（电力电子与电力传动专业论文）用于压电振子的高频逆变器拓扑研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e ru l t r a s o n i ct e c h n o l o g yi si nw i d es p r e a da p p l i c a t i o no fe v e r y d e p a r t m e n to f n a t i o n a le c o n o m ya c e o r d i n gt oi t sa d v a n t a g e s w i t ht h ea p p e a r s a n dr i p ec o n s t a n to fn e w t h e o r y ，t e c h n o l o g y ，d e v i c e ，u l t r a s o n i ct e c h n o l o g yw i l l g i v ef u l lp l a yt oi t sa d v a n t a g e i nt h i sp a p e r ，t h eu l t r a s o n i cw e l d i n gs y s t e mi s m a d eu po f h i g h 一厅e q u e n c yu l t r a s o n i cp o w e ra n dp i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o rm a i n l y n l eh i g h f r e q u e n c yu l t r a s o n i cp o w e ro f f e r st h ee l e c t r i ce n e r g yf o rp i e z o e l e c t r i c o s c i l l a t o r ；t h ep i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o rt r a n s f e r st h ee l e c t r i ce n e r g yt ot h ek i n e t i c e n e r g y a n dw e l dt ow e l d i n gt h ep a r t t l i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h eh i g h p o w e ru l t r a s o n i ct o p o l o g i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n ， i nt h i sp a p e r , ad e e pr e s e a r c ht op i e z o e l e c t r i ce f f e c ta n dp i e z o e l e c t r i c e q u a t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l a tf i r s t a n dh a sc a r r i e do nc a r e f u l a n a l y s i s t ov i b r a t i o nm o d ea n dr e l e v a n t p a r a m e t e r so ft h ep i e z o e l e c t r i c o s c i l l a t o r ，t h e na n a l y z e dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h ep i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r a n de s t a b l i s h e di t se q u i v a l e n tm o d e la n dm a t c h i n gc i r c u i t ， s e c o n d l y ，i nr e s p o n s eo f t h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so ft h eu l t r a s o n i cp o w e r t ot h eu l t r a s o n i cw e l d i n g ，t h em a i nc i r c u i ta n dp o w e rc o n v e r t e rc i r c u i tb a s i c s t r u c t u r ei sp r o p o s e d ar e c t i f i e ra n df i l t e rc i r c u i t ，p o w e ra m p l i f i e r , d r i v i n g c i r c u i ti sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h