基于PWM大功率超声波电源的设计

摘 要：本文详细介绍了为驱动磁滞伸缩换能器而设计的一种频率、功率可调式大功率超声波电源，该电源采用由IGBT构成的全桥式逆变主电路,实现了逆变降压和输出电压调控。控制电路以脉宽调制电路为核心,通过给定信号和反馈信号电压的比较,获得宽度可变的脉冲信号,调节电源的输出电压,并实现对电源的闭环控制。
关键词： IGBT；波形发生器；超声换能器；脉宽调制

引言
近年来，随着全控制型电子器件和PWM技术的迅速发展，功率超声的应用及其驱动电源的开发已成为热点研究领域之一。本文介绍的高频换能器驱动电源，采用全桥移相式串联电路拓扑，以单片脉宽调制电路为核心、IGBT功率管为功率开关器件，实现了大功率输出。它具有效率高、性能稳定、体积小、质量轻和调节方便等优点。
超声波电源的设计
超声波电源的组成及原理框图
逆变式超声波电源主要由主电路和控制电路两部分组成,其基本原理框图如图1所示。

图1超声波发生器原理框图

主电路是将电能从电网传递给负载的电路,其主要作用是减小变压器体积和改善电源的动态品质。控制电路则主要为逆变主电路提供开关脉冲信号,驱动逆变主电路工作,并借助反馈电路和给定电路来实现对逆变器的闭环控制。
逆变主电路
逆变主电路包括输入整流滤波、逆变器和输出滤波三个主要部分，而逆变器则是其核心部件。
逆变器
本设计采用的逆变电路为全桥式逆变电路，其优点是：适用于大功率输出,主变压器只需一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向的磁通。因此，变压器铁芯和绕组得到最佳利用，使效率得到提高。另外，功率开关管在正常运行情况下，最大的反向电压不会超过电源电压，4个能量恢复二极管能消除一部分由漏感产生的瞬时电压，无须设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。在全桥式逆变电路中,采用IGBT作为大功率开关器件。IGBT管构成的逆变器的电路原理图如图2所示。

图2桥式变换电路图

交流电经桥式整流器而获得直流电压,并经C0滤波,变成平滑的直流电压V+。该电压加在IGBT功率管Tr1、Tr2、Tr3、 Tr4组成的逆变桥上。当Tr1、Tr2、Tr3、Tr4都截止时,中频变压器T原边线圈绕组T1p两端的电压U1=0。给Tr1、Tr3触发脉冲,这两个功率管导通， Tr2、Tr4截止时, 此时中频变压器T原边线圈绕组T1p两端的电压U1=V+,流经变压器原边线圈绕组T1p的电流方向由下至上。当Tr1、Tr3截止, Tr2、Tr4导通时, 此时中频变压器T原边线圈绕组T1p两端的电压U1=-V+,变压器原边线圈绕组T1p电流的方向为由上至下。由此可见,通过Tr1、Tr3和Tr2、Tr4的交替导通和关断,也就是交替驱动Tr1、Tr3和Tr2、Tr4, 中频变压器T的二次侧即得到矩形波交流输出,实现了直流变交流的过程。Tr1, Tr2、Tr3, Tr4的通断受控于电子控制电路,其每秒钟驱动IGBT的次数决定了电源的工作频率。
中频变压器
在逆变器部分, 中频变压器的作用是实现电压变换,功率传递以及输入、输出之间的隔离。由于中频变压器的工作频率较高,随着频率的增大,铁芯的铁损将成倍增加。为了减少其铁损需选用厚度极薄的硅钢片,这显然是很不经济的,因而选用高导磁合金材料的铁氧体磁芯。铁氧体磁芯的规格可根据输出功率及其效率来确定，则磁芯有效截面积Ae、总磁感应强度增量△B也就确定。根据公式1,可计算出中频变压器的原边绕组匝数。
(1)
其中，Np为变压器原边绕组匝数，U1为变压器绕组电压，△B为总磁感应强度增量，Ton为最大导通时间。
控制电路
控制电路主要由电子控制电路和驱动电路构成,而电子控制电路又包括时序控制电路和脉宽调制电路。其中，脉宽调制电路是整个超声电源控制系统的核心,它与控制系统中的其它电路都有直接联系,其主要作用是将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大,根据给定值与反馈值的差值,输出相应宽度的脉冲信号,以调整电源输出电压的大小。通常采用定频率调脉宽的PWM方式来达到换能器所需的各种特性控制。脉宽调制电路还有欠压、过压、过流等保护功能,封锁输出脉冲,使电源停止输出。另外,脉宽调制电路还具有软启动、死区设定等功能。
脉宽调制电路
本设计采用SG3525A作为电源的PWM芯片。该芯片使用简单,只需要外接少量电阻电容,即可构成所需的脉宽调制电路。如图3所示,芯片内部主要由误差放大器N1、比较器N2、 振荡器、分相器和触发器等组成。

图3 脉宽调制电路图

给定电压Ug和反馈电压Uf分别接至误差放大器N1的同相端和反相端,N1 端的输出电压UN1接至比较器N2的反相输入端,同时,振荡器产生的三角波信号UN2,接至N2的同相输入端。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端输出一个随误差放大器输出电压的高低而改变脉宽的方波脉冲。再将此方波脉冲送或非门的一个输入端，或非门另三个输入端分别为触发器、振荡锯齿波、欠压锁定。最后，在输出晶体管A和输出晶体管B上分别得到脉冲宽度随输出电压变化而变化的脉冲信号Ua和Ub ，但两者相位差为180°。开关频率由外接定时电阻Rt和定时电容Ct决定,振荡频率如公式2所示。
(2)
为了防止桥臂直通,设有死区时间,其值由R5和Ct决定。信号的占空比随Ug变化,Ug越高, N1的输出越大,N2输出脉冲的占空比也就越大,从而实现了脉宽调制。

图4 驱动电路图

驱动电路
驱动电路的作用是把脉宽调制器输出两路信号进行功率放大,分别驱动IGBT管Tr1, Tr2、Tr3和 Tr4,并且实现主电路和控制电路的隔离。驱动电路图如图4所示，脉宽调制芯片的两路输出信号Ua和Ub经过4个MOS管T1~T4组成的桥式电路进行功率放大。当脉宽调制芯片没有脉冲输出时，T1和T3处于导通状态,T2和T4处于截止状态。当Ua输出脉冲时,T1和T2的栅极是高电平,因此,T1截止,T2导通,+20V电源电压通过T3、B2、T2和R12接地,B2原边电压上正下负;同理,当Ub输出脉冲时,T3截止,T4导通,+20V电源电压通过T1、B2、T4和R12接地,B2原边电压下正上负。脉冲变压器电压经二次耦合输出驱动脉冲信号，驱动脉冲信号分四路,分别经门极电阻直接驱动IGBT管，驱动电压波形图如图5所示。控制电路以脉宽调制芯片为核心,辅以驱动电路和控制电路来达到对电源输出特性的控制，实现所要求的电气性能和参数。

图5逆变电路栅极驱动电压波形图

结语
综上所述，由于PWM技术的使用，使其动态响应速度提高,实现了输出电压、频率的可调性。设计师可根据负载的不同要求，获得比较完善的效果。■
参考文献：
1 张占松．开关电源的原理及设计 北京: 电子工业出版社,1999
2 李成章. 电源 北京: 电子工业出版社,1990