（材料加工工程专业论文）逆变式超声波清洗电源的研究.pdf

摘要 本文详述了超声波技鲞的概况和发展前景，对超声波设备的组成、关键技术 进行了分析，在此基础上，设计出一种新型的超声波电源，用以驱动给定的换能 器负载达到超声清洗物品的目的。 本电源采用半桥式交换电路，结构简单，开关管耐压小，驱动功率小，且具 有一定的抗平衡能力；主开关管采用多个m o s f e t 并联栅极非耦合连接方式， 使系统增加工作电流，设计的动态均流电路使主电路安全性加强；由于超声波换 能器负载的频率随着各种因素的变化而发生漂移，本文对超声频率跟踪方法进行 了归纳总结。本系统中，主控以c d 4 0 4 6 锁相环为频率跟踪方式，很好的跟踪了 负载频率特性，辅以软启动、死区调节、过压、欠压、过流和过热保护，使系统 更为稳定、可靠；除此以外，超声波电源要具有输出电功率自动调节之功能，因 而需设计串联匹配电路。本文详细介绍了串联匹配电路的电学特性，推导出串联 匹配电路电参数之间的匹配原则，按照该原则设计的串联匹配电路，空载时电功 率最小，同时能随着清洗物品及其它外界条件的不同而自动调节电功率。 本电源的主电路、控制电路及保护电路能够相互配合工作，设计的r c d 吸 收及r c 保护电路减小了线路的杂散电感，改善了开关管的开关特性。试验证明， 本系统性能良好、可靠性高、适应性强，具有重要的推广应用价值。 关键词：超声，换；曝，半菥运变，频苯耀磉，串族逛配 一 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es u r v e ya n dt h ed e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i ct e c h n i q u ea r ed e s c r i b e di nt h i s d i s s e r t a t i o n a tt h es a m e t i m e , t h ep e r f o r m a n c ea n dt h ek e yt e c h n i q u eo f t h eu l t r a s o n i c e q u i p m e n ta r ea n a l y z e di nt h ep a p e r o nt h eb a s i so ft h o s e ，an e w 1 l l t r a s o n i cp o w e r w h i c ht od r i v et h eg i v e nt r a n s d u c e rl o a di s d e s i g n e dt o ap u r p o s eo fu l t r a s o n i c s c a v e n g i n g h a l f - b r i d g ei n v e r t e ri se m p l o y e d i nt h e p o w e r w i t ht h ef e a t u r ei ns i m p l es t r u c t u r e ， l o ww i t h s t a n dv o l t a g e ，s m a l ld r i v ep o w e ra n dc e u n t e r f o r c et on o n - b a l a n c e d m a i n s w i t c hi si nt h ef o r mo fs h u n tn o n - c o u p l e 、v i t hm a n ym o s f e t 鲥d s t o g e t h e ri nt h e r e s u l tt h a ti tm a k e ss y s t e mb e t t e ri nw o r k i n gc u r r e n t t h ed y n a m i cc u r r e n te q u a l i z e r c i r c u i tm a k e sm a i nc i r c u i tb e t t a rs e c u r i t y b e c a u s et h ef r e q u e n c yf e a t u r eo fu l t r a s o n i c t r a n s d u c e rv a r i e sw i t ha l lk i n d so ff a c t o r s ，i ti se s s e n t i a lt og e n e r a l i z et h eu l t r a s o n i c f r e q u e n c yt r a c k i n gm o d e s i nt h i sp a p e r i nt h i ss y s t e m , c d 4 0 4 6p h a s e l o c k e dl o o pi s u s e di nf r e q u e n c yt r a c k i n gw h i c ht r a c k st h ef