em a i np a r to ft h er e c t i f i e ra n df i l t e rc i r c u i t ， p o w e rc o n v e r s i o na n do t h e rs e c t o r sc i r c u i ti sa n a l y z e da n dg i v e nt h e p a r a m e t e r sa n do p t i o n s t h e nas t a i r - w a v ei n v e r t e ra n dr e s o n a n ts i n ew a v ei n v e r t e ra s a h i g h f r e q u e n c y u l t r a s o n i c p o w e la n d t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，d e s i g n ， s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti sp r o v i d e f i n a l l y ，t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r i 每t h ec i r c u i tt h e o r ya n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ， k e y w o r d sp i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r ；u l t r a s o n i cg e n e r a t o r ；h i 曲f r e q u e n c y i n v e r t e r ；s t a i rw a v e ；s i n ew a v e i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文用于压电振子的高频逆 变器拓扑研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签字苏抄日期：h 1 年华月一日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 用于压电振子的高频逆变器拓扑研究系本人在燕l u 大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：如 导师签名：关f 珲履 日期：p 1 年牛月乡r 同期：2 吖年午月哆日 第l 章绪论 第，1 ，章绪论 1 1引言 当今电能变换系统中普遍是电能和磁能之间的相互转化，当压电材料 被发现并被应用之后；发现其有很广泛的应用潜力，并且从电能到机械能 的转化效率要比从电能到磁能的转换要高。压电振子是从电能向机械能转 化的机构，在各种电能到机械能转换的应用中用到的各种不同的元件其中 必包含最基本的单元，那就是压电振子然而压电振子对工作条件的要求 比较高，。因为其固有的内在品质对其驱动电路的要求也比较高，其需要与 其本身的谐振频率相同的正弦波作为输入，才能得到最大功率的输出和最 好的工作效率。而我们所研究的就是提供压电振子所需要的正弦波的逆变 器。早期的驱动电路是由波形发生器加上功率放大电路来提供压电振子所 需的正弦波的j 由于其体积效率等诸多不理想因素而被后来的逆变电路所 取代，而且随着电力电子器件的不断发展新型的电力电子电路也随之不断 出现，这是就需要随时更新压电振子的驱动电路以适应时代的潮流目前 所存在的逆变电路绝大部分是以高频方波作为输出的，然后通过滤波器滤 掉大部分的谐波成分从而提供振子以高频的正弦波。众所周知这就存在了 很大的问题，其滤波器的体积和损耗就显得很跟不上现代的小型化高效率 的潮流。这时，就需要我们来研究新的驱动电路来满足压电振子的需求， 研究一种直接输出高频的正弦波的逆变电路，而正蓬勃发展的电力电子器 件和不断出现的新型拓扑模型又给我们提供了前所未有的机遇。 _ 珏：电材料很早就被发现了，但是。盯于各方面的原因= 直没有受到很有 效的重视知道最近几十年，随着材料学科的发展，压电材料被广泛的研 究并广泛的应用到各个领域随着压电材料的研究及其性状的了解和电力 电子技术的发展，。由电力电子电路控制的压电器件有了长远的发展并且 越来越受到重视，其突出的优越性也随之不断表现出来。目前压电器件广 泛应用于各个领域和工程范围之中。压电振子是二种重要的压电元器件， 广泛应用于电子技术、激光、超声，弓l 燃引爆等各个领域，压电陶瓷振子 l 燕山大学工学硕士学位论文 是超声换能器、压电陶瓷滤波器、压电传感器、压电谐振器以及压电陶瓷 变压器等器件的主要组成部分，随着技术的进步及个学科间的相互合作， 压电振子的潜能会更加充分的发挥出来，其巨大的应用前景和经济能量是 无法估量的。 超声技术在工业中的应用开始于本世纪1 0 到2 0 年代，随着超声技术 的成熟，其应用也越来越广。