基于PWM大功率超聲波電源的設計

摘  要：本文詳細介紹了為驅動(dòng)磁滯伸縮換能器而設計的一種頻率、功率可調式大功率超聲波電源，該電源采用由IGBT構成的全橋式逆變主電路,實(shí)現了逆變降壓和輸出電壓調控?？刂齐娐芬悦}寬調制電路為核心,通過(guò)給定信號和反饋信號電壓的比較,獲得寬度可變的脈沖信號,調節電源的輸出電壓,并實(shí)現對電源的閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞： IGBT；波形發(fā)生器；超聲換能器；脈寬調制

引言

近年來(lái)，隨著(zhù)全控制型電子器件和PWM技術(shù)的迅速發(fā)展，功率超聲的應用及其驅動(dòng)電源的開(kāi)發(fā)已成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。本文介紹的高頻換能器驅動(dòng)電源，采用全橋移相式串聯(lián)電路拓撲，以單片脈寬調制電路為核心、IGBT功率管為功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現了大功率輸出。它具有效率高、性能穩定、體積小、質(zhì)量輕和調節方便等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波電源的設計

超聲波電源的組成及原理框圖
逆變式超聲波電源主要由主電路和控制電路兩部分組成,其基本原理框圖如圖1所示。

圖1超聲波發(fā)生器原理框圖

主電路是將電能從電網(wǎng)傳遞給負載的電路,其主要作用是減小變壓器體積和改善電源的動(dòng)態(tài)品質(zhì)?？刂齐娐穭t主要為逆變主電路提供開(kāi)關(guān)脈沖信號,驅動(dòng)逆變主電路工作,并借助反饋電路和給定電路來(lái)實(shí)現對逆變器的閉環(huán)控制。

逆變主電路

逆變主電路包括輸入整流濾波、逆變器和輸出濾波三個(gè)主要部分，而逆變器則是其核心部件。

逆變器

本設計采用的逆變電路為全橋式逆變電路，其優(yōu)點(diǎn)是：適用于大功率輸出,主變壓器只需一個(gè)原邊繞組，通過(guò)正、反向的電壓得到正、反向的磁通。因此，變壓器鐵芯和繞組得到最佳利用，使效率得到提高。另外，功率開(kāi)關(guān)管在正常運行情況下，最大的反向電壓不會(huì )超過(guò)電源電壓，4個(gè)能量恢復二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓，無(wú)須設置能量恢復繞組，反激能量便得到恢復利用。在全橋式逆變電路中,采用IGBT作為大功率開(kāi)關(guān)器件。IGBT管構成的逆變器的電路原理圖如圖2所示。

圖2橋式變換電路圖

交流電經(jīng)橋式整流器而獲得直流電壓,并經(jīng)C0濾波,變成平滑的直流電壓V+。該電壓加在IGBT功率管Tr1、Tr2、Tr3、 Tr4組成的逆變橋上。當Tr1、Tr2、Tr3、Tr4都截止時(shí),中頻變壓器T原邊線(xiàn)圈繞組T1p兩端的電壓U1=0。給Tr1、Tr3觸發(fā)脈沖,這兩個(gè)功率管導通， Tr2、Tr4截止時(shí), 此時(shí)中頻變壓器T原邊線(xiàn)圈繞組T1p兩端的電壓U1=V+,流經(jīng)變壓器原邊線(xiàn)圈繞組T1p的電流方向由下至上。當Tr1、Tr3截止, Tr2、Tr4導通時(shí), 此時(shí)中頻變壓器T原邊線(xiàn)圈繞組T1p兩端的電壓U1=-V+,變壓器原邊線(xiàn)圈繞組T1p電流的方向為由上至下。由此可見(jiàn),通過(guò)Tr1、Tr3和Tr2、Tr4的交替導通和關(guān)斷,也就是交替驅動(dòng)Tr1、Tr3和Tr2、Tr4, 中頻變壓器T的二次側即得到矩形波交流輸出,實(shí)現了直流變交流的過(guò)程。

Tr1, Tr2、Tr3, Tr4的通斷受控于電子控制電路,其每秒鐘驅動(dòng)IGBT的次數決定了電源的工作頻率。

中頻變壓器

在逆變器部分, 中頻變壓器的作用是實(shí)現電壓變換,功率傳遞以及輸入、輸出之間的隔離。由于中頻變壓器的工作頻率較高,隨著(zhù)頻率的增大,鐵芯的鐵損將成倍增加。為了減少其鐵損需選用厚度極薄的硅鋼片,這顯然是很不經(jīng)濟的,因而選用高導磁合金材料的鐵氧體磁芯。鐵氧體磁芯的規格可根據輸出功率及其效率來(lái)確定，則磁芯有效截面積Ae、總磁感應強度增量△B也就確定。根據公式1,可計算出中頻變壓器的原邊繞組匝數。
                                  (1)
其中，Np為變壓器原邊繞組匝數，U1為變壓器繞組電壓，△B為總磁感應強度增量，Ton為最大導通時(shí)間。

控制電路

控制電路主要由電子控制電路和驅動(dòng)電路構成,而電子控制電路又包括時(shí)序控制電路和脈寬調制電路。其中，脈寬調制電路是整個(gè)超聲電源控制系統的核心,它與控制系統中的其它電路都有直接聯(lián)系,其主要作用是將電壓給定信號和電壓反饋信號進(jìn)行比較放大,根據給定值與反饋值的差值,輸出相應寬度的脈沖信號,以調整電源輸出電壓的大小。通常采用定頻率調脈寬的PWM方式來(lái)達到換能器所需的各種特性控制。脈寬調制電路還有欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等保護功能,封鎖輸出脈沖,使電源停止輸出。另外,脈寬調制電路還具有軟啟動(dòng)、死區設定等功能。

脈寬調制電路

本設計采用SG3525A作為電源的PWM芯片。該芯片使用簡(jiǎn)單,只需要外接少量電阻電容,即可構成所需的脈寬調制電路。如圖3所示,芯片內部主要由誤差放大器N1、比較器N2、 振蕩器、分相器和觸發(fā)器等組成。

圖3 脈寬調制電路圖

給定電壓Ug和反饋電壓Uf分別接至誤差放大器N1的同相端和反相端,N1 端的輸出電壓UN1接至比較器N2的反相輸入端,同時(shí),振蕩器產(chǎn)生的三角波信號UN2,接至N2的同相輸入端。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，從而在比較器的輸出端輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓的高低而改變脈寬的方波脈沖。再將此方波脈沖送或非門(mén)的一個(gè)輸入端，或非門(mén)另三個(gè)輸入端分別為觸發(fā)器、振蕩鋸齒波、欠壓鎖定。最后，在輸出晶體管A和輸出晶體管B上分別得到脈沖寬度隨輸出電壓變化而變化的脈沖信號Ua和Ub ，但兩者相位差為180