用于齿轮加工的超声电源设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书用于齿轮加工的超声电源设计摘 要齿轮是各种机械设备中应用最为广泛的传动元件，对于装备制造业的发展具有极其重要的作用。随着经济与技术的发展，对于齿轮加工条件及加工设备效率都提出了越来越高的要求，也就是对功率放大器的要求越来越高。虽然现在市面上也存在着许多的超声电源，但是对于大多数的电源来说功率都不是很高，很难满足大功率超声加工的需求，因此就需要加工人员对电源进行改进或调试，但对于机械行业的工作人员来说对于电子设备的应用还可以，但是设计方面都存在不足，因此设计一款“傻瓜”式功率放大器就显得十分的必要，通过这样的一种设计思路和方法大家都可以进行功率放大器的 DIY 设计，使过去面临的问题不在是问题。但是，目前实验室用的超声珩齿电源和实际生产中使用的超声电源一样，由于使用可靠性或成本的问题大多使用半桥或分立式全桥功率放大器，这些功率放大器组成的超声电源或存在效率低或存在体积大、不稳定等缺点，甚至存在一定的安全隐患。而对于集成式 D 类全桥放大电路，则结果就会好很多，本设计提出将集成式全桥电路引入超声电源中，来克服上述弊端，改进现有超声电源关键词：超声电源，功率放大器，全桥 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 II 页 共 I 页Ultrasonic power supply designed for gear cuttingAbstractGear is a variety of mechanical equipment most widely used transmission components, for the development of equipment manufacturing industry has a very important role. With the economic and technological development, the gear efficiency of processing conditions and processing equipment have raised higher requirements, which is increasingly high demand for power amplifiers. Although there are many commercially available ultrasonic power, but for the majority of the power supply is not very high, it is difficult to meet the demand for high-power ultrasonic machining, hence the need to improve the power processing personnel or debug, but for machinery industry workers who applied for electronic equipment can be, but are deficient design, so design a fool type power amplifier becomes very necessary, through this kind of design ideas and methods that everyone can DIY design for power amplifier, so that the problems faced in the past is not a problem.However, ultrasonic power is used in laboratory as well as in practice，Using a half bridge or a discrete full- bridge power-amplifier in most cases because of reliability or cost, Ultrasonic power by these power amplifiers have low efficiency or volume of a large， unstable defects，even some of these security risks. For class-D full-bridge amplifier integrated circuit, the result will be better than the others. This design will be integrated into the full bridge circuit ultrasonic