作为超声学的一个重要分支，功率超声主要 研究大功率和高强度超声的产生，强超声在媒体中的传播规律，强超声和 物质相互作用，以及各种功率超声技术和应用。功率超声是以计算机技术、 电子技术、材料科学等学科为基础的现代高新技术，其应用遍及航空、航 海、国防、生物工程以及电子等领域。当今，功率超声技术己成为国际上 公认的高科技领域，其有关技术产品涉及到振动与声、电子、机械及材料 等新技术。可以预见，随着科学技术的发展，它必将在我国国民经济建设 中发挥越来越大的作用。近十年来，现代功率半导体技术的发展，新材料 的日新月异使大功率超声的产生、基本效应的研究和技术应用取得了较大 的进展，国内一些传统的加工、焊接、粉碎、乳化方兴未艾，发展较快的 新技术及其应用( 例如声化学和声空化、超声马达、超声悬浮、超声治疗 等) 也十分活跃。下面就功率超声的研究与应用加以介绍 1 超声清洗 超声清洗目前在功率超声应用中最广，主要应用于电子、电气、仪器 仪表、机械、钟表、制笔、光学玻璃、汽车、航空和原子能等工业，它主 要是利用超声的空化作用。存在于液体中的微气泡在声场的作用下产生高 频振动，当声压达到一定值时气泡迅速增长然后突然闭合，瞬时产生激波， 能在其周围产生上千个大气压力和几千度的高温，足以破坏不溶性污物而 使它们分散于溶液中；气体型空化能对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝 可钻，气泡还“钻入”裂缝作高频振动而使物体的污层脱落；蒸汽型空化 可对污层进行直接的反复冲击。 2 超声焊接 超声焊接主要有金属焊接和塑料焊接两种，其基本设备包括超声发生 器和换能振动系统两部分。用微机控制的超声塑焊机能根据焊件的状态和 2 第l 章绪论 性质自动控制发生器的输出功率，使焊件的压力及焊接的时间等参数能达 到最佳值，并且当参数不适应时会自动报警或停机。以塑代钢可节约金属 材料和减轻重量，所以超声焊接的应用领域和市场前景是很令人鼓舞的一 3 超声分散 功率超声在液体中最突出的应用是分散效应，其中包括乳化、粉碎、 雾化和凝胶的液化等，超声分散完全是靠液体的空化作用进行医学上的 细胞粉碎、冶金工业上的金属粉末的制取等都需要超声粉碎；在医疗上， 采用强超声雾化吸入疗法，将药物直接作用于药灶，可以提高药物浓度【1 1 ； 在日常生活中，可用超声雾化技术增加室内湿度。 4 超声处理 超声处理涉及面也十分广泛，例如超声淬火可大大提高材质淬火后的 硬度与淬火速度，且抗拉强度和屈服极限比一般淬火方式有明显的提高。，一 在污水处理上引入超声波技术也取得了进展，用超声辐照空气中饱和的污 水，可使污物发生裂解【l 】。 5 乳化原油的超声波脱水 超声波破乳是基于超声波作用于性质不同的流体介质而产生的位移效 应来实现的，其效果取决于位移效应。由于位移效应的存在，水粒子将不 断向波腹或波节移动、聚积并发生碰撞，生成较大的水滴，、然后在重力下 与油分离【2 】。在常规脱水方式不能奏效的情况下，超声波与化学破乳剂相 结合，利用化学破乳剂的扩散效应，应用于乳化原油脱水，有很好的发展 前景【2 】 6 超声化学 超声化学是声学与化学相互渗透而发展起来的一门新兴的边缘交叉学一 科，是声学和化学的前沿学科之一。超声化学主要是利用超声加速和控制 化学反应，提高反应产量、降低反应条件以及引发新的化学反应等。超声 化学起始于“超声空化”现象，一超声空化造成的超高温和超高压为常规化w 学反应提供了前所未有的反应动力。所谓超声空化就是指在一定的超声波 波形、声压和环境压力以及液体温度情况下，声波作用于液体中的微小气 泡核，气泡核被激活，过程表现为气泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃。 3 燕山大学工学硕士学位论文 气泡的振荡及生长过程称为稳态空化，气泡的压缩及崩溃过程称为瞬态空 化。瞬态空化产生时，形成局部热点，其温度可达5 0 0 0k 以上，温度的变 化率达1 0 9k s ，压力高达数百乃至上千个大气压。 7 超声除灰 超声除灰技术是利用超声发生器，把调制高压气流产生的强声波，馈 入炉内除灰空间相对于传统的方法。如高压蒸汽吹灰器，超声除灰器的 作用范围大，传播损耗小，并且不会引起锅炉爆管。分析其原因，主要在 于：( 1 ) 超声除灰器输出能量的载体是“声波”，通过声场与换热器表面的 灰渣进行能量交换，其作用力为“交流量”，而高压蒸汽吹灰器输出能量 的载体是“蒸汽射流”，靠“蒸汽射流”的动量直接打击换热器表面上的 灰尘和结渣，其作用力为“直流量”；比较而言。“交变”的作用力更容 易使灰渣脱落( 2 ) 高压气流除灰器的射流压力按喷射距离的反平方衰减， 而声波的交变压力按传播的反一次方衰减【 j 。 8 。超声悬浮 声悬浮技术是利用强驻波声场中的声辐射压力与悬浮物体的重力相平 衡，从而使其稳定地悬浮在声场中或在声场中移动的技术声悬浮装置必 须包含一个能够产生稳定的强驻波声场的声学空间，此空间可以是一维、 二维和三维声场以及气体和液体中的驻波声场。 一 由于声悬浮技术无机械支撑，对悬浮体不产生附加效应，因此在物理 学、流体力学、生物学、材料科学等领域都有广泛应用。声悬浮技术的具 体应用有高纯度材料的制备、液体及生物介质的力学性质研究等。 9 超声马达 。 