大功率超声波发生电路的研究Word文档下载推荐.docx

1、继加尔顿的工作之后的30年里，超声学一直保持着鲜为人知的其特性；超声学的发展由于当时电子技术的进展不足而受到了限制。因此，当压电效应和磁致伸缩效应被发现时，并没有被用于制作有用的超声器件。作为19141918年战争经验的结果，人们对超声学的兴趣逐渐显现出来。在法国，郎之万发明了石英晶体换能器，用来在水中发射、接收频率较低的超声波，结果表明这为探测潜艇和水下通讯提供了一种有效的手段。战后，电子学领域迅速发展，到了1925年，皮尔斯（Pierce）用石英晶体管和镍制做的发射、接收超声波换能器已经将频率拓展至兆赫兹的范围。在此期间，德比（Debye），希尔斯（Sears）、刘卡斯（Lucas）和比奎

2、德（Biquard）分别通过各自独立的研究工作发现了超声衍射栅。自此利用超声波来研究液体和气体的声学特性的工作便稳步地开展起来了。30年代，又开展了对固体特性的超声波研究工作。1934年，索科洛夫（Sokolov）在苏联首次发表了讨论超声探伤的著作。在两次世界大战期间，人们做了许多关于高强度超声波发生器的研究工作，这些高强度超声波发生器包括超声哨、多孔笛以及电火花隙装置等。在此期间，1927年是重要的年头，这一年哈特曼（Hartmann）和特尔（Trolle）展示了他们研制的超声哨的每一个细节，该超声哨可以在流体中产生比、并传播功率高达50W的超声波。直至第二次世界大战，才为其发展提供了应用场

3、所。伯格曼（Bergmann）在其超声学一书中对于这方面的早期工作作出了出色的论述，这本书被公认为超声学领域的经典著作。源于雷达技术的脉冲方法的采用，使得超声波的应用范围拓展了许多，而且在战后的岁月里，超声技术被广泛的用于材料的无损检测、医学诊断，以及各种各样的测试设备和控制设备之中。同时，人们也认识到了高强度超声波的其他一些潜在的应用前景，比如超声清洗、超声乳化、超声钻孔以及种种对材料进行超声波处理的应用。60年代，随着新材料、新技术的发现，随着微波技术的发展，人们已经可以产生频率高达100GHz的超声波。现已表明，这种超声波在物理学、通讯及计算机技术等领域的基础研究中起着非常重要的作用。1

4、.1.2 国内外大功率超声波发生电路的研究现状超声波电源给超声波换能器提供超声频交流电信号，其实现电路又称超声波驱动电路，在20世纪，随着电子技术的迅猛发展，超声波逆变电源所用功率器件经历了电子管、晶闸管、晶体管和IGBT共四个阶段2。近年来在电路设计中使用了新型电路拓扑结构和新型功率器件，超声波电源的可靠性、负载适应性、产品一致性得到进一步提高，同时效率也大大提高，产品的体积也随之减小。传统的超声波仪是采用振荡器来产生超声波的，并且采用电子管作为功率器件。其缺点是体积庞大、笨重、热损耗较大、无功功率大。20世纪80年代，改为采用双极型大功率晶体管，开关工作频率常用20KHz。后来又采用绝缘栅

5、双极型功率晶体管（IGBT），工作电压和工作电流定额（既单晶容量）明显德增大了。到20世纪90年代，由于功率场效应管MOSFET的技术进步而被广泛采用，开关工作频率达到100KHz。近十年来，超声波电源采用高频率开关交流电源技术，内部集成各种芯片或大规模集成电路实现对带宽频率的动态控制，其发展趋势必然是高效率，作为电源，效率是重要指标之一。效率高，发热损耗小，散热容易，才容易做到大功率超声波和强功率振动。1.2 课题研究的目的及意义本课题主要目的是设计一个大功率的超声波功率放大电路，即超声波换能器驱动电路，并且解决以往放大电路输出功率和效率都不高等问题，使超声波的实际使用率大大提高。并为换能器

6、提供能量，用于超声波焊接。第2章 驱动电路总体设计思路大功率超声波发生电路包括大功率超声波的发射电路和大功率超声波的驱动电路，发射电路研究的是超声波发射问题，而驱动电路研究的是关于大功率超声波功率放大的问题。我要进行工作的就是设计和研究有关超声波功率放大的电路。功率放大电路主要要做的工作就是把超声波信号进行放大处理，然而传统的功率放大电路的效率都很低，如甲类只有50%，乙类不过也只有78.5%，因此提高放大电路的效率是我们需要解决的问题。我们需要设计一个功率放大电路，使放大的效率尽可能的达到最高，使输出的功率尽可能最大。目前出现的开关模式放大电路，其特点是放大效率高，理论放大效率可达100%，