power supply to overcome the above drawbacks, improving the existing ultrasound powerKey Words： Ultrasonic power supply，Power-amplifier，Full-bridge amplifier 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 III 页 共 I 页目 录1 绪论 .11.1 课题背景及研究意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 课题的主要研究内容 .22 D 类功放介绍 .52.1 功率放大器分类 .52.2 D 类功率放大器 .82.2.1 串、并联式开关放大器 .82.2.2 桥式功率放大器 .123 功率放大电路的设计 .153.1 H 桥电路设计 .153.2 IR2110 驱动电路 .163.2.1 IR2110 简介 .163.2.2 IR2110 外围电路的设计 .184 仿真分析 .244.1 整流滤波电路 .244.2 功放电路 .255 功放 PCB 图 .27参考文献 .28致谢 .31 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 31 页1 绪论1.1 课题背景及研究意义齿轮是各种机械设备中应用最为广泛的传动元件，对于装备制造业的发展具有极其重要的作用 1。 “十五” ， “十一五”期间，我国的齿轮工业有了迅猛的发展，取得巨大的成就，齿轮行业年产值在 2000 年到 2005 年之间增加了 443 亿， “十一五”末期，我国齿轮制造业年销售额可达到 1300 亿元，人均销售额上升到 65 万元/年，在世界行业排名中达到世界第二，齿轮制造业已成为我国机械基础件中规模最大的行业。虽然最近一段时间液压传动装置日益增多，但对于精度要求较高的场合，齿轮仍然是传动元件的首选，对齿轮的需求仍是有增无减 2,3。1.从行业上，卫星、飞机、船舶、汽车等高端行业对于高精度的齿轮都有很大的需求。随着经济与技术的发展，对于齿轮加工条件及加工设备效率都提出了越来越高的要求，也就是对功率放大器的要求越来越高 4,5。虽然现在市面上也存在着许多的超声电源，但是对于大多数的电源来说功率都不是很高，很难满足大功率超声加工的需求，因此就需要加工人员对电源进行改进或调试，但对于机械行业的工作人员来说对于电子设备的应用还可以，但是设计方面都存在不足，因此设计一款“傻瓜”式功率放大器就显得十分的必要，通过这样的一种设计思路和方法大家都可以进行功率放大器的 DIY 设计，使过去面临的问题不在是问题6,7。2.从应用上，传统的功放由于多采用半桥式电路对能量的使用率较低，有一半左右的能量没有被利用而以热量的形式散失，在我国现阶段节能减排的大趋势下，这样的能量浪费是不必要的，并且为了把这部分能量散发掉，必须是超声电源的体积大大增加来提高散热速度，另外的一部分超声电源虽然使用了全桥电路 8，但是多为分立式也会增加电源的体积，且升级并不容易，而使用集成全桥功放体积会大大减小，并且升级更加容易，和电脑换个内存条没什么区别，因此这种替换是一种大势所趋 9,10。3.从技术上，随着电子制造技术的大大提高，全桥芯片的制造水平也在不断的提高，现成的全桥芯片 11随处都可以买的到，只要有一本教程人人都可以做出一个功放来，和装电脑没什么区别，这样根据自己的要求自己来设计符合要求的 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 31 页功放就可以了。综上所述，对全桥功放的研究和技术的攻关，能够在节省能源、促进军工、民用工业的发展等方面做出贡献 12,13，更重要的是使设计更加的容易。1.2 国内外研究现状在国外，功率放大器随着大功率音响的出现而出现，集成芯片随着计算机技术的发展而发展 14，而随着其他科学技术的发展，对于大功率功放要求不断高涨，很多领域对于功率放大器提出了更高的要求，例如体积的小型化，功率的提高化，以及对效率的追求，都要求有更加好的集成式 D 类功率放大器 15的出现。其中美国的 APEX 公司和德州仪器公司就是这方面的先行者，APEX 公司就推出了 SA 系列产品，它的效率很高，能达到 97%左右，在效率提高的同时输出性能也不断改善，新研制出的具有数字修正功能的 D 类功放，总谐波失真率仅有 0.06，比很多商品化的 AB 类功率放大器的性能都要好。对于超声振动系统中的 D 类功放，SPAK 型开关功放这款由英国 LDS 公司所生产的产品 16代表了当今国际上的最高水平，其采用了多功放并联技术，功率最大可达 280kW，开关频率高达 1OOkHz，效率达到了 93%。 2000 年左右，日本也同样研制出了类似的产品。D 类功放的研究在国外已达了高的水平，而在国内的研究还仅仅是个开始。