超声马达的模型于7 0 年代提出，8 0 年代以后得到迅速发展。与电磁 马达不同，超声马达是通过超声换能器将电能转换为某种模式的机械振动j 然后通过定子与转子之间的摩擦力使转子运动。按照定子振动的波形，超 声马达有行波、驻波和表面马达之分：按照定子的运动形式，有线性和旋 转马达两种：还可分为接触与非接触驱动马达等。超声马达的优点是转速 低，力矩大，响应快，定位精度高，没有电磁干扰，运行无噪声。易于控 制超声马达的这些特点使其已在包括航空航天、汽车、自动聚焦照相机、 4 第l 章绪论 微机器人、计算机、仪器仪表等高技术领域成功应用甚至有关专家预言， 2 l 世纪将是超声马达在全世界广泛应用的时代，将有可能取代微小型的传 统马达。 l o 超声治疗与保健 在医学中超声治疗主要是指超声理疗和超声外科尽管目前超声诊断 的应用范围比超声治疗范围宽得多，但超声波在医学中的应用最早是从超 声治疗开始的。截至目前，超声治疗的应用范围包括呼吸系统、消化系统、 循环系统、神经系统、肌肉损伤、劳损、肩，颈、腰腿痛及键鞘和骨关节 等疾病，超声的作用主要是消炎、止痛等。超声外科也得到了很大发展， 如超声外科手术、超声治疗癌症、超声溶血栓、超声粉碎结石、超声针灸、 超声粉碎脂肪减肥、超声穴位治疗以及超声洁牙等1 4 1 。 1 2 超声换能器 。 超声换能器是产生大功率超声波的关键部件。在功率超声领域，声能 的产生主要通过3 种不同的方法，即流体动力法、压电效应法以及磁致伸 缩效应法。 流体动力型超声发生器包括气流声源和流体( 液体) 动力发生器声源两 种。气流声源是一种机械式声频或超声频振动发声器，它依靠气流的动能 作为振动能量的来源。这种发生器的效率较高，可达3 0 左右，但声功率 不大，通常不超过数瓦。流体( 液体) 动力发生器声源是将液态流体中的 涡流能量转换成声波辐射的一种声波换能器。流体声波发生器也称为哨， 如簧片哨等流体( 液体) 动力发生器声源的优点是价格廉价，结构简单， 易王童匹配， 基于压电效应原理工作的换能器称为压电换能器( 压电振子) 。在功率 超声领域，应用最广的是夹心式压电换能器。目前，。压电换能器的工作频 率也从常用的较低频率( 2 0k h z ) 发展到了较高频率( 几百千赫兹甚至兆 赫兹数量级) ，单个换能器的功率容量也从几十瓦发展到几百瓦甚至几千 瓦。大功率超声换能器主要用于超声焊接等，例如在汽车部件的焊接中， 超声换能器的功率可达几千瓦。在压电超声换能器( 压电振子) 的发展过 5 燕山大学工学硕士学位论文 程中，提高压电材料的性能是关键。据报道，国际上已研制出一种新的压 电单晶材料，其压电常数是现有传统压电材料( 如锆钛酸铅材料) 的凡百 倍。可以预计，这种材料一旦商品化，换能器的功率容量以及振动位移将 发生革命性的变化。 磁致伸缩换能器是基于某些铁磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸缩效 应而制成的一种机声转换发声器件。传统的磁致伸缩材料包括镍、铝铁合 金、铁钴钒合金、铁钴合金以及铁氧体材料等与压电超声换能器相比， 由传统的磁致伸缩材料制成的磁致伸缩换能器的应用范围己经很小，造成 这种情况的原因，在于磁致伸缩换能器的机电转换效率较低，而且其激励 电路复杂。然而，随着材料科学技术的发展以及稀土超磁致伸缩材料的研 制成功，磁致伸缩换能器又受到了一定的重视预计不久将来，利用稀土 超磁致伸缩材料制成的大功率换能器将在超声技术中获得大规模应用。据 美国工业协会 u i a 2 8 届年会报导，e t r e m ap r o d u c t s 公司己成功使用 t e r f e n 0 1 d 磁致伸缩合金制造出2 5k w 超声源，进行声化学及废水的工业 处理报导有一种硅单晶，其应变大于1 7 比p z t 大一个数量级，而耦 合系数达9 4 。利用硅单晶制作变幅器，用于微型雾化器，工作在7 2k h z 时振幅大约5 0 0 。s 硅的特点是极限应变高，声损耗低，热传导好，用于超 声外科器械，微泵及其他高振幅的微电机系统很有前途【”。 1 3 超声电源功率超声发生器 超声电源的发展，主要依赖于电子、电力电子、信号测量和控制技术 的发展，它经历了一个从早期的电子管到今天的采用现代电力电子技术的 超声电源的演变过程。随着功率超声技术的发展和应用的不断扩大，能产 生十几到几十千瓦的声功率的超声电源己经成功地使用在超声金属成形领 域1 6 - 8 。 、 1 早期的功率发生器 早期的超声波发生器以电子管作为功率放大器件。这种类型发生器一 般由两部分组成：高频振荡器和超声辐射器。高频振荡器按电感反馈线路 连接，频率由电容器调谐到石英的固有频率，或通过电感改变振荡器与超 6 第l 章绪论 声辐射器之间的耦合来改变输出功率。， 随着模拟电子技术和功率半导体技术的进步，可控硅和高频晶体管取 代了电子管应用于功率超声发生器早期的这种发生器具备很多弱点，工 作频率上限较低( 约为2 5k h z ) 抗干扰能力弱，电气噪声容易引起误触发， 并且缺乏保护措施。 上述功率超声发生器在2 0 年代至7 0 年代发展成熟并广泛应用于超声 清洗、焊接、加工等领域。 2 集成化功率超声发生器 现代电子技术，尤其是中大规模集成电路以及新型功率电子器件的出 现为上述问题的解决提供了有力的技术支持。