r e q u e n c yv e r yw e l l t h ep o w e rd e s i g n e d w i t hs o f t - s t a r t i n g ，d e a d - z o n er e g u l a t o r , p r o t e c t i o no fo v e r - v o l t a g e ，u n d e r - v o l t a g e ， o v e r f l o w i n ga n d o v e r h e a ta r ee v e nm o l es t a b l ea n dr e l i a b l e i ti sn e c e s s a r yt od e s i g n t h es e r i e s - m a t c h i n gc i r c u i ti nt h ec o n d i t i o no ft h ef u n c t i o no fs e l f - a d j u s t m e n tw h i c h u l t r a s o n i cp o w e rm u s th a v e t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co fs e r i e s m a t c h i n gc i r c n i ti s p r e s e n t e dp a r t i c u l a r l yi nt h ep a p e r t h ec i r c u i td e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l e r e s u l t si nw h i c ha sf o l l o w i n g ：i to f f e r ss m a l l e s tp o w e rw h e nn o - l o a da n dc h a n g e st h e e l e c t r i c a lp o w e r a u t o m a t i c a l l y w i t ht h ea l t e r n a t i o no f a l lk i n d so f e x t e r n a lc o n d i t i o n s t h em a i n , c o n t r o la n d p r o t e c t i v ec i r c n i tc r nw o r kt o g e t h e ri nc o o r d i n a t i o n t h e r c d a b s o r b i n ga n dr cp r o t e c t i n gc i r c n i td e s i g n e df o rr e d u c i n gs t r a yi n d u c t a n c e b e t t e rt h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ep o w e r i tp r o v e st ob ei d e a ls y s t e mi n i t s p e r f e c tp e r f o r m a n c e ，g 。o dr e l i a b i l i t y a n d s l z o n ga d a p t a b i l i t y k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，t r a n s d u c e r ，h a l f - b r i d g ei n v e r t e r ，f r e q u e n c yt r a c k i n g ， s e r i e s - m a s h i n g 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= 1 1 超声波技术概述 1 绪言 近年来，随着振动理论的不断发展，人们对超声波的认识在不断加深，超声 波技术的应用得到了很大的发展。超声技术除在放射性污染和高聚物及低聚物的 清洗、涤纶长丝含油率的快速测定，燃油掺水乳化节能、金属成型、深小孔加工、 超声振动切削、抛光、研磨、新型共聚物的合成、环境样品中某些强制癌物质的 提取、超声处理农作物种子、医学治疗等方面取得了令人目眩的成就和进展之外， 在超声波金属材料的焊接和超声波塑料焊接方面也取得了很大的成就f 】 5 】。 以下是超声波应用的几个实例： ( 1 ) 超声清洗。与常用的其他清洗方法相比，超声清洗效率高，质量好，可 清洗复杂零件、深孔、盲孔及狭缝中的污物，且易于实现自动化。因此，它已经 成为许多工业部门中不可缺少的一种工艺，是功率超声最主要的应用之一。超声 清洗新的发展体现在：应用的领域已经深入电子、食品、化工、原子能、核医学 等领域；清洗的物品类别已经涉及精密仪器、芯片等物品；洗涤剂的研制向前发 展等旧。 ( 2 ) 超声加工。