【正文】 ，提供同步點(diǎn)。 10腳作為電源電壓端，為輸出級(jí)提供所需電源。 4 腳作為誤差放大器的同相輸入端，和 1腳基準(zhǔn)電壓相連，檢測(cè) 3腳的輸 出電源電壓。 2 腳作為電壓反饋控制端，當(dāng)引輸出信號(hào)高到一定值時(shí)，由內(nèi)部 RS 觸發(fā)器及門(mén)電路作用使 C輸出與 A輸出反相，即 A、 C輸出信號(hào)移相 180 度；同樣，當(dāng)引腳 2 輸出信號(hào)低于 1V時(shí)，通過(guò)內(nèi)部 RS 觸發(fā)器及門(mén)電路作用使 C輸出與 A輸出同相，即 A、C輸出信號(hào)移相 0度。在調(diào)功時(shí)，需要從直流側(cè)進(jìn)行電壓和電流采樣。 3． 4． 1 采樣模塊與外圍電路設(shè)計(jì) (1)電流電壓采樣電路 根據(jù)對(duì)逆變控制電路的要求可以知道，必須要從諧振槽路選取一個(gè)頻率反饋信號(hào)給逆變控制電路進(jìn)行頻率跟蹤。 圖 控制系統(tǒng)電路圖 圖 控制系統(tǒng)波形圖 該控制系統(tǒng)中各點(diǎn)波形分析如圖 3． 8所示，①為鎖相環(huán) CD4046 輸出信號(hào)， 25 ②為 DSP 環(huán)節(jié)輸出信號(hào)，改變②相對(duì)于①上升沿的延遲時(shí)間，就可改變死區(qū)寬度。因此鎖相環(huán)實(shí)際輸出信號(hào)①的頻率是負(fù)載頻率 的 2 倍。所示，圖中利用霍爾電流傳感器，高速比較器，集成鎖相環(huán) CD4046 來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤鎖相環(huán)與 UC387數(shù)字邏輯芯片相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)死區(qū)調(diào)節(jié)?？梢?jiàn)，一個(gè)最佳的死區(qū)時(shí)間應(yīng)為器件關(guān)斷時(shí)間和輸出電容放電時(shí)間之和。對(duì)于關(guān)斷時(shí)間，每種具體型號(hào)的管子都已經(jīng)給出了具體參數(shù)。若在電流過(guò)零后仍未開(kāi)通 VT2， VT3，則負(fù)載電流會(huì)經(jīng) DI， D．續(xù)流，而負(fù)載 端電壓也會(huì)重新變?yōu)樽笳邑?fù)，大小等于‰， VT2， v． r3 的輸出電容也會(huì)重新被充電為 ％。若負(fù)載電流已過(guò) 零則直接進(jìn)入階段⑤。該方式中，逆 變器的輸出電壓可能會(huì)存在 439。④經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，Ⅵ l， VT4 可靠關(guān)斷，而負(fù)載電流仍未過(guò)零， Q， c3會(huì)分別以沈的電流對(duì) Cl， c4放電，伴隨此過(guò) 程，負(fù)載上的電壓開(kāi)始反向上升，即開(kāi)始變?yōu)樽筘?fù)右正，待 C2， c3 放電結(jié)束后， Cl， c4 上的電壓為‰，即 vTl， VT4 上承受的電壓分別是逆變器輸入端電壓，負(fù)載上的電壓也為‰，方向左負(fù)右正。 對(duì)于圖 2． 5 所示的串聯(lián)諧振逆變器，首先分析一下死區(qū)處于不同位置時(shí)對(duì)逆變器性能的影響。 G2(s)。 一般情況下， CD4046 工作時(shí)需要接外圍元器件 CI、尺 I 和惑，它們決定了壓控振蕩器 VCO 的中心 頻率石。 綜上所述， CD4046 工作原理如下：輸入信號(hào)從 14 腳輸入后，經(jīng)放大器 AI進(jìn)行放從 3腳輸入的比 較信號(hào)與輸入信號(hào)作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓則反映出兩者的相位差。在這兩種情況下，從 1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度的負(fù)脈沖產(chǎn)生。從鑒相器PDI 的輸入和輸出信號(hào)的波形可知，其輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持 90度相移。 圖 由圖 3． 2 可知，超聲波電源中鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由相位比較器、電壓比較器低通濾波器、壓控振蕩器、激勵(lì)放大器，功率放大器、電流取樣及電壓 17 取樣等組成，是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，它利用了術(shù)級(jí)換能器上的電壓和電流之問(wèn)的相位差，經(jīng)相位比較后，獲得相位誤差信號(hào)，再經(jīng)低通濾波之后，去控制壓控振蕩器的輸出信號(hào)的頻率，使之保持與振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械諧振頻率一致，本文中鎖相式頻率跟蹤系統(tǒng)采用集成鎖相環(huán) CD4046。