超声电源系统的发展概况和趋势

1、摘要超声技术在现代的科技和发展中有着举足轻重的地位，超声技术涉及的领域广、技术高、方便快捷是一个科技大国必须要掌握的一项科学技术，经过几十年的发展和推广，在超声清洗、超声焊接、超声加工器件等多种领域都有着明显的成就，解决了许多传统设备解决不了的问题，充足的展现了科技的技术和发展。现如今，很多高科技机械中普通的电源设备已经无法满足所输出的功率，固而超声电源会逐渐替代这一领域。本课题主要是设计一个正弦超声电源，设计实现一个可调控的输出功率和频率平稳、输出波形是正弦波的功率超声电源。电源输出频率为20KHz35KHz，输出电压的范围为0300W，最大功率为300W，输出频率在一定的范围内具有自动跟踪

2、和调整的功能。实验表明，本课题中所提出和设计的超声电源性能良好、未来前景广泛。关键词：超声电源 超声波发生器 逆变电源电路 BUCK变换电路目录1绪论21.1 本设计完成的主要研究工作21.2 超声电源的发展历程21.3 超声发生器的国内外现状：31.3.1 国外发展现状31.3.2 国内发展现状31.4 电力电子器件技术发展现状41.5 我国单片机的发展51.6 现代逆变电源的发展现状61.6.1智能化控制71.7 超声电源的定义72 模拟与超声电源的基本电路82.1 模拟电路超声波发生器82.1.1超声波振荡器93 硬件电路结构103.1 功率调整电路103.2 BUCK变换电路113.3

3、 逆变主电路设计123.4 驱动电路设计与分析133.5 滤波电路设计143.6 反馈电路设计144 控制软件设计15 1 绪论1.1 本设计完成的主要研究工作本设计需要实现一个输出功率和频率平稳线性范围可调，输出波形直接是正弦波的功率超声电源。而且输出频率在一定范围内具有自动跟踪和调整功能；功率输出上采用比恒功率技术16。主要研究工作一是设计系统原理结构及硬件电路结构,其中超声电源系统主要由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分组成。硬件电路由功率调整电路，BUCK变换电路17，逆变主电路18-21，驱动主电路，滤波电路21和反馈主电路组成22。二是控制软

4、件的设计，整个控制软件主要实现的功能有：SPWM波控制输出、控制输出电压的PWM波23-24、显示屏正常显示功能；键盘值输入确定、电流最大值的AD采样控制、电压值的AD采样控制、相位差值AD采样控制；开关量的输入有过热、过流及相位超前或滞后的判断25。1.2 超声电源的发展历程随着科技的日新月异，电力电子器件的发展非常迅速，迄今为止，已经发展处很多不同原理、不同特性的电力电子器件。一代期间决定一代电力电子技术，超声波发生器的发展离不开电力电子器件的发展，并在一定程度上是随之发展的，依据超声波发生器末级功放管所采用的器件类型，可看出其发展所经历的几个阶段：一、早期的产品是采用电子管，然后发展到可

5、控硅逆变式超声发生器，它们缺点很多，都已经被淘汰；二、晶体管式超声发生器，不易于采用先的数字方式来处理，仅在小功率（200W以下）应用；三、功率模块超声发生器，通过调节开关管的占空比来控制输出的功率，易于采用数字方式控制11-12。1.3 超声发生器的国内外现状：1.3.1 国外发展现状最早的超声波器件是1883年FGalton发明的气哨。第一次世界大战期间，Langevin发明的钢-石英-钢结构的夹心压电换能器标志着在低频大功率超声设备上取得重大进展。在20世纪20年代，WPMason发明变幅杆13，它与换能器连接可获得高强度超声波振动，开创功率超声波在固体媒介中的应用。这些功率超声理论的应

6、用有超声清洗、焊接、加工、雾化、乳化等。70年代中期，美国在超声加工、焊接等方面已处于生产应用阶段，后来形成标准。德国和英国对功率超声工业应用进行大量研究工作，并积极应用于生产。90年代，新型智能化超声波电源得到迅速发展，并应用于各种领域14。1.3.2 国内发展现状我国功率超声的研究始于20世纪的50年代初，以研究超声波加工、清洗、焊接等应用为先导15。从20世纪80年代开始，超声波电源使用大功率高频开关管替代电子管或可控硅，电路中设频率跟踪、过压、过流保护电路。1995年华南理工大学利用晶体管研制出50W-10kW1kHz一32kHz超声波目前国内超声波电源已研制出从十几kHz到几MHz，