在超声钻孔、超声振动切削、超声振动抛光等领域有长足的 进步，在金刚钻石拉丝模的生产中，采用超声来进行研磨抛光，不仅速度快，光 洁度高，而且还可以获得较长的模孔定径区，提高了模子的使用寿命；将超声应 用于冷拔金属和各种丝材方面也有很好的效果。 ( 3 ) 超声处理。比如，在医药中，采用超声可以制备诊断病源诊断剂的载体， 用超声将细菌或病毒杀死，再用适当方法制成疫苗。此外，超声在抗菌素提取、 杀毒、消毒、动物组织的粉碎等方面也取得了很大的进展。 ( 4 ) 超声治疗。超声在内科、外科、皮肤科和五官科等3 0 余种疾病的治疗 中有广泛的应用。其中，超声穴位疗法在治疗高血压、腹泻、菌痢疾病取得了较 一 华中科技大学硕士学位论文 = 2 = = = ；。= = = = $ = = 好的疗效：超声雾化吸入疗法，药物可直接作用于病灶，药物浓度高，疗效增强； 超声局部加热疗法可以聚焦、穿透组织较深，防护简单，使用方便、安全【7 q l 。 随着化学工业的发展和人们对能源危机认识的加深，以重量轻、摩擦阻力小、 极低的导热导电性能面见长的塑料和复合材料取代金属作为结构材料已成趋势 【加叫”。如7 0 年代以后的西欧，每年塑料和复合材料的消耗量便超过2 0 兆吨，在 航天航空、汽车、日常化工等行业均有由塑料和复合材料制成的产品。如此大的 塑料消耗如果在拼接工艺上仍然采用传统的方法，早已满足不了现代工业高节奏、 高质量、特别是工业生产自动化的要求。超声波塑料焊接以其高效高质的优越性 脱颖而出、并占领市场已经势在必行；此外，自1 9 5 0 年美国j b j o n e s 发明超声 波焊接这项技术以来已经5 0 多年了，其中最重要的也是最成功的应用领域就是电 子工业。据报道，美国电子元器件的生产中，由超声波焊接完成的工作量超过1 0 ， 众所周知，大规模集成电路的第四代互连方法，就是建立在所谓：“脉冲一一声” 焊接方法的基础上【1 2 】。 以上还只是从很有限的角度来反应出超声技术的重要性，相信随着新技术及 工艺的完善，超声技术必将发挥更加完美的作用。 1 2 超声设备的现状 由于超声技术应用的广泛性，本节仅从超声焊接设备的角度来阐述超声设备 的概况，以了解超声设备发展的现状和前景。 在九十年代中期，哈尔滨工业大学等高校在研究声学系统频率方面取得卓有 成效的工作，因为频率跟踪最重要的是预先知道声学系统的频率特性。声学系统 一般由换能器、交幅杆和焊头三部分组成，如图1 - 1 所示。电声转换由换能器实 现，由变幅杆承担振幅和阻抗的变换及声学系统的夹持固定，焊头主要是适合焊 件的几何形状。声学系统的换能器在超声频电流的作用下。就会按电流的频率振 动起来，当电流频率与声学系统固有频率一致时，声学系统振动输出最大。在声 学系统谐振频率附近，利用集总参数法，换能器在内的声学系统可等效为图1 - 2 一_ 一 2 所示的电路【1 3 1 5 1 。 ( e = 既嗡 i ll 换能器变幅杆焊头 图i - i 声学系统结构图i - 2 声学系统等效电路图 其中c o 为换能器静态电容，主要是指换能器因夹持而产生的电容。实际上， 它受高次振动模式的影响；r o 为换能器的介电损耗电阻，它由换能器压电介质取 向极化滞后引起；l 为动态电感；c 为动态电阻；r i 为机械损耗电阻，它与换能 器的机械振幅大小成正比：r 。为负载反应阻。动态回路的各等效值受工件尺寸、 种类以及工作压力等外晃工况影响。可见声学系统对于发生器而言，相当于阻容 感变量负载，随着工作的进行，声学系统外晃条件的变化，其等效的阻容感就要 不断的发生变化，从而使有最大效率输出的声学系统的机械谐振频率发生相应的 变化。 一般的超声加工设备主要由主电路、声学系统、气动加压系统、自动控制系 统及机械部分等构成。由于现代电力电子技术的迅速发展，在超声设备中电力电 子的应用也渐趋完善。一般说来，超声设备的主电路由整流和逆变电路构成，它 将5 0 h z 工频交流电经过整流、逆变转换成2 0 k h z 高频交流电并提供给换能器。 从超声焊接而言。声学系统由换能器、调幅器、焊头组成，换能器将高频交流电 转换成高频振动能，调幅器作用是调整振动的幅度，焊头将高频振动能传递到焊 件问的焊接面上，使焊接面高频振动。气动加压系统由气泵、空气过滤器、电磁 阀等构成。加压系统驱动焊头，使之与焊件接触，并保持一定的静压力。 声学系统频率特性影响因素主要有：1 ) 温度温度由于影响超声波在固体 中传播声速而直接影响到声学系统的谐振频率。对于固定尺寸的杆件，其谐振频 率是声速的函数；同时温度对换能器压电陶瓷材料的其它性能参数也有一定的影 响。2 ) 焊接压力压力是塑料超声焊接中必备的参数，只有在焊接压力的作用 下，超声能量才能传播于工件，因而焊接压力是声学系统的主要的一个负载形式， 一 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；t ；= = 日= 它会影响声学系统等效电路中的动态参数，造成声学系统的频率特性3 ) 变幅杆 变幅杆相当于机械变压器，它的特性以及形状尺寸直接影响换能器的负载特性， 从而影响声学系统的频率特性。