但随着近几年对于这方面的重视，使其也得到了迅速的发展。其中苏州东菱公司和一航 702 所是这其中的佼佼者 17，在它们的努力下，数字化的开关功放相继问世，推出了 60 kW,75kW, l20kW 的一系列产品，功放的效率达到了 95%左右，接近了世界的先进水平。当前，开关型功率放大器的研究主要有三个方向，首先是小型化，节能化的方向，也就是要提高功放的效率;其次是开关化与线性化结合的方向，开关化主要为承受主功率，线性化主要是对放大器来做补偿，可以提高效率的同时减小功放的线性失真;最后是数字化控制的方向。目前半桥式，推挽式功放己经被研究过了 18，而基于全桥，多电平等的集成型功放是现阶段 D 类功率放大器研究的主流问题，并逐步向数字化控制方向发展。1.3 课题的主要研究内容超声电源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。超声电 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 31 页源产生的电功率，驱动超声波换能器 19。目前产生大功率超声的方法主要有两种：一种是利用电能转换为声能的电声换能器产生超声，另一种是利用流体作动力来产生超声，目前广泛采用第一种方法，即采用超声电源产生超声。功率超声电源系统由两部分组成 20，即超声电源（超声波发生器）和超声振动系统。超声电源的作用是将电网上工频交流电变成超声频震荡电流，并通过阻抗匹配网络激励换能器。超声振动系统将激励它的交流电能转变成同频率的超声振动，再经过放大，传递给外界负载做功。按工作状态的不同，功率放大器一般可以分为 4 个类型，也就是我们所说的A 类，AB 类，B 类和 D 类。在实际生产应用中 A 类，B 类和 AB 类的功率放大器多用于像音响等要求具有高线性度的场合，而对于本文中所提到的齿轮加工设备中的功放，就对线性度没那么高的要求了，但是却要求有较高的效率，而这正是以上所提到的几类功放的缺点，它们将很大一部分功率以热量的形式消耗在了芯片之上，这些热量所导致的温升会使芯片的工作不稳定，更有可能完全的烧毁芯片21。由于有这样的问题存在，在芯片设计选型时，就要尽可能的去选择那些面积较大的芯片或增加散热片的面积来解决。这无形之中时设计成本大幅度增加，更增大了设备的体积。在这种情况下，一种更优质功放的出项就十分必要了，而 D类功率放大器就是其中的佼佼者。而对于集成式 D 类全桥放大电路组成的超声电源有许多优点，适合本课题的研究设计。而在芯片选型方面，则选择 IR2110。IR2110 芯片最大的优点就是可以同时输出两个信号 22，来驱动桥式电路的上下桥臂，而且具有良好的保护功能，能在一个很高的频率之下承受很高的电压，并且体积较小，调试方便，有利于减小电子设备的体积，最关键的是其低廉的成本，一片 IR2110 芯片的市场价大约在 18-20元之间。根据功放电路高频率，大功率，小型化的要求，再将电路设计、调试的难易程度和成本等综合因素考虑在内，选择 IR2110 芯片既可以满足电路设计的要求，并且电路保护功能比较完整，可以大大提高设备的稳定性与可靠性 23。全桥功放的设计关键是全桥驱动的芯片的选择和外围电路的设计，而随着电子制造技术的大大提高，驱动芯片的制造水平也在不断的提高，现成的驱动芯片 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 31 页随处都可以买的到，因此选择一款好的驱动芯片，就是本文的重中之重 24,25，因此本文就选择 IR2110 芯片来进行电路的设计。本设计的主要内容章节安排如下：第一章绪论，介绍了涉及课题的研究背景、意义和现状，以及该设计的主要任务。第二章 D 类功放介绍，对于各种不同类型放大器的特点及优劣进行了分析，了解 D 类功率放大器的种类及设计的基本原则及方法，掌握全桥电路构成和工作原理。 第三章功率放大电路的设计，本设计采用专用栅极驱动控制集成芯片和分立元件组成的外围电路来驱动 H 桥来放大信号。第四章仿真分析，使用 MULTISIM 对电路进行仿真分析时非常的便捷，只需将所需元器件连入电路并接入所需要的仪器仪表，构成完整的实验电路，打开虚拟的电源开关即可进行仿真，显示仿真结果。因此本文将采用 MULTISIM 对电路进行仿真来验证电路的可行性与稳定性。第五章制作 PCB 图，本设计将使用 PROTEL 的 PCB 功能画出以上电路的 PCB 图。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 31 页2 D 类功放介绍在电力电子学中有四种主要的变换技术，在这四种变换技术中，逆变技术是其中最主要的一种，这四种变换技术包括:DC/DC 变换，AC/DC 变换，AC/AC 变换和 DC/AC 变换，本文所说的逆变技术即第四种 DC/AC 变换，就是将直流电转换为交流电的技术。而能起到这样的作用的电路我们俗称为逆变电路，这种电路通过对 IGBT, MOSFET 等功率开关器件的开通与断开的控制来实现将直流电转换为交流电的目的。