2KW超声波驱动电源设计
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1、1绪论随着现代科学技术飞速发展。各学科之间相互渗透，新兴边缘学科不断出现，超声工程学作为一门新兴的边缘学科.在工业生产、卫生保健和航空航天等许多领域中扮演着十分重要的角色。我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，超声工程学按其研究容，可划分为功率超声和检测超声两大领域。所选课题超声波电源的研究，是功率超声技术的一个重要应用部分。1. 1超声波电源的发展概况和发展趋势超声波电源乂叫超声波功率源，是超声波活洗系统的核心部分，其发展与电力电子器件发展密切相关,一般可以分为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关放大器三个阶段。在早期，20世纪80年代前，信号功率放大采用电子管，采用电子管的
2、优点是动态围较宽,此优点对于音频放大器很重要,但对超声波电源来说没有什么好处，因此，当功率晶体管出现后即遭淘汰，电子管的缺点很多：功耗大、寿命短、效率低、电源成本高、体积大。20世纪80年代到90年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种OCLMOTL电路大量用于超声波电源，功率晶体管模拟发生器开始投入使用，电源效率提高、体积和重量下降，由于受开关速度的限制和晶体管开关特性的影响，采用晶体管模拟放大器的超声波电源有以下几个缺点：(1) 功耗较大。由于OTLOCL电路理论效率只有78%左右，实际效率更低、功耗大,导致功率管发热严重,需要较大的散热功率,并且功率管发热导致系统工作不太稳定。(2) 体
3、积大、重量重。由于功率管输出的功率受到限制，要输出较大的功率需要更多的功率管，且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到。大功率的变压器重、效率低。不易使用微处理器来处理。由于该电路呈现模拟线路特征，用数字化处理复杂，涉及到A/D和A转换，成本高、可靠性低。随着电力电子器件的发展，特别是VDMOS和IGBT的发展与成熟，采用开关型超声波发生器成为可能。开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出功率的。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，开关型超声波发生器主要有以下特点：(1) 功耗低、效率高。开关管在兀关瞬时的功耗较大，但由于开关时间短，在截止或导通时的功耗很小，
4、因此总的功耗较小，最高效率可达到积小、重量轻。由于效率高、功耗低，使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率大：在直流电源作用下可直接变换使用，不需要电源变压器降压，因此体积小，重量轻。(2) 可靠性好。与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时温升较低，工作可靠，加上全数字开关输出，可用微处理器直接控制。开关型超声波发生器与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展乂与电力电子开关器件发展紧密相连，也经历了三个发展历程：采用双极型开关晶体管年代、采用VDMOS代、采用IGBT管年代；这样它的工作频率也经历了工频，低频，中频到高频的发展历程。随着电力电子器件的迅速发展，电力电子电路的控制也在
5、飞速发展。控制电路最初以相位控制为手段、由分立元件组成，发展到集成控制器，再到实现高频开关的计算机控制。目前，向着更高频率，更低损耗和全数字化的方向发展。模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。提高了制信号的开关频率，只需外接若十阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题。用数字化控制
6、代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，调整控制方案和实现多种新型控制策略。同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，提高系统可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。超声波发生器应用控制技术一般有三种形式：采用单片机控制、采用FPG/®制。但是我们这里用的是UC3875为控制器，做为PWM的占空比可变和过压、过流保护的功能，其是可以完成的。(1) 采用单片机控制单片机是一种在一块芯片上集成了CPURAhMOM定时器/计数器和I/O接口等单元的微控制芯片，广泛应用
7、在各种控制系统，主要以美国INTEL公司生产的MCS51和MCS96两大系列为代表。在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM!号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合DKA转换器和IGBT功率模块实现脉宽调制。另外，单片机还具有对过流，过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们寻求功能更强芯片的帮助，于是UC3875&#
8、174;运而生。采用UC3875空制UC3875芯片作为控制电路的2KW膨相控制全桥变换（PSCFBZVS-PWM软开关电源，由于开关管在ZVS条件下运行，可实现高频化，而且控制简单，性能可靠，适用于大功率场合。且能保持恒频运行，就不会同时出现大电压、大电流，减少了开关所受的应力，实现了高效化。大大减小了电源的体积。采用FPGA空制FPGA届于可重构器件，其部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程I/。模块、可编程部连线。由于FPGA勺集成度非常大，一片FPGA则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片FPG制可
9、以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言来对系统进行设计，采用三个层次（行为描述、PJL描述、门级描述）的硬件描述和自上至下（从系统功能描述开始）的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。比较而言，DSP®合取样速率低和软件复杂程度少时，FPGA!有优势。1. 2本文的研究背景及主要工作20世纪60年代初，我国开始研制各种超声波活洗机的功率电源，到目前为止，我国的超声电源也经历了电子管、晶闸管、晶体管、VMO等"GBT的发展过程。20世纪70年代电子管组成的超声波电
10、源电能利用率低、电源成本高、体积大。20世纪70年代到80年代初，晶闸管超声波电源开始投入使用。晶闸管电源与电子管电源相比较有了很大提高，体积和重量有所下降，但由于受到开关速度的限制和晶闸管开关特性的影响，电源频率在20kHz以下，工作效率较低。为了克服上述电源的不足，人们开始研制和使用VMO使源。VMOSI源开关速度高、驱动功率小。但是由于管子的制造工艺结构限制，单管的导通电流较小，耐压较低，抗电流和电压冲击能力较差。晶体三极管的驱动功率较大，但采用大功率复合三极管，开关速度会大大降低，这种复合三极管一般也只能在20kHz以下使用。因此，VMOSt和晶体三极管一般适用于小功率超声波电源。综上
11、所述，超声波电源需要一种开关速度快，导通电流大、耐压高、抗冲击能力强、驱动功率小的新型功率器件。同时，随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，超声波电源需要一种功率大、频率高、成本低、智能化等系列超声波电源。今后，超声波电源的发展趋势主要有以下几个方面：(1) 大功率，高频化。随着功率器件MOSFETIGBTMCTIGCT的发展，将来的超声波电源必将朝着大功率和高频率相统一的方向发展。低损耗、高功率因数。随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低，而且随着对电网无功要求的提高，具有高功率因数的电源是今后的发展趋势。智能化、复合化。随着超
