压后，通过匹配网络的调谐、滤 波，作用于超声波换能器。 3 1 整流滤波电路设计 整流滤波电路用于将2 2 0 v 5 0 h z 的单相交流电转换为直流电， 以供后续功率逆变器使用。其电路原理图如图3 3 。 数字化超声波电源系统的研究与设计 图3 - 3 整流滤波电路 其中，整流桥选用日本富士电机公司生产的整流二极管模块 k b p c 2 5 1 0 ，其耐压值为7 0 0 v ，额定电流为2 5 a 。 一般而言，在整流桥后需要串联一个电感，以使直流波形更加平 滑，同时也可以用来抑制电流冲击，但是由于在超声波电源的匹配网 络中已加入了匹配电感及输出变压器，它们同样可以实现上述功能， 因此本设计中略去了串联电感部分。 为保证功率逆变器获得较为平稳的直流电压，整流桥后并联了一 个滤波电容q 。c 容值的确定很重要，如果太小，整流输出的直流 。手 电压会很大，这时，为了得到所需幅值的输出电压，就需要很高的控 制闭环增益及很大的占空比调节范围；q 如果太大，电容的充电电流 脉冲宽度就会变窄，从而使输入功率因素下降，同时滤波电容及整流 管的损耗也会增加。 通常，滤波电容q 的容值可采用如下两个公式计算： w - 万p o u t r ( 3 1 ) ， 监；鱼竖亟! ：亟! 二塑 ( 3 2 ) 22 式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 中： 硕士学位论文 呢个周期中由q 提供的能量； 电源输出功率，本设计中为3 k w ； 印电源效率，取o 9 ； 厂输入交流电压的频率，为5 0 h z ； 、u 曲以电压波动1 0 计算，分别取为2 4 2 v 和1 9 8 v ； u 印整流滤波后直流电压的最大脉动值，取2 0 v 。 代入有关数据，可以计算出q - 1 3 5 0 6 t f 。 整流滤波后直流电压的最大值f - 2 u 一3 4 2 v ，参考各厂家提供 的产品手册，选择2 2 0 0 z f 4 5 0 v 的电解电容。 图中d 1 为发光二极管，用来指示电源的接通状况。 3 2 高频逆变电路的设计 3 2 1 逆变电路拓扑结构的选择 超声电源中常用的逆变拓扑结构有全桥式、半桥式和推挽式三种 方式【2 2 】【2 3 1 。它们的电路图分别如图3 - 4 中( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 ( a 冷桥逆变电路 数字化超声波电源系统的研究与设计 ( b ) 半桥逆变电路 ( c ) 推挽逆变电路 ， 图3 4 逆变电路的拓扑结构 这三种类型的逆变器结构各异，各有自己的优点和不足，因此 应用场合也有所不同。 ( a ) 全桥式逆变e g l 珞输出功率大，开关管不用承受过高的电压， 输出电流及流过开关管的电流均比较小，但驱动较复杂，需要用到较 多的开关管，可靠性能低，存在偏磁和直通问题，适用于功率要求较 大的场所。 ( b ) 半桥式逆变电路：所需开关管数量少，驱动简单，成本低， 抗电压不平衡能力很强，但其输出功率较低，同时存在直通现象，比 1 0 硕士学位论文 较适合应用在中小功率的逆变装置中。 ( c ) 推挽式逆变电路：所需开关管数量少，驱动简单，通态损耗小， 但开关管需要承受的电压很高，为直流输入电压的两倍，而且存在偏 磁现象，一般用在原边电压比较低、功率较小的逆变器中。 各种逆变电路性能的比较见表3 - 1 。 表3 - 1 逆变电路性能比较 逸n 磊 全桥式半桥式推挽式 可 稳态为e ，二稳态为e ，二 稳态为2 e ， 开关管集射极电压v c e极管箝位使极管箝位使 漏感引起的 v c e m a i ev c e m a i e 涌浪电压使 v c e m a 】【 2 e 输出相同功率时集电极 电流i c i c2 i ci c 功率开关管的数量 422 变压器原边电压e1 2ee 输出滤波电容组数 1 2l 适用功率容量大中等小 抗电路不平衡能力 兰 好差 2 本课题研制的超声波电源最大输出功率为3 k w ，综合考虑这三 种逆变电路的优缺点，为了保证超声波电源有大功率输出的同时更好 地保护功率开关管，提高功率开关管的寿命，文中决定采用全桥式逆 变拓扑结构。 全桥逆变电路如图3 4 中( a ) 所示，其工作原理如下：交流电 经过整流滤波后得到平滑的直流电压v + ，v + 加在开关管t 1 、陇、t 3 、 t 4 构成的逆变桥上。t 1 、t 4 构成一组桥臂，t 2 、t 3 为另一组桥臂。 