科研人员提出了很多解决方 案，其中锁相环法，差动变量电桥法等具有一定的代表性。耐高压大电流 及开关速度快的新型大功率器件m o s f e t 、i g b t 、g t o ：m c t 等的广泛 应用，使得发生器的设计变得更为简单，进一步实现设备的小型化发生 器采用p w m 技术改变输入功放的电压，使得功率调节成为可行电声参 数的测量仍是功率超声领域的难题，目前采用的方法有瓦特计、导纳圆法 和量热法，但这些方法只能用于发生器输出标定，均不能实现在线测量。 3 智能化功率超声电源 传统的频率跟踪和功率调整都是通过纯硬件实现，但硬件复杂，呵靠 性很难保证，系统也很难实现柔性。特别在一些复杂场合，对系统的控制 品质和远程控制有苛刻的要求，而远程控制、工作方式、工作频率和功率 的自动调整使整个电路变得更加复杂。近年来，现代电子v l s i 技术的发 展，特别是单片机、d s p 的普及，推动了电源的数字化和程序化进程新 一代的智能型超声电源的研制为功率超声的推广应用开创了个新的时 期。 功率超声电源的研究一般是围绕着以下几个课题来进行的： 频率自动跟踪 许多情况下，换能器用于负载变化剧烈或其刚度、质量缓慢变化的场 合，并且换能器以及与之配合使用的变幅杆、工具头的参数也会因发热、 老化、磨损、疲劳等原因而发生改变，这些都使得换能器的谐振频率漂移， 7 燕山大学工学硕士学位论文 如果发生器的工作频率不随之改变，换能器将工作于失谐状态而使效率降 低，甚至停振。因此，需要采取措施使振荡器频率随着换能器的谐振频率 的改变做出相应改变，以保证换能器始终工作在谐振状态。这就是频率自 动跟踪。 阻抗匹配 在超声电源系统中，换能器与电源的阻抗匹配一直是超声电源技术的 一个研究热点。超声电源配套使用的换能器多是压电型或磁致伸缩换能器， 这两类换能器有着很大的静态电容或电感量，需要一个阻抗网络使之调谐。 此外，开关型功率半导体输出为方波，含有大量的谐波成分，合理的匹配 网络能有效的滤除谐波成分，提高电声效率。 功率自动调整 超声加工设备中换能器的阻抗随着负载的变化而变化，而且变化值相 当可观。另一方面。在很多场合下，人们希望发生器的输出功率自动跟踪 载荷变化；维持变幅杆振幅稳定。 电声参数在线检测 在声空化、声化学、声焊接应用中，为了深入研究超声作用机理，必 须对输入换能器的电参数实时测量。 设备集成化、小型化，提高超声电源运行的稳定、可靠性 高频正弦波逆变器拓扑电路的研究。 目前最常用的有三种逆变器主电路，分别是推挽型，半桥型，全桥型 l g - i o j 。下面分别就三种电路的特性进行分析 ( 1 ) 推挽型逆变电路 图1 1 型逆变电路的主回路拓扑图。 图中功率开关管t l 和t 2 由彼此问隔l 2 周期的脉冲驱动，每只开关 管导通时最大值都小于1 2 周期。t l 导通时，输出为负；t 2 导通时，输出 为正。 推挽型电路的优缺点： 优点； 驱动电路简单。推挽型电路的开关管的源极是连接在一起的，所以两 窖 第1 章绪论 图l l ，挽型逆变电路图 f i g 1 1 t h et o p o l o g yo f p u s h - p u l lc i r c u i t 组栅极驱动电路彼此之间无需绝缘，从而使驱动电路得以简化： 缺点： 会因磁芯饱和出现漏极电流尖峰而导致晶体管损坏 高频变压器的利用率差由于高频变压器原边每一绕组只有半时。 间工作，故其利用率差。 对功率开关管的耐压要求高推挽型开关电源在稳态情况下，开关 管截止时，开关管源漏极间承受的电压为两倍的输入电源电压u 值若再。 考虑到高频变压器漏感的影响，则在开关管截止时，漏感储存的能量还会 在开关管源漏极间稳态截止电压上叠加一个很高的尖峰电压，所以要注意 选择使用耐压值较高的功率管 ( 2 ) 半桥型逆变电路 用两只容量、耐压都相同的电容器c i ，c 2 和两只特性相同的功率开关 管t l ，t 2 组成一电桥，输入电源m 加于电桥一对角线的两端点上，而高 频变压器的原边绕组则接在电桥另一对角线的两端点上，高频变压器副边 。的输出回路维持推挽型电路原来的接法经这样改接后的电路称为半桥型一 电路，如图l - 2 所示。一 在图中，电容c l 和c 2 上的电压相等，而目等于输入电源电压的一半： 一在此电路中厂当开关管t i 被驱动导通时厂电容c l 两端电压便通过开关管一 t l 加到高频变压器原边绕组i 两端。此时，变压器原边绕组i 两端电压 和电容c i 两端电压相等，都等于输入电源电压的一半，变压器5 脚输出为 正。4 当开关管t l 截止，t 2 导通时，电容c 2 两端的电压通过开关管t 2 加 9 燕山大学工学硕士学位论文 j = 三c i t 1 l j i l = c 2 t 2 。 图1 - 2 半桥型电路 f i g 1 - 2 t h et o p o l o g yo f h a l f b r i d g ec i r c u i t 变压器原边绕组l 的两端，使绕组m 两端电压极性反向，其值也等于输 入电源电压的一半因此，功率开关管t l ，t 2 轮流导通和截止时，在高频 变压器原边绕组m 两端便产生一幅值为u 2 的交流电压。 优点： ， 高频变压器利用率高。 