逆变电路现在被广泛的应用在风力发电设备，电机变频设备，飞机变速设备等很多不同的领域。在电源的功率放大设备中也有许多的应用，而其中的全桥功率放大器更是由于具有效率高、体积小等优点，在各个领域中都得到了广泛的关注和应用。近几十年来，随着电子技术的发展，各国学者对于全桥功放都进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。本章将分几个部分来分别介绍这些内容。2.1 功率放大器分类 按工作状态的不同，功率放大器一般可以分为 4 个类型，也就是我们所说的A 类，AB 类，B 类和 D 类。下面我们对其中的 4 种放大器的特点进行一番简要的介绍。如图 2.1 所示，A 类功放的输出级是由总是处在导电状态的晶体管组成，即当没有任何信号输入的情况下同样会有电流流过晶体管，这两个电流的大小与交流电的峰值相同，交流会在最大信号下流入负载。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 31 页图 2.1 A 类放大器当无信号时，流过两个晶体管的电流等量，所以在输出中心点上无不平衡的电压或电流，因此没有电流输入负载。当信号趋于正极，线路上方的晶体管流入的电流可以较大，下方的晶体管则电流相对来说较小，因为开始的时候电流不平衡，于是流入负载并且推动负载工作。由于 A 类功率放大器的静态工作点位于其输出特性曲线的中点附近，当有输入信号存在时也不能使其工作在截止区，所以晶体管总是处在导通状态，且可单管工作也可推挽工作。因为放大器是在输出特性曲线的线性区域能工作，所以几乎不存在交越失真。管子总是处在满电流下导通工作，导致放大器效率较低，晶体管的损耗加大，最大效率理论上也就有 25%左右，但优点就是电路简单，方便调试。如图 2.2 所示，相比于 A 类功率放大器而言，B 类放大器的优势就是无输入信号时，晶体管中无电流流过，而有信号时，各个晶体管彼此轮流工作，每个晶体管各工作半个周期，来完成全波的放大工作，但缺点就是在两晶体管轮流工作的过程中会有交越失真的存在，形成非线性。图 2.2 B 类放大器由于 B 类功放在信号很低时存在严重的失真问题，因此在实际生产应用，B类功率放大器的使用是非常的少的。相对于 A 类和 B 类功率放大器来说，采用折中方式生产出来的 AB 类功放更加的实用。与前两类功放相比，AB 类功放，可以说是 A 类与 B 类采用折中方式而实现的一种新的功放类型。如图 2.3 所示，AB 类功放通常有两个偏压，当没有信号输入时晶体管中也会有少量的电流流过。当输入信号较小时采用 A 类工作模式，获得最佳线性，当信号超过某一特定电平时自动转向 B 类工作模式使其工作的效率更高。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 31 页图 2.3 AB 类放大器在实际生产应用中 A 类，B 类和 AB 类的功率放大器多用于像音响等要求具有高线性度的场合，而对一于本文中所提到的超声加工设备中的功放，就对线性度没那么高的要求了，但是却要求有较高的效率，而这正是以上所提到的几类功放的缺点，它们将很大一部分功率以热量的形式消耗在了芯片之上，这些热量所导致的温升会使芯片的工作不稳定，更有可能完全的烧毁芯片。由于有这样的问题存在，在芯片设计选型时，就要尽可能的去选择那些面积较大的芯片或增加散热片的面积来解决。这无形之中时设计成本大幅度增加，更增大了设备的体积。在这种情况下，一种更优质功放的出项就十分必要了，而 D 类功率放大器就是其中的佼佼者。 几类功率放大器一些参数如下：表 2.1 各类功率放大器参数A B AB D管子工作模式 电流源 电流源 电流源 开关管子导通角 2 -2 输出功率 中 中 中 大理论效率 50% 78.5% 50%-78.5% 100%典型效率 35% 60% 35%-60% 75%线性度 极好 差 好 差D 类功率放大器在其工作时放大晶体管处于开关状态，当没有信号输入时由 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 31 页于处于截止状态，无电流流过而不消耗电能，当有输入信号存在时晶体管进入饱和态，晶体管与一个闭合了的开关的作用相同，使电源与负载处于同一闭合回路之中。在理想情况下晶体管因无饱和压降而不消耗电能，但实际之中却并非如此，晶体管还是由于一个很小的饱和压降的存在而消耗电能。这种耗电是与管子的性能息息相关的，而与输出信号的大小无直接关系，因此将 D 类功放应用于大功率或超大功率的情况下，其效率理论上可以达到 100% 。2.2 D 类功率放大器D 类功率放大器可以分为串，并联式开关放大器，桥式功率放大器等不同的类型 26。下面将做一一介绍。2.2.1 串、并联式开关放大器推挽式 D 类功率放大器如图 2.4 所示(其中(a)为电压型开关放大器，(b)电流型开关放大器)，输入激励信号后上下两管交替导通，导通时间占了半个交流周期，另外一半被截止时间所占据。