4 ) 匹配 声学系统的三部分组件的匹配，对其 最终的频率特性有一定的影响。另外，声学系统的输入功率、工件状况等对声学 系统机械谐振频率也有较大影响。 从上面可以看见，声学系统谐振频率是要受到各种因素的影响的，如何配合 好超声波设备的“心脏”一声学系统，使之成为性能良好的整体就成了我们研究 的重心，发生器的控制系统就显得特别重要。从超声设备加工特点和换能器本身 特性而言，超声波发生器应该具有如下功能( 以超声焊接为例) 【j 6 】： ( 1 ) 频率自动跟踪性能。声学系统是一个诣振型的工作器件，只有在其谐振 频率点工作，才有最大效率输出。而在实际焊接过程中，声学系统谐振频率对负 载改变、换能器发热以及其它外界影响较为敏感，如果声学系统的谐振频率在外 界影响下发生漂移，而发生器工作频率并不发生变化，势必造成楚个系统的失谐， 整机效率显著下降，因而发生器具有频率自动跟踪功能是焊机正常工作的前提。 频率跟踪总的说来可以包括电跟踪和声跟踪，随着电子业的发展，国内外在电跟 踪方面更加活跃【m 1 钔。 ( 2 ) 功率自动调节。在焊接过程中，为保证焊接质量的稳定性和焊机的正常 工作，发生器必须有功率自动调节功能，即输出声功率随负载变化而变化n 9 1 ，日 本学者k e i i c h ik o m a t s u 的研究表明：如果焊头端振幅一定，焊机输出声功率隧焊 接压力和面积的增加而增加，这也就是说，振幅恒定，只要保证流过换能器机械 臂的电流i 。一定即可。 对于焊接超声设备，功率自动调节电路主要是由串联匹配电容和电感组成。 它们之间匹配电参数的选择直接关系到超声换能器的工作特性【啪。如果匹配不合 理，超声换能器就不能够把超声发生器的电功率转换成声功率，就不能正常运行。 例如超声波塑料焊机要求超声发生器输出的电功率必须随负载增加而增加【1 埘刚， 因而更要对其进行详细分析。 在解决方案的设计中，张东卓等人的思路比较普遍为保证研制的功率超声 一 4 华中科技大学硕士学位论文 ；= = i = ；2 = = = = = 电源具有输出功率恒定及可调的功能，采用b u c k 型降压斩波电路来调节输入到逆 变半桥的电压。当负载阻抗变大时，负载电流就会变小，这时增大b u c k 电路中开 关管的占空比，从而增大逆变桥的输入电压，使输出功率增加到原设定值。反之 亦然。当然还有很多种方法，比如控制整流环节的输入电流或电压1 2 1 1 。 ( 3 ) 良好的电路匹配。从电能转化为声能过程中，要求有较大的传输效率， 以保证换能器的有用功率输出。 1 3 超声设备发展方向 1 3 1 逆变式超声波电源的发展 电子产品的轻薄短小是发展趋势，采用高频设计方案可以使变压器的体积和 重量降低，节约材料成本，因此，基于许多高频变换技术的现代电源装置和系统 是未来的主要发展方向。但是，目前许多开关电源由工频市电经过整流、滤波后 供给直流电压。滤波电路一般由电容构成，在交流电压正弦瞬时值高于直流电压 时，工频电网对滤波电容充电，充电的时间短暂，充电电流呈尖峰状，远远偏离 正弦波，因此，开关电源输入端功率因数低，电能的利用效率差，而且产生大量 的谐波。当大量的谐波份量倒流入电网时，就会造成对电网的谐波污染。其危害 有：一是电流流过线路的阻抗产生谐波电压降，使电网电压也会产生畸变；二是 会造成死电路故障，使变压设备损坏。 要实现超声电源的绿色化，即高效节能、低污染，最主要的方法有2 2 2 4 】： ( 1 ) 提高网侧的功率因数，减小电力污染。 为了提高功率因数，可以对电源进行功率因数校正，即：无源功率因数校正 和有源功率因数校正。无源功率因数校正往往难以兼顾功率因数、谐波分量和波 峰比( 波峰比为电流峰值与其有效值之比) 这三项指标。有源功率因数则可以使 三项指标同时获得改善。有源功率因数可以是b o o s t 、b u c k 、b o o s t - b u c k 及反激式 等为基本电路，采用双环控制调节占空比使电容电压稳定，从而让输入电流跟随 电压变化，并使电流接近于正弦波。功率因数可以趋近于正弦波，功率因数可以 一一。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 t = i _ # = = = 目 = = = 趋近于1 。 开关电源的高次谐波的抑制采用以下方式：一是利用无源滤波器，在输入侧 加扼流圈，抑制高次谐波电流失真。优点是元件数量少，不需要有源器件，可靠 性高，成本低，但其体积较大。二是利用有源滤波器，采用双变换器方式，即利 用前级的升压斩波器，将输入的电流波形校正为正弦波，以改善功率因数；利用 后级的d c d c 变换器进行直流输出的稳定控制。三是采用部分平波电路、倍压整 流电路以及正弦波谐振电路，抑制高次谐波。 ( 2 ) 利用先进的变换技术，如软开关技术，改善功率开关的工作状态，降低 功率开关元件的损耗和在开关过程中所产生的干扰。 硬开关技术指功率开关管在电压或电流不等于零的状态下强迫器件开通或关 断，这使得开关管在开关的过程中电流和电压的波形有交叠，开通和关断有一定 的功率损耗；开关频率越高，开关损耗也就越大。