推挽型电路的高频变压器原边每一绕组，在一个周期内仅工作半个周 期，而在此电路中，高频交压器原边绕组在方波脉冲的正负半周都工作， 故其变压器的利用率比推挽型电路的变压器高。 截止开关管漏源间承受的电压低。 由图可见，当功率管t l 导通，t 2 截止时，若忽略不计t l 的管压降， 则加于功率管t 2 源漏极问电压就等于输入电源电压u 同理，功率管t 2 导通，t l 截止时，加于功率管t l 源漏极问电压也等于输入电源电压u i 。 而在推挽型电路中，截止功率管源漏极问承受的电压为2 “。 抗不平衡能力强。 缺点：， 。 由于这种电路加到高频变压器原边绕组上的电压是电容c i 或q 两端 的电压，当c l 或c 2 经变压器原边放电时，其电压要逐渐减小，所以输出 脉冲电压的顶部呈倾斜状 ( 3 ) 全桥型逆变电路 全桥型电路主回路如图1 3 所示在此电路中，开关管t l 和t 3 轮流导通， 各导通1 8 0 度电角度：t 4 和t 2 也是这样，但t i 和t 4 不是同时导通，两者导通 1 0 第1 章绪论 图1 - 3 全桥型电路 f i g 1 3 t h et o p o l o g yo f f u l lb r i d g ec i r c u i t 差一定的电角度，其中t l 和t 3 分别先于t 4 和t 2 导通。此电路既保持有半桥 型电路中开关管截止时漏源极间所承受的电压较推挽型电路低的特点，又 有推挽型电路所具有的输出电压高、输出率大的优点。因此，全桥型电路 在大功率开关电源中应用较多。 全桥型电路的缺点是需要用四只功率开关管，需要四组彼此绝缘的驱 动电路，比较复杂【1 1 1 。 1 4 本文的主要研究内容 本课题主要研究内容是在查阅现有文献的基础上，提出两种用于超声 波发生器的逆变器拓扑，并将他们与目前常用的全桥逆变器进行对比研究， 实现了新型逆变器在超声波电源中的应用。 本论文的第二章对压电振子的振动模式、压电方程、等效模型进行了 细致的分析，并且对匹配电路进行了初步的研究，为逆变器的设计提供了 理论基础 本论文的第三章针对全桥方波逆变器进行了设计，仿真及实验，得出 了一系列数据结果。 本论文的第四章主要对提出的阶梯波逆变器进行了理论分析，仿真研 究，电路设计及实验 本论文的第五章主要对提出的谐振高频逆变器进行了理论分析，仿真 研究，电路设计及实验。 最后对各组实验数据进行了对比分析，指出了下一步的工作方向 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章压电振子理论基础 2 1引言 本章首先结合课题讨论了压电材料的压电效应和压电方程，压电振子 的振动模式及相关参量，其次分析了压电振子的等效电路。 2 2 压电效应与压电振子 2 2 1 压电效应与压电方程 对于晶体结构中不存在对称中心的异极晶体，加在晶体上的张应力、 压应力或切应力，除了产生相应的应变以外，还将在晶体中诱发出介电极 化或电场，这一现象称为正压电效应。反之，若在这种晶体上加上电场， 从面使该晶体产生极化，则晶体也将同时出现应变或应力，这就是逆压电 效应，两者统称为压电效应。二者皆可以通过压电系数d 表示的线性关系 来描述【1 2 , 1 3 1 3 3 r l - t 五 疋2 ；疋 7 k ；n r 2 尹疋产n 乃i = t i 产乃 i ：；疋i = 瓦 图2 - 1压电晶体的应力方向 f i g 2 - 1t h es t r e s sd i r e c t i o no f t h ep i e z o e l e c t r i cc r y s t a lu n i t 在传感器应用中，一般利用正压电效应，其数学关系为： q = d y 乃 ( 2 1 ) 其中，d 为介质内电位移，r 为机械应力，d 为压电常数，下标f 表示方向 ( 1 3 ) ，_ ，为应力方向( 1 3 表示单轴应力，4 - - 6 表示剪切应力，如图2 1 所 示) 。 1 2 第2 章压电振子理论基础 在换能器应用中，一般利用逆压电效应，它具有的数学关系式为： s ，= d 。e j，( 2 2 ) 其中，s 为机械应变，e 为电场强度 以上表明，具有压电性的晶体，通过压电效应能够将力学量( 应力丁 和应变s ) 与电学量( 电场e 和电位移d ) 相互联系在一起，也即实现机 电耦合：而作为弹性体和电介质的压电晶体，其本身的电场e 与电位移d 及应力r 与应变s 间存在着直接的效应，因而在弹性限度范围内，当外电 场不为零时，应变可由应力和电场两方面产生，而电位移也可以由应力和 电场两方面产生，由此可以得到综合描述晶体极化、弹性之间机电耦合作 用的方程组压电方程1 4 l ： j d 。t i t + ，e , 7 e( 2 3 ) ， t ) j 峪= s 6 + 钽 式中，为恒定电场强度下的机械柔顺矩阵，为恒定机械应力下的介电 矩阵。d 、e 、文r 分别为电位移、电场强度、应变、应力矩阵式( 2 - 3 ) 为第一类压电方程，对应于机械自由和电学短路的边界条件【1 5 】对于不同 的边界条件和不同的自由量，可以得到不同的压电方程组，其余参见参考 文献 1 4 】。 