这种类型的放大器有两种不同的组态，分别为电压开关放大器和电流开关放大器。在电压开关组态中，晶体管所起的作用是电压型开关，集电极电压为方波，串联调谐电路只让基波电流通过。所以输出电压为集电极电压的基波分量，集电极电流为半个正弦波。在电流开关组态中，晶体管所起的作用是电流型开关。图中的 L2为扼流圈其可以保证直流馈电电流的恒定，集电极电流为方波，而集电极电压为半个正弦波。（a） 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 31 页(b)图 2.4 D 类功率放大器在功率超声领域中用的较多的是电压型开关放大器，这是因为电压开关型放大器的饱和损耗比电流开关型放大器饱和损耗要小，分析其产生在于电压开关型放大器比电流开关型放大器保持峰值电流的时间要长，前者晶体管仅在 180。饱和期间内最大，后者则在整个导通角内均保持峰值集电极电流，还有就是方波电流时的饱和电压一般要比下弦电流时的饱和电压大，这是其一。从效率上来说，电流开关型低于电压开关型放大器，不过前者取得功率的能力会更强一点，这是其二。电流开关电路中，由于负载断开时的瞬态效应，很高的浪涌电压会对开关带来冲击，导致开关元件的伏安容量利用率显著降低，这是其三。电路开关电路要求相同元件的情况下电源要能提供的电流是电压开关型的 倍，这是其四。而当负载失调时电压开关型所流过的电流要更小，这对失调范围有要求的情况是十分重要的，这是其五。对于电压开关型电路的判断是一个很重要的问题，那么如何去判断呢?其实有一个很简单的方法就是看这个晶体管开关“开关出来的”是什么，如果“开关出来的”是电压源，即为电压开关型电路，所接负载只能是一个串联谐振电路。原因是，当电路中有高次谐波通过负载中的电容时，电路发生短路，给开关带来危害。电压型开关放大器可分成并联型电压开关放大器和串联型电压开关放大器(如图 2 .5)。这两种类型的放大器在原理上是一致的，电路的设计也基本相同，唯一的不同点就是对于电源电压的选择，在晶体管所能承受的电流电压的量一定时， 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 31 页串联接法的电源电压是并联接法电源电压的二倍，而电流却是其的二分之一。具体上说，就是并联为 10V，2A，那么串联时就应该是 20V,1A。图 2.5 串联型电压开关放大器现在来介绍一下串联电压开关型 D 类功率放大器的分析与设计方法，以串联电压开关型 D 类功率放大器为例，如图 2.6 所示，图 2.6 串联电压开关型 D 类功率放大器原理图这是一个与图 2.5 等效的电路图，最大的不同点是图中的负载 RL 可看作变压器次级换能器在谐振时的纯阻反映到变压器初级的电阻。晶体管 BG1 和 BG2 在参数上是基本类似的，工作时 LC 串联回路的谐振频率为 fo。若输入信号为频率为 fo的正弦波，在正半周时，Q 1接通，Q 2断开；在负半周时，与正半周正好相反，Q 1断开，Q 2接通。若 Q1饱和导通时，电源电压 Vcc减去 Q1的饱和压降 Vce1为 P 点电压；若 Q2饱 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 31 页和导通时，则 Q2的饱和压降 Vce2为 P 点电压，由于这是两个参数相同的晶体管，所以 Vce1=Vce2=Vcc，且 Up为矩形波。经 LC 串联谐振回路选频滤波后，在负载电阻 RL 上就可得到频率为 fo的正弦波电压 UL，完成其放大功能。由于两管轮流导通，处于开关工作状态，U p为矩形波，故称为电压开关型，且输出的最低谐波是三次，所以输出波形较好。图 2.7 P 点电压波形如图 2.7 所示。根据周期性对称方波谐波表达式：(2.1)3sin1(sin4)(00twtwtfupm式中 Upm是方波振幅，w o是基波角频率，在 D 类开关电路中(2.2)2pmvcec当 LC 回路谐振于 fo时，在 RL 上的基波电压振幅为(2.3)(4ucecpmAm所以 RL 上的有效电压为(2.4)2(2vvcecAm放大器的输出功率 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 31 页又因这里 IA为基波电流的有效值，其峰值为所以晶体管的直流分量 Ico为电源输出功率为放大器的效率为(2.10) vPce210A由上式可知，要想提高放大器的效率，应尽可能减小晶体管的饱和压降 Vce，当Vce接近于 0 时，其效率 将会越来越接近 100%。上面的情况都是不考虑电感，电容，晶体管等元器件的损耗的情况下所得到的结果，而真实情况下这样的一种无损耗的状况是不存在的，特别是在本文这样频率比较高的场合，损耗就更不能忽略不计了。2.2.2 桥式功率放大器开关模式功率放大器不仅仅只有上面所提到那些，桥式功率放大器也是其中很重要的一种。