软开关技术指功率开关管在电 压和电流等于零的状态下开通或关断，它主要应用谐振原理，使开关器件中的电 流( 或电压) 按正弦波或准正弦规律变化，当电流自然过零时，功率开关器件关 断；或当电压为零时，功率开关器件开通，从而使功率器件的开关损耗为零。功 率变换器采用软开关技术，可以将开关频率提高到兆赫级水平，从而使其能够在 高频状态下高效率工作，而且功率变换器的体积也在减小。目前，z c s - - p w m 、 z v s - - p w i v l 、移项全桥z v s - - p w m 、z c t - - p w m 和z v t - - p w m 技术，已经广 泛应用于桥式变换器f 2 5 2 7 】。 1 3 2 超声设备控制领域的预测 2 0 1 1 2 9 1 3 0 1 将超声技术应用在更广泛领域已经成了学者们的研究重点，如c a n o n 照相机 的自动聚焦系统，日本s e i k o 公司将微型超声马达应用于机器人行走系统，c a l i l e o 航天器上的滤波器齿轮驱动等，日本的p a n a s o n i c 公司，s h i n s e i 公司等企业已经在 超声设备的研究方面走在世界的前列。 在主电路方面，小型超声设备采用t t l ( 或c m o s ) 电平直接驱动，或把t t l 工或a 岖猹狷妇丝醚靶瞳塑鎏堑壁麴：些垫：量堡塑蔓量墨星塑量竺垄墨鲨兰： 6 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = ；_ 一 l m 5 6 5 等，功放电路采用m o s 管或场效应管阵列，通过变压器耦合，与超声的压 电陶瓷组成谐振回路，p a n a s o n i c 的超声马达就是采用此种阵列。对于功率很小的 超声设备，驱动电路没有功放部分，由于其功耗很小，多采用电池供电。 在控制方面，频率跟踪是最重要的，因此，在商业化的驱动电路中加入的频 率跟踪技术也是各不相同，如p a n a s o n i c 公司有的超声马达采用以检测相位实现频 率自动跟踪，s h i n s e i 公司采用的是弧极反馈实现频率自动跟踪。 对于超声焊接，一般说来，通过相位差控制似乎是最好的，但缺乏灵活性。 另外由于其工作原理特殊，其数学模型很难完全表达清楚，并且具有高度的非线 形，工作环境、条件的变化会严重影响性能。 对于未来方向，超声设备的控制技术0 3 1 1 及方法应做如下预测和改进： ( 1 ) 可变增益的比例积分型控制器( p i ) 固定增益的比例积分型控制器，系统简单，易于实现，但难于满足高性能的 要求。 可变增益的比例积分型控制器要求预先根据设备的工作情况变化确定比例、 积分增益，这在实际中是很难做到的。 ( 2 ) 模糊逻辑型控制器 控制器是通过模糊逻辑控制规律来实现的。模糊逻辑控制器包含了模糊逻辑 推理、频率控制、电压控制和可逆控制。 ( 3 ) 自适应型控制器 由于p i 型和模糊逻辑型控制器可以不需要数学模型，但其性能不能满足要 求，而基于现代控制理论的自适应控制器要求有精确的数学模型，因此须在线利 用递归最小二乘法进行参数辩识。可以根据输入与输出，利用递归最小二乘法进 行参数辩识，同时修改控制器的参数，使其控制器的性能满足超声设备的要求。 自适应控制器的设计采用最小方差控制规律或极点配置的控制规律，其代价 函数一般选取 = 联l y ( 七+ d ) 一y m ( k + d ) x 2 + 2 t ( k ) - * ( k - 1 ) 2 ) 。 其中：e 表示数学期望；d 表示延迟单位。 一一 7 华中科技大学硕士学位论文 ；= ；= ；= ；= = 目；= = _ = ( 4 ) 混合型控制器 由于p i 型控制器的增益必须能根据希望的速度来调节，且增益需要预先确 定。作为一个高性能的控制系统，控制增益必须能根据负载转矩的变化而调节。 因此就有人提出了混合型控制器，这种控制器采用了数学模型进行速度或位置控 制、采用相位差和驱动频率共同控制，把p i 控制与自适应控制结合构成混合型控 制器。这种结构通过带有最小方差控制器进行参数辩识，该系统中，由p i 控制器 与最小方差控制器混合构成混合型控制器，系统的参数辩识是通过递归最小二乘 法进行的，根据参数辩识的结果，修改p i 控制器和最小方差控制器的参数，以 满足超声设备的性能要求【l o | a 2 1 。 下面我将探讨超声控制领域的展望。 目前，国内在超声设备主电路及控制技术方面与国外相比，还有很大的差距， 要使超声设备具有广阔的应用市场，除加强超声换能结构、相关材料、工艺等方 面的研究外，还应加强超声设备控制技术的研究。笔者认为，超声控制技术今后 研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 尽可能简化驱动电路，采取相应的措施使驱动电路的器件数较少，或设 计、制作专用的集成电路，使驱动电路中的数字逻辑电路部分高度集成。另一方 面，可以使自己的技术受到一定的保护。 ( 2 ) 开展超声设备的闭环控制技术的研究，可以提高它的工作性能，拓宽其 应用范围，特别是应用于具有高技术的自动化领域【3 3 】。 ( 3 ) 超声换能系统作为执行装置r 由于其工作原理特殊，其数学模型难于表 达清楚，并且具有高度的非线性，因此开展对执行机构的数学模型的研究，不但 为设备的设计与制造提供依据，更重要的是可以对电路进行闭环控制系统的研究。 ( 4 ) 基于现代控制理论，寻求更好、更简单的控制方法，如最优控制、自适应控 制、混合控制等，使多种控制技术有机集成，可以提高超声设备的性能和工作效率。 ( 5 ) 利用计算机技术，可以更加完善以单片机为核心的超声设备驱动与控制系统。 ( 6 ) 使用超声设备的场合，应开发具有多通道的驱动与控制系统，可以避免 目前每台配备一台驱动与控制电源，降低成本。 一一一 8 1 4 本文研究的背景及课题的提出 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的新兴学科，随着 电力电子变换技术和控制技术的发展，电力电子学科运用的领域也在不断扩大。 超声波电源的研究也随着电力电子技术的发展而发展。开关型电源技术已成为一 种超声设备广泛采用的新技术。 本课题的目的就是根据逆变式电源的特点，设计和制作重量轻、体积小、高 效节能的逆变式超声波清洗逆变电源。研究内容包括： ( 1 ) 电源的发生器进行开发研究，使发生器能准确快速的跟踪超声清洗声学 负载； ( 2 ) 设计串联匹配电路使该逆变电源具有自动调节功能： ( 3 ) 对超声波电源的频率跟踪特性进行研究； ( 4 ) 对换能器声学系统进行数学模型分析； ( 5 ) 总结匹配电路的设计原则，通过推导计算功率极值点，从而找到匹配电 路参数的关系式。 一 9 华中科技大学硕士学位论文 2 1 主电路设计 2 1 1 主电源的技术指标 1 超声波逆变电源设计 输入电压：单相2 2 0 v 1 0 最大工作电流：2 a 工作电压：2 0 0 5 0 0 v 输出激励电压：6 0 0 v 整机效率：9 5 2 1 2 主电路类型 由于主电路功率不大，主电路采用半桥逆变式。单相2 2 0 v 交流电经过整流、 电容滤波后得到3 1 1 v 直流电压，作为半桥逆变器的输入。在半桥逆变电路中，初 次绕组在整个工作周期中流过正、负两方向的电流，磁心充分利用。 半桥逆变电路基本结构如图2 1 所示。t r l 、t r 2 代表两组等价开关管系列。当 两组开关管t r l 和t r 2 都截止时，若两只电容相等( 即c 2 = c 3 ) ，则两电容中点a 的电压为输入电压的一半( 即v c 2 = v c 3 = u d 2 ) 。 当t r l 导通时，电容c 2 将通过t r l 和变压器原边n 1 放电，同时电源电压u d 通过t r l 和变压器n 1 放电为电容c 3 充电，中点a 的电位将有所上升：当t r l 导 通结束时，两只开关管t r l 和t r 2 又都截止。它们的端电压又都回到输入电压的一 半，即u d 2 。当t r 2 导通时，t r l 截止，电容c 2 又被充电，c 3 被放电，a 点的电 位下降；t r 2 导通结束后，又回到t r l 、t r 2 都截止的状态。开关管截止瞬间，开 关管两端除了承受电压u d 2 以外，还有较高的电流尖峰，这也是由于变压器原边 漏感和引线电感上储存的能量释放引起的，因而开关管各因并联一个二极管而箝 位。 o 华中科技大学硕士学位论文 ! ； 图2 - 1 逆变电源主电路图 2 1 3 主开关管的运行模式口习 为了增加整机的电流容量，本系统主开关管采用功率m o s f e t 并联运行模式。 由于通态电阻r m 具有正温度系数，而漏极电流i d 却具有负温度系数。当漏极电 流增加时，结温增加，通态电阻增加，进而又使漏极电流下降，这种自动均流的 特性消除了因电流集中丽造成局部“热点”的闯题。基于上述原理，本文采用的 功率m o s f e t 并联运行方式同样具有电流自动均衡分配的特点。m o s f e t 并联应 用时，由于各元件通态电阻不匹配会产生漏极不均衡电流，但是，电流较大的元 件结温升高，通态电阻增加，又会使电流降下来，最后使各元件处于基本均流状 态。由此看来，功率m o s f e t 并联运行不需要强迫均流措施。 本文采用的开关管并联运行方式结构示意图见图2 - 2 ，采用三个相同的 m o s f e t 并联而成。 华中科技大学硕士学位论文 圈2 - 2m o s f e t 并联运行方式结构图 并联功率m o s f e t 栅极可分为栅极直接耦合方式和非直接耦合方式，无论是 开通还是关断过程其动态均流效果均优于直接耦合电路，采用的非直接耦合方式 还要注意以下几点：为了防止寄生振荡，可在每个栅极导线上设置铁氧体磁珠， 即在导线上套一小磁珠，形成有损阻尼环节；在每个栅极上串连一个小电阻， 以便改善电路的品质因数；必要时在每个器件的漏极和栅极之间接入数百微微 法拉的小电容；要尽量降低驱动信号源的内阻抗，并联器件越多，内阻抗应越 小；精心布局，器件安装位置尽量做到完全对称，所有连接线必须一样长，而 且尽量加粗和缩短。电源引线最好使用多股绞线并将电流环的面积做到最小：为 了更好的做到动态均流，有对可在源极串入一个小电感。 ( 1 ) 半桥逆变电路高压开关管上施加的最高电压为e ，对应于最高的输入电 网电压的直流输入电压点0 为： e 0 = 2 2 0 x ( 1 + o 1 ) 2 考虑到电网上的暂态过程及可能出现的电压尖峰，应给予一定的裕量，我们 取3 0 的裕量。因此，高压开关管耐压最低值应为： 一= x ( 1 + 3 0 e 6 ) = 3 4 3 x 1 3 = 4 4 5 v 则功率m o s f e t 的最低耐压有 4 5 0 v 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 设逆变器的效率为r ，q 为导通比，输出功率为p o ，则等效的负载电流 峰值为： 厶：县 ( 2 - 1 ) b r t , t t 器件的电流峰值为负载电流峰值和变压器原边励磁电流之和。通常，励磁电 流取玩厶，k = o 1 0 3 ，为励磁电流系数；因此，流过器件峰值电流应为： 小以邓3 炉与笋 ( 2 _ 2 ) 经过计算，。- - - - - 2 4 6a ，由于每组有3 个m o s f e t 管并联运行，根据分流结 果，每个m o s f e t 的厶为8 2 a ，选用i r 2 4 0 4 。 选用的整流二极管的反向峰值电压选为= 6 0 0 v ，正向导通电流 l o = 2 k = 2 p o e = 6 4 a 。 2 1 4 高频变压器设计【2 8 】洲【3 5 】 高频开关电源对高频变压器磁心的要求是饱和磁通密度高，高频磁滞损耗小， 且随着温度升高其饱和磁通密度下降较小。 目前用于高频变压器的磁心材料主要有铁氧体、坡莫合金和非晶态合金三种。 铁氧体材料价格低，性能良好，市场供应充足，一般用在2 0 2 0 0 k h z 的高频开关 电源中，但饱和磁通密度相对较低；坡莫合金材料的饱和磁通密度高。磁滞损耗 比铁氧体小的多，其他性能也比铁氧体好，用这种磁心作成的开关电源的体积和 重量有明显的减小，但由于价格贵，使其在民用产品中的应用受到限制；非晶态 磁心材料具有高频磁滞损耗小。激磁功率低，饱和磁通密度高等优点，价格也适 中，但由于该磁心材料为叠片结构，其磁心结构一般为环形，对绕线和绝缘带来 很大不便。 高频电压器的设计以输出最大电压、最大负载电流和输入最小电网电压为标 准。逆变器工作频率粗取2 5 k h z ，最大导通比取0 7 ，最小输入电压取2 0 0 v ，输出 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = ；= = 空载电压为6 0 0 v ，最大负载电流为2 a ，输出功率为l k w ，效率为8 5 ，则输入 功率为1 1 8 k w ，选择m x o - - 2 0 0 0 铁氧体作为磁心材料。为了防止变压器在初级 工作时磁通密度b 会从b r 上升一个周期达到饱和磁通密度b s ，一般取b i n - - - - 1 3 b s = o 1 3 t ，有效截面积为0 0 0 1 2 9 4 m 2 。 计算初级匝数 = 0 7 x 4 0 2 = 1 4 ( u s ) ( 2 3 ) l ：i u m 彳x t ( 2 _ 4 ) 1 2 吃墨 。 式中 ：输入最小电网电压 吃：工作磁通密度 逆：磁心有效截面积 o ：半周期导通脉冲宽度 则有： l = 五石2 0 了0 x 聂1 4 石x 丽1 0 西。万= 8 3 ，取1 = 9 匝。 1 2 o 1 3 0 0 0 1 2 9 4 1 。 计算次级匝数 2 2 鼍l ( 2 - s ) 其中，u 皿i = 2 0 0 v ，】= 9 岫=单=6000+912=670矿(2-6)ou y 所以， 2 = 丽6 7 0 9 = 3 。1 5 。i l y n 2 = 3 1 匝。( 2 - 7 ) 绕组导线型号的选择 当交流电流流过导体时会产生集肤效应。集肤效应表现为导体中的电流密度 由导体的表面向中心越来越小，并呈现指数规律下降。导体的集肤效应应用穿透 深度来表征，用表示。选择导线的原则为：绕组导线直径小于两倍的电流穿透深 一 华中科技大学硕士学位论文 度。不同频率的交变电流穿透的深度不同，当导线要求的截面大于穿透深度所决 定的最大有效直径时，应采用较小直径的各股导线并绕，每股导线的直径由穿透 深度的两倍来限制。 逆变器开关频率为2 5 k h z ，穿透深度为a = 6 6 ，= 0 4 1 7 4 m m ，故容许的最 大导线直径d i 。= 2 x a = 0 8 3 4 8 m m ，取d = 0 2 8 m m ，s o = 0 , 0 6 1 5 8 m m 2 ，取电流密 度为3 5 a m m 2 ，初级绕组电流有效值为： 吒石= 1 2 m 石等哦厨詈矗，6 4 爿( 2 - s ) 初级绕组所需导线的截面积s = 5 7 6 4 3 5 = 1 6 4 7 m m 2 ，初级绕组所需的导线的 股数为批= 1 6 4 7 0 0 6 1 5 8 = 2 6 7 5 ，取2 7 股。 因此，初级绕组可由2 7 股直径为0 2 8 r a m 铜导线并绕而成。 