基于PWM大功率超聲波電源的設(shè)計(jì)

摘  要：本文詳細(xì)介紹了為驅(qū)動磁滯伸縮換能器而設(shè)計(jì)的一種頻率、功率可調(diào)式大功率超聲波電源，該電源采用由IGBT構(gòu)成的全橋式逆變主電路,實(shí)現(xiàn)了逆變降壓和輸出電壓調(diào)控。控制電路以脈寬調(diào)制電路為核心,通過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(diào)節(jié)電源的輸出電壓,并實(shí)現(xiàn)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(diào)制

引言

近年來，隨著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(yīng)用及其驅(qū)動電源的開發(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(qū)動電源，采用全橋移相式串聯(lián)電路拓?fù)?，以單片脈寬調(diào)制電路為核心、IGBT功率管為功率開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)了大功率輸出。它具有效率高、性能穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量輕和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波電源的設(shè)計(jì)

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(fù)載的電路,其主要作用是減小變壓器體積和改善電源的動態(tài)品質(zhì)?？刂齐娐穭t主要為逆變主電路提供開關(guān)脈沖信號,驅(qū)動逆變主電路工作,并借助反饋電路和給定電路來實(shí)現(xiàn)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主要部分，而逆變器則是其核心部件。

逆變器

本設(shè)計(jì)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,主變壓器只需一個原邊繞組，通過正、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，功率開關(guān)管在正常運(yùn)行情況下，最大的反向電壓不會超過電源電壓，4個能量恢復(fù)二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬時電壓，無須設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便得到恢復(fù)利用。在全橋式逆變電路中,采用IGBT作為大功率開關(guān)器件。IGBT管構(gòu)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(dāng)Tr1、Tr2、Tr3、Tr4都截止時,中頻變壓器T原邊線圈繞組T1p兩端的電壓U1=0。給Tr1、Tr3觸發(fā)脈沖,這兩個功率管導(dǎo)通， Tr2、Tr4截止時, 此時中頻變壓器T原邊線圈繞組T1p兩端的電壓U1=V+,流經(jīng)變壓器原邊線圈繞組T1p的電流方向由下至上。當(dāng)Tr1、Tr3截止, Tr2、Tr4導(dǎo)通時, 此時中頻變壓器T原邊線圈繞組T1p兩端的電壓U1=-V+,變壓器原邊線圈繞組T1p電流的方向?yàn)橛缮现料隆Ｓ纱丝梢?通過Tr1、Tr3和Tr2、Tr4的交替導(dǎo)通和關(guān)斷,也就是交替驅(qū)動Tr1、Tr3和Tr2、Tr4, 中頻變壓器T的二次側(cè)即得到矩形波交流輸出,實(shí)現(xiàn)了直流變交流的過程。

Tr1, Tr2、Tr3, Tr4的通斷受控于電子控制電路,其每秒鐘驅(qū)動IGBT的次數(shù)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(xiàn)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(jì)的,因而選用高導(dǎo)磁合金材料的鐵氧體磁芯。鐵氧體磁芯的規(guī)格可根據(jù)輸出功率及其效率來確定，則磁芯有效截面積Ae、總磁感應(yīng)強(qiáng)度增量△B也就確定。根據(jù)公式1,可計(jì)算出中頻變壓器的原邊繞組匝數(shù)。
                                  (1)
其中，Np為變壓器原邊繞組匝數(shù)，U1為變壓器繞組電壓，△B為總磁感應(yīng)強(qiáng)度增量，Ton為最大導(dǎo)通時間。

控制電路

控制電路主要由電子控制電路和驅(qū)動電路構(gòu)成,而電子控制電路又包括時序控制電路和脈寬調(diào)制電路。其中，脈寬調(diào)制電路是整個超聲電源控制系統(tǒng)的核心,它與控制系統(tǒng)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(jù)給定值與反饋值的差值,輸出相應(yīng)寬度的脈沖信號,以調(diào)整電源輸出電壓的大小。通常采用定頻率調(diào)脈寬的PWM方式來達(dá)到換能器所需的各種特性控制。脈寬調(diào)制電路還有欠壓、過壓、過流等保護(hù)功能,封鎖輸出脈沖,使電源停止輸出。另外,脈寬調(diào)制電路還具有軟啟動、死區(qū)設(shè)定等功能。

脈寬調(diào)制電路

本設(shè)計(jì)采用SG3525A作為電源的PWM芯片。該芯片使用簡單,只需要外接少量電阻電容,即可構(gòu)成所需的脈寬調(diào)制電路。如圖3所示,芯片內(nèi)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(diào)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,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的一個輸入端，或非門另三個輸入端分別為觸發(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