桥式功率放大器根据组成桥臂形式的不同可以将其分为两种不同的类型，就是常说的半桥式功率放大器和全桥式功率放大器，下面将分别去介绍两种桥式电路的组成及工作原理 27,28。半桥式的原理图如图 2.8 所示。从图中我们可以看出，这个电路主要由以下几个部分组成，桥臂电容C1，C 2，桥开关管吸收元件 R3，R 4，C 3，C 4和桥平衡电阻 R1，R 2，这些元件的值可 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 31 页以通过实验的方式来做出调整，变压器可实现桥与负载之间的连接。其工作原理是：在时刻 t1时，输入信号为高电平，这个信号促使晶体管 BG1导通，电流 i1经由晶体管 BG1，变压器初级所形成的回路向电容 C2充电，与此同时电容 C1也在不断的向晶体管 BG1和变压器的初级放电，则将会在变压器的次级上得到一个正半周脉冲电压。当到达时刻 t2时，信号由高电平变为了低电平，晶体管 BG1被关断，而晶体管 BG2被导通，一个与电流 i1方向相反的电流 i2经由电容 C1和变压器初级所形成的回路向晶体管 BG2充电，则将会在变压器的次级上得到一个负半周脉冲电压。半桥电路就是通过这样的不停往复来持续工作的。图 2.8 半桥式功率放大器而全桥功率放大器原理如图 2.9 所示 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 31 页图 2.9 全桥功率放大器与半桥电路相比，全桥电路中包含了四个开关型晶体管 BG1，BG 2，BG 3，BG 4，其中的 BG3，BG 4所占据的就是半桥电路中 C1，C 2的位置。当输入信号为高电平时，BG1，BG 4，两个晶体管同时导通，电流 i1经由 BG1，变压器初级，BG 1所形成的通道导向大地，则将会在变压器的次级上得到一个正半周脉冲电压。若输入信号变为低电平时，晶体管 BG3， BG2同时导通，电流 i2通过 BG3，变压器初级，BG 2所形成的通道导向大地，则将会在变压器的次级上得到一个负半周脉冲电压。全桥电路就是通过这样的不停往复来持续工作的 29。桥式开关功率放大器的设计原理与串联电压开关放大器的原理相同，它主要适合在大功率的超声电源中。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 31 页3 功率放大电路的设计功放电路按设计方式可以分为：自行设计和采用集成驱动器去设计两类，也就是用分立式元件组成的电路和集成芯片来驱动的电路。很明显，分立式电路是由很多的分立元件组成的，对于元件参数的协调是很困难的，而要设计出具有完善的保护功能的分立电路更为不易，因此这种电路仅仅适用于小功率的装置，而对于中大功率的装置而言几乎 100%的采用集成芯片来驱动。从简化电路设计、降低调试难度、提高驱动电路的抗干扰能力、减小装置体积、降低制造成本的要求出发，整个装置采用专用栅极驱动控制集成芯片和分立元件组成的外围电路组成驱动电路来驱动 H 桥来放大信号。而用于齿轮加工的超声电源多属于中大功率设备，因此使用这样的设计方案比较合适。3.1 H 桥电路设计在功放电路中，逆变电路是其中的重要组成部分，而桥式逆变电路有全桥和半桥之分，虽然全桥和半桥电路各有优点，如表 3.1表 3.1 全桥与半桥的比较项目 半桥式电路 全桥式电路主开关数量 2 4 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 31 页驱动电路 简单 复杂相同 IC 时的 PO 一倍 两倍调试难度 容易 较难变压器原边线圈 线径较粗 圈数较多但由于本题所以研究的功放属于中大功率 30，因此选用全桥电路更为合适，图 3.1 是本设计中的全桥逆变电路 由图可以看出，其中最重要的元件是 4 个场效应晶体管，由于超声加工需要电源的功率为 2000W 左右，超声系统负载为 100 频率为 20KHZ 以上，电路使用220V 电源经第一部分整流滤波之后，电压为 310V 左右，据此对功率场效应管进行选型。图 3.1 全桥逆变电路根据 P=UI 得到流过 H 桥电路的电流约为 6.64A，由于是全桥电路，所以每一场效应管所承受的电流 I1为(4.1)A23.462I1为使电路安全，应以 I1的 1.2-1.5 倍的电流 I2来选取场效应管，即 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 31 页3.23A 4.85A (4.2)5.1I2因此可根据以上条件查常用电子元器件手册 ，选取 4 个 IRF840 的 N 型场效应管组成 H 桥电路。3.2 IR2110 驱动电路 3.2.1 IR2110 简介IR2110 是双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器 31。