2KW超声波驱动电源设计行业二类

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内容，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。11超声波电源的发展概况和发展趋势 超声波电源又叫超声波功率源，是超声波清洗系统的核心部分，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，采用电子管的优点是动态范围较宽，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OCL及OTL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OTL、OCL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。 (3)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AD和DA转换，成本高、可靠性低。 随着电力电子器件的发展，特别是VDMOS管和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。开关管在丌关瞬时的功耗较大，但由于开关时间短，在截止或导通时的功耗很小，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，而开关型电源发展又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年代、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，只需外接若干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FPGA控制。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CPU，RAM瓜OM、定时器计数器和IO接口等单元的微控制芯片，广泛应用在各种控制系统，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信号生成、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DA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应运而生。 (2)采用UC3875控制 UC3875芯片作为控制电路的2KW移相控制全桥变换（PSC FB ZVS-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。 (3)采用FPGA控制 FPGA属于可重构器件，其内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IO模块、可编程内部连线。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片FPGA就可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适合取样速率低和软件复杂程度少时，FPGA更有优势。12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清洗机的功率电源，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、VMOS和IGBT的发展过程。20世纪70年代电子管组成的超声波电源电能利用率低、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VMOS电源。VMOS电源开关速度高、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，VMOS管和晶体三极管一般适用于小功率超声波电源。综上所述，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MOSFET、IGBT、MCT、IGCT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。 (2)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。 (3)智能化、复合化。随着超声波电源自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，超声波电源正向自动化控制方向发展，具有计算机智能接口的全数字化超声波电源成为下一代发展目标。 本文就是在传统超声波电源的基础上，提出研究基于UC3875控制的大功率、高频率、低损耗、高功率因数的超声波电源，使其实现功率可调、频率自动跟踪等功能。文中超声波清洗机电源要求达到的技术指标为： (1)功率可调范围2000W一5000W，最大功率为5000W； (2)频率25KHz-35KHz(实际是在一个较窄的范围内工作)； (3)频率自动跟踪，功率自动匹配； (4)具有过流、过压、过温自动保护； 本文按照超声波电源的方案比较、主电路拓扑结构、频率跟踪控制、功率稳定控制、驱动和保护电路、实验结果共六部分进行编排： (1)超声波电源方案比较部分，对整流单元方案、逆变电路拓扑方案、功率控制方案进行了分析，分别选定了不控整流、串联谐振逆变电路和不控整流斩波调功控制方案。 （2）在逆变器控制系统的设计中，利用UC3875实时调节死区宽度，采用集成锁相环CD4046进行负载的频率跟踪，实现基于数字信号处理UC3875的最佳死区频率跟踪系统，最后给出了硬件和软件实现方案。 (3)研究不控整流加斩波器控制功率的方法，把功率控制转化为BUCK变换器的控制，确定闭环控制方案，并针对具体问题在闭环控制系统的控制算法中引入了模糊控制，给出了实现方案和软件流程图。 （4）研究超声波电源与超声波换能器匹配电路的原理，设计主功率高频变压器和匹配电感器。 (5)研究超声波电源中的驱动电路及保护电路，确定驱动电路的方案和保护电路的实现方法。 (6)根据设计结果，试制电路，测试实验结果，对设计进行验证。2超声波电源系统超声波电源，即超声波功率源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。超声波换能将电能转换为机械能的器件，它的各项参数直接决定了超声波清洗机的性能。本章主要研究超声波电源系统原理，讨论超声波电源常用的拓扑结构，确定超声波电源主电路方案。 21超声波发生器的组成原理 超声波发生器系统一般由整流单元、功率逆变器、匹配网络、反馈网络、信号处理电路、驱动电路和换能器组成，其原理如图11所示。换能器220V 50HZ整流单元IGBT匹配网络驱动反馈网络信号处理电路图2.1超声波发生器框图 工作时，三相工频交流电经整流器整流滤波后变为平滑的直流电，送入逆变器；逆变器采用电力半导体器件(IGBT)作为开关器件，把直流电变为所需高频率的交流电；通过匹配网络作用于换能器负载，使电路处于谐振状态。采集谐振回路的电流和电压信号，通过反馈网络得到适合DSP处理的反馈信号；信号处理电路实现频率跟踪和功率调节功能；由UC3875的输出信号输入到高频驱动电路，作为功率管IGBT的驱动和控制信号。 22整流单元方案比较 整流单元的作用是将电网输送的交流电变为直流电，为功率逆变器提供基本的电源。整流单元是通过控制半导体电力开关器件的通、断，将交流电变为直流电(ACDC)的，主要有二极管不控整流、晶闸管相控整流、以及采用新型丌关器件的SPWM整流¨引。 221二极管不控整流电路 三相桥式二极管不控整流电路如图22所示，其特点是结构简单，不需要额外的控制，成本低廉。二极管不控整流电路的输出电压不可调节，且与输入电压成固定比例关系 设输入端线电压为，那么有载时输出端电压平均值为。一般在输出侧采用大电容稳