高频变压器的次级只有一个绕组，绕组所承受的负载电流为2 a ，因此，次级 绕组电流有效值为2 = 2 x o 7 = 1 6 7 3 a ， 所需导线的截面积 s = 1 6 7 3 3 5 = 0 4 7 8 m m 2 ，所需导线的股数为m 2 = 0 4 7 8 0 0 6 1 5 8 = 7 7 7 ，取8 股。 2 1 5 变压器的偏磁 半桥逆变电路在一个周期的前半部分，高频变压器正向励磁，后半部分高频 变压器反向励磁。正常工作时，正向磁通峰值和反向磁通峰值几乎相等，都不会 进入b h 曲线的饱和区，因此变压器工作在平衡状态。例如；当t r l 导通时，变 压器初级电压为c ，。= e v c 醛。，导通时间为t o 1 当t r 2 导通时，变压器初级电压 为u 。2 = 一 一u c e s ：) ，导通时间为t 。：，在平衡状态下，u 1 2 u c e s z ，t 。、2 t 2 ， 因此变压器初级所加的正向、反向电压相等，正向、反向电压作用的时间也相等， 变压器处于平衡状态，即正负半周的伏一秒值相等。如果开关管的饱和压降不同 或者由于开关管存储的时问不一致、控制电路输出的脉宽不等以及电路反馈环路 华中科技大学硕士学位论文 引起一对开关管的导通时间不相等，从而引起磁通上升率、下降率变化以及磁通 上升、下降时间不一致，功率变换处于不平衡状态，这样在一个周期完成后，在 磁滞回线上，工作点就不能回到起点，向一个方向增大，使工作区域偏向一个象 限，导致变压器偏磁，引起磁通饱和。磁通饱和使变压器损耗增加，效率降低， 并造成开关管损坏。 半桥逆变电路的工作特点使它容易产生偏磁的问题，从而降低了工作安全性。 为了防止和消除高频变压器的偏磁，要尽可能的选用参数一致的开关器件，并且 在高频变压器的初级绕组串联隔直耦合电容，抑制直流分量，从而避免变压器的 饱和。 由图2 1 可知，耦合电容器c 和输出滤波电感折算到原边的电感如组成了一 个串联谐振电路，其谐振频率为： 驴司蠹 姚q k = ( 甜工 ( a h ) ( 2 - 1 0 ) 式中l r ：副边电感l 折算至原边的电感值( a h ) 坼虬：变压器原、副边匝数比 c ：耦合电容( a f ) 由上两式，可解得： c 7 = 矿而1 0 而6 而f ) ( 2 1 1 ) c 72 i 磊i j ：5 i j i ：而。， 、z 1 1 为了使耦合点容器充电线形，必须很好的选定谐振频率厶，考虑到负载谐振 频率变化问题，本文粗略按照开关频率2 5 k i - i z 计算。厶一般按照下式选定： 厶= o 1 五 ( 2 - 1 2 ) 其中，五为半桥变换器的开关频率( 姚) 华中科技大学硕士学位论文 由于电容c 7 在开关工作频率的每半周充电或放电一次，因而电容的充电电压 不能太高，否则就会影响逆变器的调整率。通常，耦合电容的充电电压约为输入 电源电压的o 1 o 2 之间，取o 1 5 ；根据上式求出电容值后，要计算电容的电压； 若电压值大于上述数值，必须按照下面的式子重新计算。由于考虑到某种原因， 电容c 7 的电压有可能出现最高的电压即电源电压，因此选择电容c 7 的耐压时必 须按e 来考虑。 每个周期，电容的充电时间为： 血：9 0 ( 2 1 3 ) 2 石 。 电容的平均充电电流为： j ：玉：墨! ! ! ( 2 - 1 4 ) 2 e r l c f i 则电容的电压为： u c 7 = 器蒜( 2 - 1 5 ) c ，；，旦：墨! ! 2 ( 2 1 6 ) | u c lq 1 5 x e l q f s 根据计算，取g = 6 8 卢 f ，耐压6 3 0 v 。此电容应选用无极性的薄膜电容，用 多个小电容并联，以降低其等效串联电阻。 2 1 6 滤波电路及输出整流电路设计 图2 - 3 输入滤波电路 1 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = ；= = = 2 = = = = = = = = 目；= g 高频开关电源滤波电路有输入滤波、工频滤波、输出滤波三种。输入滤波电 路一般由低通滤波器与共模扼流圈等元件组成，接在交流电网与开关电源输入之 间，主要作用是抑制开关电源本身对交流电网的反干扰，同时也抑制交流电源中 的高频干扰串入开关电源，如图2 3 所示。 图2 3 ( a ) 将一只滤波电容c 接在电源线之间，只要电容c 选择恰当( 一般取 o 0 1 o 1 f ) ，可对高频干扰起到抑制作用。因为该电容对高频阻抗低，可将电 源线之间高频干扰短路消除，而对工频信号无影响。考虑到开关管在关断时候产 生的尖峰电压，电容的耐压值取电源电压峰值的两倍。此电容要选用的无感电容， 连线尽可能短。这种滤波电路简单，但对输入、输出回路的共模干扰无法消除。 图2 - 3 c o ) 两个电容分别接在电源线和地线之间，这样共模干扰就可以通过电容 到地，从而能消除共模干扰。 图2 - 3 ( e ) 是图( a ) 和( b ) 的组合，c l 和c 2 滤除共模干扰，c 3 滤除常态干扰。 工频滤波器又称平滑滤波器，接在工频整流器与逆变电路之间。它能够乎滑 工频整流器输出的脉动电流，还可以抑制高频干扰。由于工频频率较低，滤波电 容的容量可以取大一点。图2 - 1 中，c 2 和c 3 既构成半桥