7、功率从几十W到几百kW。随着换能器、电力电子技术和现代控制理论研究和应用的不断发展，超声波电源已经成功地应用在各类超声设备上，如超声清洗、焊接、雾化、研磨、医疗等。 现如今，超声系统被广泛的应用于工业生产、环境保护、卫生保健、超声清洗和超声电源等多个方面的领域，近十年来，我国对超声技术及其应用研究异常活跃，超声电源可以用来给换能器提供声频电信号。按照激励方式，超声电源有两种，分别为他激式和自激式。他激式超声波电源是有信号发生器和功率放大器组成，超声能量经过输出变压器耦合加载到换能器上从而实现；而自激式超声波电源是把功率放大器、换能器、信号发生器和输出变压器连成为一体，从而组成了一个闭环回路，闭

8、环回路要求同时满足相位反馈和幅度反馈的条件。超声波电源的发展可以分成为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器这几个阶段。1.4 电力电子器件技术发展现状 在19世纪美国通用电气公司(GE)自主研究出来的电力电子器件晶闸管发布以来，有关于电子器件产品的经历分为了四个阶段，以晶闸管为首的第一阶段， 又被称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅，晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。第二阶段以GTO、GTR等全控器

9、件为主要发展代表，虽然主要还是靠控制电流模式来实现，但这项器件使高频化得以实现。第三阶段的机器器件发展为功率器件，MOSFER开关频率高可用于100kHz以上的超声波电源，但其电压消耗过大使其功耗较大，制作费用较高，在超声波电源中的运用不广泛，但是对后来的科技发展打下了基础。第四阶段以高压集成电路，智能功率集成电路为代表，在科技不断的发展下使电力电子技术和微电子技术紧凑的结合在了一起，实现了器件和电路的集成、强电与弱电的集成和功率流与信息流的集成，成为了全新的智能化世代。1.5 我国单片机的发展我国开始使用单片机是在1982 年，短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片

10、机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在2003年7月，（91 猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力？我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（RO

11、M）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后

12、，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达13 亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。1.6 现代逆变电源的发展现状逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源

13、技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域，其主要发展趋势分为以下几个方面：1. 高频化 PWM开关电源按硬开关模式工作时，在开关过程中，功率开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大。高频化可以缩小感性元件和容 性元件的体积重量，但开关频率越高，开关损耗越大。为此，必须采取措施来提高高开关频率DC/DC转换器的效率。人们研究了在开关过程中开 关器件的电压和电流波形不相交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，总称为软开关技术（相对

14、于PWM硬开关技术而言）。 除了减小开关损耗以外，应用软开关技术还可以大大降低开关的噪声，以及减小了开关电源对外界的电磁干扰。2. 大容量技术 先如今的科技主要追求体积小容量大的方面，电路方面也不例外，在器件中多种的串联和并联目的就是为了提升容量，另一方面也可以将多个电源进行串连并连，其目的也是为了更好的提升容量。超声波技术的不断发展变将逆变电源的大容量化转化成了最为迫不及待解决的问题。 1.6.1智能化控制 在有可靠的要求的前提下提高电源的可靠性，逆变电源正在一步一步朝向现代化、智能化发展，下一代的发展目标为具有远程控制、有只能接口的计算机、可以诊断故障的智能电源等等。1.7 超声电源的定义

15、超声电源也称为超声波功率源、超声波发生器，超声电源系统的主要部分由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分组成，硬件电路包括功率调整电路、BUCK变换电路、逆变主电路、驱动主电路、滤波电路和反馈主电路等。其中功率调整电路是对输入信号进行调整；BUCK变换电路即为降压变换电路，是用于直流的降压变换；逆变电路是指将低电压变为高电压，把直流电变为交流电的电路，它的基本作用是在控制电路的控制下将中间的直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源；驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求转换为加在电力电子器件控制端间，可以使其开通或