7、实际放大效率也可达到90%以上，是所有放大电路中效率最高的电路，因此是我们的首选放大电路形式。开关模式放大电路中用于大功率放大的首选就是桥式的放大电路。桥式功率放大电路包括全桥和半桥放大电路，其中全桥放大电路原理简单，实现容易，是大功率超声波功率放大电路中用的最多的一种形式，因此考虑首先采用全桥来实现放大功能。此外，大功率超声波驱动电路还需要实现变频、调压等基本功能，因此还要设计超声波变频电路、调压电路等功能电路。变频电路要实现对超声波频率的调节功能，同时还要设计出能够控制变频功能的继电器控制电路，并且设计出的电路要能够实现至少5种以上不同频率的变换。调压电路要实现对主电路两端电压的调节功能，

8、要设计出能够实现电压调节范围为0最大输入电压。变频电路和调压电路要实现控制功能通常要采用单片机来实现，这部分工作不是我们研究的范围，暂不予考虑。第3章 大功率超声波功率放大电路的设计3.1 基本设计思路众所周知，放大电路实质上都是能量转换电路。【3】从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的主要输出功率，通常是大信号状态下工作，因此，

9、功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题，这些问题是：（1）要求输出功率尽可能大为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。（2）效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，因此可以考虑使用交流电源。（3）非线性失真要小功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免的会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率较大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。（4）BJT的散热问题在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够

10、大的功率，放大器件的散热问题就成了一个重要问题。此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高。通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的损害与保护问题也不容忽视。3.2 放大器件的选择放大器件多用三极管和场效应管来实现。下面我们来比较三极管和场效应管的特点：1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似；2场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC；3场效应管栅极几乎不取电流（ig0）；而三极管工作时基极

11、总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高；4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管；5场效应管在源极水与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多；6场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。根据以上特点比较，

12、不难得出结论：场效应管不仅有三极管所具有的放大功能，而且其它特点都优于三极管，不仅解决了散热、耗电、体积、重量等问题，也满足了我们功率放大的要求，且场效应管作为开关电路的优势更为明显，它的工作频率超过20KHZ，完全超过了双晶体管工作的限制。功率MOSFET管向电源设计者提供了一种高速、大功率、高耐压的器件， 高增益，几乎不存在存储时间，不会有热击穿等优点。所以在大功率超声波发射电路，把场效应管作为放大器件是我们的首选。3.3 放大电路形式确定选择了放大器件，下面要确定我们所应采用的放大电路的具体形式。传统的A（甲）类、B（乙）类、C（甲乙）类放大器是把有源器件（例如晶体管为讨论对象）作为电流

13、源工作。在这些放大器中，晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化，而集电极电压是正弦波或正弦波的一部分。因此集电极在信号一周内同时存在颇大的电流和电压。要消耗相当一部分功率，这就是传统放大器的能量转换效率受限制的主要原因。开关模式放大器在提高放大器效率方面做了质的改革，它把有源器件作为接通断开的开关运用。晶体管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区。当晶体管被激励而接通时进入饱和区，断开时进入截止区。由于晶体管饱和压降很低，集电极功耗降到最低限度，提高了放大器的能量转换效率。一般在理想的晶体管条件下（饱和压降为零，饱和电阻为零断开电阻为无穷大，开关时间为零），属于开

14、关模式工作的D类放大器，理论效率为100，但由于管耗、线耗等以前可以忽略的因素，现在成为了影响放大效率的主要因素，不得不考虑在内，所以一般实际放大效率大约在90以上。而通常的A类放大器效率只有 50，B类效率为785。可见开关模式放大电路效率比传统的放大电路效率要高的多，从中不难看出开关模式功率放大器在功率超声的应用中具有相当大的实际意义。43.4 主电路设计D类开关放大器可分为推挽式（并联）电压、电流开关放大器，串联电压开关型D类功率放大器和桥式开关放大器。前两个主要用于功率较小的放大电路。而我们研究的的是大功率的超声波焊接，需要的是一个能够实现大功率放大的功率放大电路，大功率超声波发射电路

15、主要采用桥式开关功率放大器，是因为其实现起来简单、稳定、可靠。桥式开关功率放大器可分为半桥和全桥两种。为减少高频工作条件下场效应管的开关损耗,大功率超声驱动电路采用带辅助网络的全桥开关放大器5.初步设计电路如图：图3-1 全桥功率放大电路此电路结构解决了传统零电压开关（zvs）PWM电路变压器漏感小且滞后桥臂难于实现ZVS的问题。同时，根据电流增强原理，此电路结构可在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关，大大减少了占空比丢失。值得注意的是：在每个场效应管上反向并联一个二极管，这是由于场效应管结构本身形成一个寄生二极管【6】（未画出），它与场效应管构成一个不可分割的整体。但由于这个寄生二极管的