相对于分立元件来说，集成度高，体积小并且保护功能齐全，调试简单，运行稳定可靠；而相对于其他芯片来说，驱动电路简单，只需一路电源即可同时驱动上、下桥臂。因此 IR2110 具有广泛的应用。IR2110 是一款高度集成的驱动芯片，内部功能由三部分组成：逻辑输入、电平平移及输出保护。这样的高集成度为全桥电路的设计带来了方便。它采用 CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为 5-20 V，适应 TTL 或 CMOS 逻辑信号输入，具有独立的高端和低端 2 个输出通道。芯片的内部结构如图 3.2 所示 图 3.2 IR2110 内部结构IR2110 通过全桥拓扑中的 MOSFET 可以驱动任何一种负载 32,33，以下是IR2110 的主要特点：(1)高端和低端输入通道是相互独立的。(2)悬浮电源采用自举电路，可自激运行，其高端工作电压可达 500V，在 15V时的静态功耗为 1.6mW。(3)电源端的输出的电压范围很宽，可在 10-20V 间取值。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 31 页(4)逻辑信号使用单独的逻辑电源，其输入范围为 5-20V，与 TTL, CMOS 电平相匹配非常方便，而且逻辑地和电源地间允许有 5V 的偏移量。(5)有很高的工作频率，可达 500kHz。(6)两通道有一定的传输延时，开通和关断的延迟时间分别为 120ns 和94ns。(7)输出使用图腾柱结构，最小输出峰值电流为 2A。(8)两通道均设有低压延时锁定。IR2110 芯片最大的优点就是可以同时输出两个信号，来驱动桥式电路的上下桥臂，而且具有良好的保护功能，能在一个很高的频率之下承受很高的电压，并且体积较小，调试方便，有利于减小电子设备的体积，最关键的是其低廉的成本，一片 IR2110 芯片的市场价大约在 18-20 元之间。根据功放电路高频率，大功率，小型化的要求，再将电路设计，调试的难易程度和成本等综合因素考虑在内，选择 IR2110 芯片既可以满足电路设计的要求，并且电路保护功能比较完整，可以大大提高设备的稳定性与可靠性。全桥功放的设计关键是全桥驱动的芯片的选择和外围电路的设计，而随着电子制造技术的大大提高，驱动芯片的制造水平也在不断的提高，现成的驱动芯片随处都可以买的到，因此选择一款好的驱动芯片，就是本文的重中之重，因此本文就选择 IR2110 芯片来进行电路的设计。功放电路采用 IR2110 驱动 4 个场效应管组成的全桥电路，但是 IR2110 芯片却存在着不能产生负偏压的缺点，由于米勒效应的作用，在开通或关断的瞬间，栅漏极间电容迅速充放电，容易在栅极上产生干扰，在功率较大的情况下，还会造成桥臂的瞬间短路，烧毁场效应管等元器件。因此需用栅极负偏压功能的电路来解决这样的问题。3.2.2 IR2110 外围电路的设计当功率 MOSFET 被用作高压侧开关(漏极接到高压干线)，如图所示，而被驱动饱和导通，即在其两级间的压降最低时，它的栅极驱动要求用下列几句话来概括： 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 31 页图 3.3 高压侧功率 MOSFET 构造(1)栅极电压一定要高于漏极电压 10-15V，当将其作为高压侧开关来使用时其栅极电压肯定高于干线电压，它是系统中的最高电压。(2)从逻辑上看栅极电压必须是可控的，它常常以地为参考点。所以控制信号就必须转换电平成高压侧源极电位，对于绝大部分的应用来说，控制信号会在两干线电压之间摆动。(3)由栅极驱动电路吸收的功率不会对总效率造成显著地影响 34。考虑到这些约束，我们采用自举法来实现该功能。自举法电路如图 3.4 所示。这种方法的好处就是简单实用并且价格低廉，但是缺陷就是自举电容的刷新时间会限制信号的占空比和开启时间，所以控制信号的开关频率应不低于几十赫兹为宜，并且需要对控制信号电平转换。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 31 页图 3.4 自举法结合本设计的电路要求，选择自举法具有成本低，结构简单的特点，并且当工作频率较高时电路可以良好的上作，因此自举法能够达到栅极驱动的要求。以下就高压侧自举驱动电路工作原理加以简要介绍：IR2110 用于驱动半桥的电路如图 3.5 所示。图中 C1及 VD1分别为自举电容和自举二极管，C 2为 VCC的滤波电容。当 Q1关断的过程中 C1已被充了足够多的电压(VC1V CC)。当管脚 HIN 处于高电平时 Q3接通，Q 4断开，V C1被加到了 Q1的发射极和门极之间，C 1可经由 Q3，R 1和 Q1，栅漏极间电容 CGD1所形成的通道放电，则CGD1被充电。那么 VC1可将其视为一个电压源来看待。当管脚 HIN 处于低电平时，Q4接通，Q 3关断，Q 1栅极电荷通过 R1, Q4形成的通道释放，Q 1关断。