2 2 2 压电振子与振动模式 外加交变电场通过压电效应的耦合作用，可在压电体中激发出各种模 态的弹性波，当外电场的频率与弹性波在压电体中传播时的机械谐振频率 敏向模态由横向模态0 5 t j 痧i = j 极化方向 一一电场方向 变形方向 图2 - 2 压电振子的不同振动模式 f i g 2 - 2t h e d i f f e r e n to s c i l l a t i n gm o d eo f t h ep i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 一致时，压电体便进入了机械谐振状态，成为压电振子1 1 6 a 7 1 。 按照电场激励方向和压电体非零压电系数的对应关系，可以判断在压 电振子中能够激发出何种震动模式。如对于经过极化处理的压电陶瓷，一 般有五个非零的压电系数，d 3 = 蟊：，d 3 ，d 。，= d 2 ，若沿极化轴x 3 方 向加电场，则通过以，的耦合x 3 方向上激发纵向振动。并通过如和如在 垂直于极化方向的x i 轴和x 2 轴上激发其相应的横向振动。而垂直于极化 方向的x l 轴和x 2 轴上加电场，则通过d 。，和以。激发起绕x 2 或x l 轴的剪 切振动，如图2 - 2 所示。压电体中能被外电场激发的振动模式，还和压电 体的形状尺寸有密切的关系。 2 2 3 相关参量 2 2 3 1电学品质因数压电振子在交变电场作用下，由于电导和极化驰 豫现象的存在，会散耗掉一部分能量，这可以通过电学品质因数q 来衡量 q 由通过振子无功电流l 和有功电流厶的比值来定义，等于介质损耗角正 切t g 坑倒数：7 ，1 q 一盖5 方( 2 - 4 ) 电学品质因数q 通常可用阻抗电桥或电容电桥在远离振子谐振点的频率 下直接测量。， 2 2 3 2 机械品质因数压电振子的机械品质因数瓯同振子谐振时的振 动放大倍数相关，由振子压电陶瓷、粘接层和弹性体材料在循环应力应变 作用下的内部摩擦确定，是衡量振子谐振时机械内耗大小的一个重要参数。 既定义为谐振时振子贮存的最大弹性能既与每周内损耗的机械能的 比值的2 石倍： 统= 2 万兰声 ( 2 - 5 ) nr 以与振子的谐振模式有关，可根据振子的阻抗频率特性求得。 2 2 3 3 机电耦合系数机电耦合系数是综合反映压电振子的机械能与电 能之问耦合程度的参数，同时取决于材料的介电常数、弹性常数和压电常 1 4 第2 章压电振子理论基础 数机电耦合系数的平方七2 定义为：， k 2 茎耄耋墨篡攀( 对应于逆压电效应) ( 2 - 6 ) ，输入的总电能 | 2 = 茎粪季昙嬖尝( 对应于正压电效应) ( 2 - 7 ) 一t 输入的总机械能一 由于压电振子的机械能同振子形状和振动模式有关；因而不同形状和 不同振动模式所对应的机电耦合系数不同。对应于沿x 3 方向施加电场而 沿x 1 轴方向伸缩振动的压电振子来说，其机电耦合系数为： 毛。= 1 塑( 2 8 ) 一 、_ e 南t 机电耦合系数是个无量纲的量。在振子中，未被转换的那一部分能量是以 电能或弹性能的形式，可逆的存贮在压电体内。因而k 2 只是表示能量转换 的有效程度，而不对应于能量转换的效率。 2 3 压电振子的等效电路 2 3 1 无损耗压电振子的等效电路 ，压电振子的等效电路表示法，是利用电学网络术语来表示压电弹性体 的机械振动特性，即把某些力学量模拟为电学量的方法。这样，一方面可 以把所研究的问题简化，另一方面当压电振子黄于电子线路中时，为了了 解压电振子的振动特性，也需要利用这种机电转换的表示方法。 图2 - 3 压电振子 f i g 2 - 3t h ep i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r 对于图2 - 3 所示薄长片压电振子，其长度，沿x 方向，宽，沿y 方向， 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 厚沿z 方向，且j ，_ ，j ，振子沿z 方向极化，z 面为电极面， 在压电振子上施加正弦电压信号。 因为压电振子厚度和宽度都很小，可近似认为振子的内部与y 方向和 z 方向有关的应力均为零，即： 乃= 乃= r 4 = 乃= 瓦= o( 2 9 ) 而振子的长度远大于其厚度和宽度，所以在振子内部沿z 方向的应力 n 0 。由此可见，这种薄长片压电振子只需要考虑应力分量兀的作用， 而应变分量中只需考虑蜀的作用当在压电振子上施加正弦电压信号后， 根据压电晶体的逆压电效应，压电振子将产生沿x 轴方向按正弦规律变化 的伸缩运动。 对于电场的作用，因为z 面是电极面，所以只需考虑历的作用，1 其他 电场分量e 1 2 易= o 又因为电极面是等位面，存在a 岛厶2 0 ，、因此，可 以认为这种振子处于机械自由电学短路的边界条件，选取应力r 和电场强 度e 为自变量，应变s 和电位移d 为因变量的第一类压电方程 肛，正+ 办曼( 2 - 1 0 ) 【b = d 3 l 五+ 占五e 压电振子质点运动方程为： “= ( a s i n h + b c o s i l x ) e ( 2 - 1 1 ) 式中： l 广一质点的位移； 卜波数； 埘激发信号的角频率。 