16、反向击穿电压很小，当负载电路回流时，二极管就会被击穿，导致场效应管失效，因此，为了避免这种现象的发生，在场效应管上反向并联一个反向击穿电压较大的二极管，这样可以保证场效应管的寄生二极管不被击穿，从而保证场效应管的正常工作。这个二极管的型号可选为MUR3020PT或FR系列快速二极管，主要起保护作用，要求不被击穿即可。然后进行场效应管的选择：已知输入信号功率为1KW超声波，电源电压为220V交流，可以确定其工作的峰值电压：（3-1）平均电流：（3-2）峰值电流：（3-3）求出了峰值电压和峰值电流。即可确定场效应管的型号，为了避免电压不稳出现毛刺，击穿场效应管，选择时峰值电压必须加倍选择，以保证场

17、效应管安全。即极限电压选择最低标准为622V。在不影响放大电路效率等的情况下，选的越高越安全。峰值电流选择时虽不用加倍选择，但为安全考虑，极限电流也尽量要大。根据极限电压和极限电流，可查相应的场效应管型号7如下表：表3-1 场效应管型号与参数型号材料用途极限电压V极限电流I耗散功率PSSH10N70N-FET功率放大，开关，增强型金属氧化物场效应管70010150BUP304IGBT功率放大，开关100035300IXTH11N100（A）11MTH8N909008180IXTH11N95（A）9502SK99080013查场效应管手册得到以上符合极限电压、极限电流标准的场效应管。考虑产品供应

18、，产品价位及产品的综合性能等因素，我们首选2SK990作为此电路的场效应管，若没有以上型号，BUK304也可代替使用。阻容RC电路作用只是滤波，因此可以选择普通的电阻电容。选择时电阻电容的功率选在1KW以上。换能器，电感L为可变量，不同需求有不同的值。全桥电路的功率放大功能原理3是：BG1、BG2、BG3、BG4构成了一个全桥，当BG1、BG4同时被触发导通时，电流i1经BG1换能器电感 BG4到地。同理，当BG2、BG3同时被触发导通时，电流i2经由BG3BG2到地。这样两路桥分别占正弦波的正负半周，从而形成一个周期波形的电压。由于放大电路在整个正弦波周期内都在工作，所以保证了功率放大电路的

19、效率，如上所述，理论可达100%，但由于管耗，线耗等，实际可达90%以上，远高于乙类的78.5%。又由于采用了场效应管，散热问题也得到解决。所以此大功率全桥功率放大电路符合我们设计的要求。第4章 大功率超声波变频的实现4.1 变频电路结构设计4.1.1 设计原理超声波焊接过程中，由于材料的厚度，材质等的不同，焊接时需要使用不同频率的超声波，来保证焊缝成型的均匀和焊接质量的稳定。为了获得不同频率的超声波，就要在电路中设计一个变频的环节，既在主电路中设计一个变频电路。由于主电路的换能器属于电容性负载，并与电感L串联形成谐振电路，因此要改变功率频率，就要通过改变电感值来实现。目前通常采用的是改变串入

20、电路电感L的方法来实现。根据串入电路中的电感值L的不同，获得不同的超声波频率，以满足不同焊接条件的需要。图4-1 变频电路基本的设计思路如上图，就是在原始的电路中串联新的若干电感，并根据调节串入电感的大小来对超声波的频率进行调节。根据要求，我们要实现至少5种以上频率的变换，因此，在电路中至少要串联3个调节电感。如上图中的L1、L2、L3即为调节电感，它们接在由继电器组成的控制电路上，分三路，分别实行控制，即可以实现8个档位的变化。当需要不同的超声波频率时，单片机给继电器控制信号，通过继电器实现控制功能，获得不同大小的总电感值，以获得所需要的频率值。4.1.2 电感选择 如上所述，换能器在电路中

21、属于容性负载，既可等效为一个电容。换能器与电感L串联形成的谐振电路，其频率就取决于电感L与换能器的等效电容大小。因此电感L的确定主要取决于换能器的型号。换能器与电感L串联谐振等效电路如下图：图4-2 换能器等效电路那么我们要求出电感L的大小，首先要知道换能器的电容和谐振频率。不同型号的换能器有不同的电容和谐振频率，因此每个电路的电感L也不是一样的。我们只能算出某个型号的换能器的L的值。综合我们的实现目的分析，我们是为了实现大功率超声波的焊接，那么我们可以选择相应的换能器来作为参考，算出我们的电感L。HQU-7070F-15S-2是一种用于功率超声焊接的换能器，其谐振频率为15kHz，电容值为1