在一个很短的死区时间一过，管脚 LIN 处于了高电平，V CC经由 Q2接通 VD1给 C1充电，C 1的能量得到了迅速的补充，这样不断的循环下去 35。图 3.5 高压侧自举驱动电路原理图自举元件的选择 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 31 页电路中的自举元件包括自举电容和自举二级管。自举电容的选择对于 IR2110芯片能否正常工作具有重要作用。它的电容值由以下因素所决定：(1)栅极需要增强 MGT。(2)电压侧驱动器的静态电流 Iqbs。(3)电平转换器内的电流。(4)MGT 的栅源正向漏电流。(5)自举电容的漏电流。根据公式： 其中 Qg为高压侧 MOSFET 的栅极电荷；Iqbx(max)为高压侧驱动器电路的静态电流；f 为工作频率；IIson为电容充电时的电流其值为 20mA，I Isoff为电容放电时的电流其值为 20mA，t w为脉冲宽度其值为 200ns；Icbs(leak)为自举电容的漏电流；VCC为电源电压；Vf为自举二级管的正向导通压降；VLs为低压侧或负载的压降。由上式计算得电容 C1的值均为 0.84uF，故均选取 1uF 钽电容。自举二级管必须能够承受的住电路中的全部电压，并且二极管的高温反向漏电流特性对于难写电容在较长时间需要保持电荷的应用来说可能是一个重要的参数。同样为了减小由自举电容反馈进电压的电荷数量，二极管应选用超快恢复二极管。因此根据条件选取 IS1834，其承压可达 400V，恢复时间 1.5us。由于 IR2110 芯片本身不能够产生负偏压，因此还要负压产生电路做出选择。IR2110 的最大不足是不能产生负偏压，如果用于驱动桥式电路，由于米勒效应的作用，在开通于关断时刻，容易在栅极上产生干扰，造成桥臂短路。因此在电路中应加入负压产生电路来克服 IR2110 不能产生负偏压的缺点。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 31 页本设计采用的负压产生电路为：整流电路提供负压图 3.6 为负压产生电路的原理图。图 3.6 负压产生原理图(a)负半周时，即 Vi为负时，D 2导通、D 1截止，电源经 D2向电容器 C1充电，在理想情况下，此半周内，D 2可看成短路，电容器 C1上的电压为左正右负，其电流路径如图 3.6(a)所示。(b)正半周时，即 V1为正时，D 2截止、D 1导通，电源经 C1、D 1向 C2充电，电容器 C2上得到一个和 C1上反向的电压，其电流路径如图 3.6(b)所示。MOSFET 功率晶体管都需要很低的栅极驱动阻抗和更大的驱动电流，比IR211O 驱动电路所能提供的要大的多。如图 3.7 所示的功率缓冲电路能够输出很大的峰值电流和高的输入阻抗，缓冲级需与功率模块紧靠，其目的是为了使栅极驱动回路的电感减小，同时还可以对开通时所产生的 dy/dt 的抗干扰性得到改善。可以不考虑缓冲级所需的静态电流，因为它可由自举电容提供。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 31 页图 3.7 缓冲电路为缓冲器提供驱动信号的是 IR2110，这是一个可以驱动栅极总电荷为 6O0nC的 MOSFET 模块的缓冲器。相对对于 Q3和 Q4来说 Q1和 Q2是一个低电流的驱动器，Q3和 Q4大小可跟据输出的峰值电流来适当选择。当输入信号的状态改变时，R 1限制在很短时间间隔之内两管同时导通时流过Q1和 Q2的电流大小。当输入信号变为一个全新的状态时，驱动器晶体管很快的放掉了栅极的电荷，迫使输出晶体管变为关断状态。与此同时通过 R1对另一个输出晶体管的栅极进行充电；由 R1和输出晶体管的输入电容组成的 RC 时间常数将会使导通延时。缓字中器中 RC 的选择缓冲电路中电阻 R 与电容 C 的选择时很重要的，这里我们可以通过下面的两个公式来对其中的 R 和 C 的大小进行粗略的计算电容 C 的计算 dcfpVtI2）（其中：I 为场效应管在关断前的峰值电流，tf为场效应管的关断时间，Vdc为场效应管的集电极电压。电阻 R 计算CtRon3(mi)其中：t on（min） 为场效应管最小导通时间。这其中的参数均可以通过开关管数据手册来查询，最终计算出 C 和 R 的大小分别为 90.8nf 和 82.7，因此电容和电阻分别选取 C=1OOnf，R=IOO。把以上设计的驱动电路与全桥逆变电路相连接就组成了本文所要设计的功率放大器的完整图形，整体电路图如图 3.8 所示。 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 31 页图 3.8 功放电路图在 H 桥中，桥臂上的 4 个场效应管相当于四个开关，P 型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭，N 型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。由于场效应管是电