16、关断信号；滤波电路的作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变滑；反馈电路是将放大器输出信号的一部分或全波回收到放大器输入端与输入信号进行比较并用所比较所得的有效输入信号去控制输出 本课题的选题背景意义随着时代的发展和进步，超声技术越来越融入现实中，代表了如今世界领先的技术，在生物治疗，超声洗衣，零件器件加工等多种领域中有强烈的表现和出色的效率，采用了超声系统的加工技术不但在环境污染方面和传统的模式有着巨大的改善，而且在加工过程中的速度和效率都有着巨大的提升，还可以完成一般的科学技术完成不了的任务，而超声电源在各种领域内都有涉及，它是每个机械都不

17、可缺少的部分，电源即为机械的根本，也是器件的头一道工作过程，对研究超声电源越广泛越精湛可以使所有领域的器件有了一个定心丸，因此，本课题所设计的超声电源在工业、农业、电子信息、医疗卫生、环境环保等多个领域具有重要的意义。由于我国研究起步较晚，超声发生器的发展满足不了我国各大领域的顶级器件，所有对超声系列未来的发展可以说是十分广阔、前途无量，因此我国对研究超声技术的人员需求量越来越大，从事这一行业的研究人员也越来越多，大大的推进了我国的超声技术的发展，超声波电源和超声技术正在朝向全现代化、数字化、多面化发展、具有科技领先并有智能接口还可以实现远程控制的超声电源是未来几年我国迈向科技发达大国的发展趋

18、势也同样是必经之路。2 模拟与超声电源的基本电路2.1 模拟电路超声波发生器超声波发生器采用现如今科技领先的他激式的振荡电路结构，和自激式振荡电路相比较在功率的输出上可以增加百分之十以上，在用超声波发生器下的电路采用的是开关电源电路和线性放大电路，两种电路各有优点。会有一个特定的频率信号在超声波发生器中产生，这个信号有很多种，可以是正弦信号也可以是脉冲信号，这个发出的指定信号是换能器在工作中所产生的频率，一般的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz、100KHz或者以上未大量使用。超声波发生器又分很多种，比如可调超声波发生器、100W/3

19、00W超声波发生器、小功率超声波发生器、高频超声波发生器、大功率超声波发生器、数字显示超声波发生器。2.1.1超声波振荡器 超声波振荡器是频繁的利用高频声波不断的产生震荡，可对做到对溶液搅拌用来清洗器皿，还可以利用超声波振荡器用来融入到洗衣机机里洗衣服，采用全不锈钢结构，耐酸耐碱，且美观实用。超声波振荡器采用分体式结构，用高频线把超声发生器和震板连接起来，让对其保养和使用起来更加方便，安装起来更加灵活，布置简单。超声波震荡器为一种用于在诸如新成型的线材股等压延金属工件的邻域中产生紊动的超声波振荡器。一种用于使得工件受到紊动液流作用的超声波振荡器，包括：一个第一槽；配置在所述第一槽中的液体，其中

20、在振荡器操作中，工件浸没在所述液体中；连接到所述第一槽从而与所述液体有机械联系的一个换能器，所述换能器的结构是在所述液体中产生超声波，从而在邻接工件的液体中产生紊流；以及连接到所述换能器用于引起所述换能器以至少100KHZ的频率振荡的一个换能器驱动系统。超声电源系统主要由整流滤波电路、直流斩波电路、推挽逆变电路、匹配电路、换能器和反馈电路等部分组成。超声波电源的原理结构如图1所示。图1 超声波电源系统原理结构3 硬件电路结构电源输入为交流市电，在进行了整流滤波后，得到大约300V左右的直流电。超声电源整体电路框架如图2所示。使用降压式变换器用于调压，根据输出电压的要求，可以通过软件编程改变驱动