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號(hào)頻率相等，便有可能在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來(lái)。 壓控振蕩器受濾波器輸出的電壓控制，使得壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)的頻率靠攏，也就是使差拍頻率越來(lái)越低，直至消 除頻率差而鎖定。如果存在相位差，通過(guò)控制電路作用與振蕩器的方式使相位誤差再次降為最小值。隨著鎖相技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，人們又發(fā)展了采用鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的方法。自激式超聲波清洗機(jī)有兩種頻率跟蹤方案，即聲跟蹤和電跟蹤方案。這種方法在早期他激式超聲波清洗機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。 逆變器輸出電壓的傅立葉級(jí)數(shù)變換式為： )s in(45,3,1 kw tkUUkdAB ??? ? 基波分量有效值最大為： VUUdAB 450221 ?? ? 負(fù)載諧振時(shí)，高次諧波的阻抗較大，它們的輸出功率可以忽略不計(jì)，整個(gè)逆變器的輸出 功率可以認(rèn)為是基波分量的功率，即： ???? c o s5 8 4 8 11 IUWPP ABoout 由于超聲波電源的負(fù)載處于諧振狀態(tài)，功率因數(shù)較大，這里取值為 0． 95，基波電流值為： AU PI AB ou t o s11 ??? 最大值： AII m 11 ?? 選取 IGBT 型號(hào)時(shí)，我們耿流過(guò) IGBT 電流最大值的兩倍計(jì)算，即： AII m 402 1m ax ?? 所以我們選用型號(hào)為 1200V／ 40A 的 IGBT。 (3)斬波器開(kāi)關(guān)管和主續(xù)流二極管 DF的選取斬波器主開(kāi)關(guān)管 S流過(guò)的最大電流為整流器輸出最大電流 12． 74A，承受的電壓為 續(xù)流二極管。 13 (4)設(shè)整流器、斬波器、逆變器、匹配電壓器的效率依次為 1? =90％， 2? =90％，3? =90％， 4? =95％三相交流電經(jīng)橋式不控整流整成脈動(dòng)的直流電壓，在經(jīng)過(guò)電容“對(duì)直流電壓平滑濾波后，該電壓被輸出到有源無(wú)損軟開(kāi)關(guān) BUCK 斬波器進(jìn)行斬波功率調(diào)節(jié)，為減小電網(wǎng)電流的脈動(dòng)和平滑輸出的直流電壓，斬波器一般接入由電抗和電容Cl組成的低通濾波器。二極管也都是在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下開(kāi)關(guān)，各元件所受應(yīng)力都比較小。軟開(kāi)關(guān)電路種類(lèi)繁多，層出不窮，本文選用一種新型的 ZVZCSPWM 電路，其電路構(gòu)成如圖 2． 15 所示 。 在這種傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，存在著較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。因其輸出端電壓 EDEttty of fonon ????? )( 總低于輸入端電壓 E，故稱(chēng)為降壓變換器。采用晶閘管相控整流調(diào)功，整流器的功率因數(shù)會(huì)隨著整流器觸發(fā)角的變化而變化，從而使電源效率受影響。在 21~tt 期間， VT2， 3 處于導(dǎo)通狀態(tài) ，電流從電源正端一 VT2 一 B A 一Ⅵ 4一電源負(fù)端流通，電流‘ =也，近似為恒值，電壓形成“ B 負(fù)半波。 10 圖 在 1~tto 期間， VTl， 4 導(dǎo)通，電流從電源正端一 VTl— A— B— VT4 一電源負(fù)端流通 do Ii ? 近似為恒值，負(fù)載電路工作在振蕩狀態(tài)，負(fù)載電壓‰按正弦規(guī)律變化通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)器件 (VTl～ VT4)的控制，使直流電流而變換成高頻的交流矩形波電流輸出。 9 圖 26 電壓型逆變器工作原理圖 2． 3． 2 負(fù)載并聯(lián)諧振逆變器 并聯(lián)諧振型逆變器，即電 流型諧振逆變器，電路結(jié)構(gòu)如圖 2． 7 所示 。到 tI時(shí)刻，電流下降到零，電容 C 上的電源極性為左正右負(fù)。