22、7000pF，最大输入功率为2500W，满足我们的要求。可根据其估算我们的电感L值。根据串联谐振频率公式：（4-1） 可得出电感L为：（4-2） 即：（4-3）得出电感L后，就可以选择合适的电感原件。实现电路调频，通常采用的电感调节的范围是额定电感值10%之间，即5.96mHL7.28mH。因为多个电感串联时，其总的电感值为各个电感电感值之和，所以我们主电路中的原始电感选为调节范围的最下限，以保证调节范围最大。即L=5.96mH。根据对多数变频电路的研究，起变频作用的电感L1、L2、L3的比值为1：2：4时用的情况最多，调节频率的间隔最平均，因此我们也采用此比列来计算变频电感L1、L2、L3。

23、根据总电感上限值为原始电感L与调节电感L1、L2、L3的总和以及L1、L2、L3的比值和已算出的原始电感L的值我们就可以计算出每个调节电感的电感值。计算过程如下：（4-4）（4-5）又已知L大小，因此求得L1=0.19mH，L2=0.38mH，L3=0.75mH。计算出电感值后选择相应大小的电感元件，串入电路即可。4.2 变频控制电路如上所述，超声波变频是通过改变电路中电感值大小来实现的。以上工作中我们已经确定了原始电感和变频电感的值，下面要考虑的就是如何实现电感的变化，即要设计一个可以实现变频控制的电路。控制串并联的实现现在通常使用的控制电路是继电器控制电路，其原理简单，实现起来容易，是控制

24、变频的最好选择。为满足至少有5种频率可以调节的要求，一般采用3个变频电感分别控制的方法来实现，这样我们可以得到8种不同频率的超声波组合，使可供选择的频率值达到最多。以下就是继电器控制电路的结构图：图4-3 超声波变频控制电路其主要由控制信号输出端、三极管、二极管和继电器组成。信号输出是由计算机给出的信号控制，有5V和0V电压分别加在输出端实现，当输出为5V时三极管触发，电路导通，继电器作用使控制电感串入电路或使其短路失效。其中，三极管基级上的电阻的作用是产生压降，使三极管基级电流级别降至mA级，因此，电阻可选为1K ，可以使积极电流降至5mA以下，满足基级电流小的条件。根据现有条件，三极管型号

25、选择为9013（NPN）型，可以基本满足我们设计的要求。继电器需选择一个两个触头的继电器，当电路不导通时继电器处于常闭状态，使变频电感短路，不起作用。当电路导通时。继电器触电变为常开，变频电感串入电路起作用，使电路频率改变，达到超声波调频作用。继电器在电路中属于电感性负载，需在其两端并联一个二极管，是作吸收反向电流用的。如果不加，继电器断开瞬间产生的反向电压只需几次开关过程就可以损坏三极管。二极管型号多选用1N4148，可以满足电路设计要求。控制端信号输出由单片机控制，这部分工作由程序编程人员完成，编出的程序，要可以实现以上设计要求的变频功能，并设计出相应的可视化界面或者设计出按钮控制或旋钮控

26、制等硬件电路，来实现调频的直观可视化。第5章 大功率超声波调压电路的设计可控硅是一种新型的半导体器件,它有体积小,重量轻,效率高,寿命长,动作快以及使用方便等优点。目前,交流调压器多采用可控硅调压。我们实现调压功能也是通过可控硅来实现。5.1 调压电路设计思路5.1.1 双向可控硅交流调压原理一只双向可控硅的工作原理，可等效两只同型号的单向可控硅互相反向并联，然后串联在调压电路中实现其可控硅交流调压的。我们要调节的是220V、50Hz的交流电的电压波形。在0时间内，SCR1因控制级G无正脉冲信号而正向阻断，而SCR2则反向不导通。在？ 时间内，SCR1控制级G受触发脉冲触发而导通。将可控硅在正

27、向阳极电压作用下不导通的范围称为控制角，用字母表示，而导通范围称为导通角，用字母表示。显然控制角的大小，可改变正负半周波形切割面积的大小。当越小被切割的波形的面积越小，输出交流电压的平均值越大。相反，当角越大，被切割的波形的面积越大，输出电压的平均值越小。5.1.2 双向可控硅交流调压电路设计思路（1）电网提供220V（有效值）50赫兹电压源，经过电阻降压加到可控硅控制端G。（2）用单片机作为控制端，设计同步电路，实现单片机对可控硅调压的同步相位控制。（3）单片机对可控硅控制通过光电耦合器来实现。（4）双向可控硅的两端并联一个RC电路对交流信号滤波，消除或减少干扰。（5）双向可控硅并联压敏电阻，保护可控硅。（6）可控硅控制端并联一个电容，保证正弦波过零点时，控制端电压不至于为零。按以上要求设计出调压范围在0311V的调压电路。