由上述压电方程和运动方程可推导出对应的机电网络，再根据力学边 界条件可就得到如图2 4 所示的等效电路 1 5 也1 ，图中包含多条并联的l c 支路。 当外部激振频率处于压电振子第k 阶谐振频率附近时，只有k 条支路 呈现一很大的导纳，其余支路导纳很小，此时的等效电路一般用图2 - 5 来 第2 章压电振子理论基础 表示 图2 4 无损耗压电振子的等效电路 ，、 f i g 2 - 4t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f t h en o n - l o s sp i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r f i g 2 - 5t h es i m p l i f i e de q u i v a l e n tc i r c u i to f t h en o n _ l o s sp i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r 等效电路的导纳可以表示为： g ：型兰：毒：剖弘四 ? _ 石， 式中： f 压电振子的静态电容j 丘k 阶谐振频率下压电振予的动态电感； q k 阶谐振频率下压电振子的动态电容。 静态电容c o 是由压电振子的介电常数和电极尺寸所决定的i 串连支路 中的动态电感厶和动态电容c i 是由压电振子的尺寸、密度、压电常数和 弹性常数决定的。 由式( 2 1 2 ) 可以得到导纳最大时和导纳最小时的频率，当导纳最大时， 燕山大学工学硕士学位论文 有 鸣一去一。 由此可以得到导纳的最大频率无为： 1 歹_ 2 丽 当导纳最小时，由式( 2 - 1 3 ) 有： ， ，咄一去_ 去如 ， ， v 由此可以得到导纳的最小频率无为： 正= ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 根据交流电路理论可知，图所不电路的串联谐振频率和并联谐振频 g f , c t n 为； 4 厶。司诗 q 。7 ) j p = 2 万- 弘磊1 。 在串连谐振频率附近，压电振子还存在并联电纳为零的两个特征频率。 在这两个特征频率下，振子两端的电压和传输电流的相位相同。在这两个 特征频率中，频率较低的一个为谐振频率z ，较高的一个为反谐振频率正 因此，对于压电振子的任一振动模式来说，都具有六个特征频率，当 压电振子无机械损耗时，这六个特征频率分别对应相等，即： 护2 盘( 2 - 1 9 ) 。= = 正 。 1 8 第2 章压电振子理论基础 2 3 2 有损耗压电振子的等效电路 2 3 2 i粘滞阻尼对压电振子等效电路的影响前面所讨论的压电振子等 效电路是假定无损耗的理想振子等效电路，事实上压电振子在振动过程中 存在着内部粘滞阻尼，因此有一定的能量损耗。在等效电路中压电振子阻 尼损耗可以用一个等效电阻来表示，图2 - 6 中所示为有阻尼压电振子的等 效电路。 、 一 图2 - 6 有阻尼压电振子的等效电路 f i g 2 4 5t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f t h ed a m p i n gp i e z o e l e c t r i co s c i l l a t o r 图2 - 6 中冠为k 阶谐振频率下压电振子阻尼损耗的等效电阻。对于一 个通过逆压电效应激发的压电振子来说，在串联谐振频率附近，其电行为 都可以用如图所示的l c 电路来描写。图中也丘c i 串联支路等效于压电振 子的机械振动特性，而c 0 支路则代表压电振子的介电特性，在谐振频率附 近，压电振子等效阻抗的谐振特性与l c 电路阻抗的谐振特性完全相似。 考虑压电振子本身的内部粘滞阻尼，因其衰减因子与频率的平方成正 比，阻尼损耗等效电阻可表示为【2 3 l ： 皿= t t 叼t 2 , k = 导 l t 式中，口为一比例因子 从图2 - 6 可知，压电振子的等效导纳为： g = j c o c l + = g - t - j b 1 9 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 燕山大学工学硕士学位论文 式中： ( 2 2 2 ) b - 砰福1 弘功 l r * f s l n * fp ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 将式( 2 。2 4 ) 和式( 2 - 2 5 ) 进行二i 贞式及级数展开，得： f 堋哇警专监+ ) 正= 俨j 1t r ；c 唁丝) ( 2 2 7 ) 压电振子串联谐振时的机械品质因数绒和电容比，分别为： 级= 警= 丽1 ( 2 - 2 8 ) ，= 百c o ( 2 2 9 ) 将式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 分另| j 代入式( 2 2 8 ) 和式( 2 2 9 冲，并取前两项，得： z = 正( ，+ 寿 ( 2 3 0 ) 莩孚 一 + 一 一 厂nv厂n圹 第2 章压电振子理论基础 五= ( - 寿 ( 2 - 3 1 ) 、厶 五( - 砉 渤 ，三= t + 割 五s s