驱动电路使t 1 、t 4 导通，t 2 、t 3 截止时，主电流由v + 一t l 一输出 加 数字化超声波电源系统的研究与设计 变压器初级线圈呻t 4 一v - ，在输出变压器t 的次级会感应产生一个正 半周电压波形。当t 1 、t 4 截止，t 2 、t 3 导通时，电流由v + 斗t 3 一 输出变压器初级线圈啼t 2 一v ，此时在变压器次级将感应形成一个负 半周电压波形，这样，一个电压周期就完成了。可见，通过开关管 t 1 、t 4 和t 2 、t 3 的交替导通及关断，可以在输出变压器t 的次级 得到方波交流信号输出，从而实现直流变交流的逆变过程。开关管 t 1 、t 4 和t 2 、t 3 的导通及关断由信号发生器输出的p w m 信号控 制，p w m 信号的频率决定了超声波电源的工作频率。 3 2 2 逆变电路功率开关器件的选择 在逆变器乃至整个超声波电源中，功率开关器件是最为关键的 器件之一，它担负着逆变、频率调节以及功率输出等任务的执行，其 性能对逆变器的可靠性和效率等方面有着直接的影响，所以功率开关 器件的选择十分重要。超声波电源中常用的功率开关器件有g t r 、 m o s f e t 和i g b t 。g t r 采用电流驱动方式，功率容量较大，但开关 速度较低，且存在二次击穿问题；m o s f e t 开关频率高、抗击穿特 性好、驱动电路简单，缺点是导通电阻和通态损耗较大；i g b t 结合 了m o s f e t 和g t r 两者的优点，相当于它们的复合器件，它兼有 g t r 载流能力大、阻断电压高和m o s f e t 开关速度快、驱动电路简 单的优点，性能十分优越，其开关频率介于g t r 和m o s f e t 之间， 目前可达4 0 5 0 k h z 。它们之间的性能比较见表3 2 。 硕士学位论文 表3 - 2 三种功率开关器件的性能比较 泳芝 g t rv m o s f e ti g b t 电压耐量 1 4 0 01 0 0 04 5 0 0 电流通量( a ) 8 0 07 0 02 5 0 0 浪涌电流 3 i e5i e5i e 开关频率( h z ) 2 0 k2 0 m5 0 k 驱动方式电流电压电压 驱动功耗局低低 导通电阻稍大大小 安全工作范围小大 十 d i d t 耐量中等品高 d v d t 耐量中等高两 功率容量大 。 较小中小 综上考虑，选用i g b t 作为本逆变电路的功率开关器件。 选择i g b t 管时必须考虑电路的额定电压及额定电流，下面我们 来计算i g b t 管的有关参数。 ( 1 ) 额定电压 输入电网电压经整流滤波处理后，直流输出电压的最大值 玑一一压x 1 1 x a = 2 2 0 x 压x 1 1 x 1 1 - 3 7 6 v ( 3 2 ) 其中一电网电压有效值，这里为2 2 0 v ；1 1 一交流输入电压的 波动系数；口一安全系数，一般取1 1 。 i g b t 功率管关断时的峰值电压为： 数字化超声波电源系统的研究与设计 ；一x 1 1 5 + 1 5 0 ) x a = ( 3 7 6 x 1 1 5 + 1 5 0 ) x 1 1 = 6 4 0 。6 4 v ( 3 3 ) 其中，玑一一最大直流电压，1 1 5 一过压系数，1 5 卜l d i d t 引 起的尖峰电压，口一安全系数，一般取1 1 。 ( 2 ) 额定电流l 流过每只i g b t 管的平均电流 ，；l 0 5 ，生o 5 | 5 3 5 9 a ( 3 4 ) 0 9 3 1 1 x 0 9 、7 其中一逆变器输出功率，为3 k w ，一市电经整流滤波所 得的直流电压，为3 1 1 v ，o 蚺变电路的效率。 逆变电路中流过i g b t 的额定电流由下式确定： l 一届x 1 5 x 1 4 1 4 1 4 x 5 3 5 9 x 1 5 x 1 4 = 1 5 9 1 3 a ( 3 5 ) 其中，l i g b t 额定电流计算值，卜一流过每只i g b t 管的平 均电流，压一峰值系数，1 5 1 l i l i n 过载容量系数，1 4 _ ，c 减小系数。 选取i g b t 型号时，我们应考虑开关管的工作裕度，才能保证安 全，所以本课题中选用型号为c t 6 0 a m 2 0 ，其额定电压为1 0 0 0 v ， 额定电流为6 0 a 。 3 2 3i g b t 缓冲电路的设计 超声波电源系统工作时负载常呈感性状态，另外电路中也存在着 分布电感，i g b t 快速开关时，在这些感性元器件上会产生非常大的 浪涌电压，若浪涌电压超出i g b t 的安全工作区，将会对其