21、开关管PWM信号的占空比，以得到不同的输出电压。与财通电路配合，可对输出进行稳压和限流保护。图2 超声电源整体电路框图3.1 功率调整电路近年来单级PFC的研究集中于如何简化传统的PFC控制电路结构，避免对输入电压采样和使用复杂的模拟乘法器。相关文献中提出的单周期控制（One-CycleControl，OCC）的PFC电路很好的解决了这个问题。目前已有两种基于单周期控制的PFC芯片，它们不仅渐变可靠，而且外围所需元件少。为PFC电路的设计提供了优秀解决方案。本电路采用了英飞凌公司的ICE2PCS01功率调整芯片。它与同款的IR1150相比较性能可靠，容易调整（图3功率调整电路）。T1是扼流线圈

22、、D7是电桥、U2是ICE2PCS01。电路参考ICE2PCS01应用文档。3.2 BUCK变换电路用于调压的降压BUCK变换器电路如图4，它与直流变换器想必，为了降低输出纹波，在输出端接电感、电容滤波电路，为续流二极管。其输出电压平均值，总是小于输入电压。通过电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感和电容的数值。当电路工作频率较高，若电感和电容量足够大并未理想元件，电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。当晶体管导通时，电感中电流呈线性上升，因此式中ton为晶体管导通时间。当晶体管截至时，电感中电流不能突变，电感上感应电动势使二极管导通，这时式中，toff为晶体管截至时间。在稳态时，V

23、i=Vion=Vioff。因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。输出电流平均值为在电路中，主开关光和续流二极管的选择尤为重要。根据实际情况，选用IRF460LC型的作为电路的主开关管，采用HER106作续流二极管。3.3 逆变主电路设计功率开关管Q1-Q4以及续流二极管D1-D4组成。若采用两电平调制方法，且所需电流方向与图5方向一致，在线圈电流小鱼参考电流时，Q1、Q4导通，线圈电流上升；当线圈电流大于参考电流时，D2、D3导通，线圈电流减少。这样就可以通过Q1、D2、D3、Q4的导通和关断，使线圈中的电流达到给定值。若采用三电平调制方法，全桥电路有很多种驱动方案，但是也都可以归结于三

24、种状态（以所需电流方向与图示i方向相同为例）充电状态Q1、Q4导通，电流增加；徐柳状态D2、Q4导通，电流缓慢减小；图5全桥电路放点状态，D2、D3导通，电流迅速减小。3.4 驱动电路设计与分析基于IR2110的驱动电路（另外一个半桥硬件电路与之完全对称）图6所示。IR2110的HIN、SD和LIN的控制信号有主控芯片dsPIC30F6010A提供，这个款单片机I/O输出高电平为5V。高压侧的负偏压由C26，D24，R67产生，R67的平均电流应不小于1mA。低压侧由+15V，R65，C30，D22产生。两路负偏置约为-4.7V。如图6半桥驱动电路3.5 滤波电路设计滤波器是开关放大器电路中的

25、重要辅助部件。为了从SPWM开关信号中回复出所需要的正弦波信号，通常采用低通滤波器。由于所要输出的电压等级高，平率在18kHz以上，采用有源滤波会造成电路复杂，成本增大，而采用电路简单的无源滤波器就能够达到滤掉高次谐波的目的，所以本论文选择无源滤波器。软件设计上采用软开关技术，在高频下减小损耗，提高效率，以达到大功率正弦输出目的。使用异步调制方式，单极性混合HPWM控制方式，功率变换技术才有ZVS零电压软开关技术。3.6 反馈电路设计超声电源及时跟踪超声系统谐振频率至关重要，即超声电源应具备频率自动跟踪能力。本文设计的控制系统需要从下面两个方面入手：1、取样和信号调理电路。对电源输出电压取样采用的是电阻取样方式（图7电压取样电路图），电流取样采用的是霍尔元件ACS704取样方式（图8电流取样电路）。取样信号放大，转换为0-5V直流信号，供单片机A/D采样。单片机主要完成测量值的A/D转换，一句控制算法，进行电源频率的数字量的计算。4 控制软件设计本文中整个控制软件主要实现的功能有：SPWM波控制输出、控制输出电压的PWM波、显示屏正常显示功能；键盘值输入确定、电流最大值的AD采样控制、电压值的AD采样控制、相位差值AD采样控制；开关量的输入有过热、过流及相位超前或滞后的判断。主要模块有：1）SPWM