負(fù)載電路工作在振蕩狀態(tài)，負(fù)載電流按正弦規(guī)律變化，在 to— tl 期間，電流經(jīng) VTl， 4流通，形成正半波。其輸入直流電壓 dU 恒定不變，輸出電壓的波形為矩形波且不受負(fù)載變化的影響。根據(jù)補(bǔ)償電感與換能器的聯(lián)接方式不同，可以將逆變電路分為并聯(lián)諧振電路和串聯(lián)諧振電路兩種。 然而， SPWM 整流器由于對(duì)直流側(cè)電 壓利用率較低，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)，需顯著提高直流母線(xiàn)電壓，通常直流母線(xiàn)上的電壓會(huì)達(dá)到 800V～ 1000V 左右，進(jìn)而造成整流橋與逆變橋功率器件的電壓應(yīng)力，增加了系統(tǒng)成本；由于整流器的丌關(guān)器件均處于硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故其通態(tài)損耗也很大，使系統(tǒng)的效率降低。采用 PWM整流可獲得單位功率因數(shù)和正弦化輸出電流。 圖 圖 2． 2． 2 晶閘管相控整流電路 用晶閘管組成的相控整流電路有多種形式，圖 2— 3是橋式三相晶閘管相控整流電路 。引。 圖 工作時(shí)，三相工頻交流電經(jīng)整流器整流濾波后變?yōu)槠交闹绷麟姡腿肽孀兤?；逆變器采用電力半?dǎo)體器件 (IGBT)作為開(kāi)關(guān)器件，把直流電變?yōu)樗韪哳l率的交流電；通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)作用于換能器負(fù)載，使電路處于諧振狀態(tài)。 5 2 超聲波電源系統(tǒng) 超聲波電源，即超聲波功率源，是一種用于產(chǎn)生并向超聲波換能器提供超聲能量的裝置。 (3)研究不控整流加斬波器控制功率的方法，把功率控制轉(zhuǎn)化為 BUCK 變換器的控制，確定閉環(huán)控制方案，并針對(duì)具體問(wèn)題在閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制算法中引入了模糊控制，給出了實(shí)現(xiàn)方案和軟件流程圖。隨著超聲波電源自動(dòng)化控制程度及對(duì)電源可靠性要求的提高，超聲波電源正向自動(dòng)化控制方向發(fā)展，具有計(jì)算機(jī)智能接口的全數(shù)字化超聲波電源成為下一代發(fā)展目標(biāo)。隨著功率器件 MOSFET、 IGBT、 MCT、 IGCT 的發(fā)展，將來(lái)的超聲波電源必將朝著大功率和高頻率 相統(tǒng)一的方向發(fā)展。因此， VMOS 管和晶體三極管一般適用于小功率超聲波電源。 為了克服上述電源的不足，人們開(kāi)始研制和使用 VMOS 電源。 1． 2 本文的研究背景及主要工作 20世紀(jì) 60 年代初，我國(guó)開(kāi)始研制各種超聲波清洗機(jī)的功率電源，到目前為止，我國(guó)的超聲電源也經(jīng)歷了電子管、晶閘管、晶體管、 VMOS 和 IGBT 的發(fā)展過(guò)程。其結(jié)構(gòu)主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程 I／ O 模塊、可編程內(nèi)部連線(xiàn)。 (2)采用 UC3875 控制 UC3875 芯片作為控制電路的 2KW 移相控制全橋變換（ PSC FB ZVSPWM）軟開(kāi)關(guān)電源，由于開(kāi)關(guān)管在 ZVS 條件下運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)高頻化，而且控制簡(jiǎn)單，性能可靠，適用于大功率場(chǎng)合。配合 D／ A 轉(zhuǎn)換器和 IGBT 功率模塊實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。超聲波發(fā)生器應(yīng)用控制技術(shù)一般有三種形式：采用單片機(jī)控制、采用 FPGA 控制。此外，模擬集成控制芯片還存在功耗較大、集成度 低、控制不夠靈活，通用性不強(qiáng)等問(wèn)題。 模擬控制電路存在控制精度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)整定不方便、溫度漂移嚴(yán)重、容易老化等缺點(diǎn)。 開(kāi)關(guān)型超聲波發(fā)生器與開(kāi)關(guān)型電源的發(fā)展息息相關(guān)，而開(kāi)關(guān)型電源發(fā)展又與電力電子開(kāi)關(guān)器件發(fā)展緊密相連，也經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展歷程：采用雙極型開(kāi)關(guān)晶體管年代、采用 VDMOS 年代、采用 IGBT 管年代；這樣它的工作頻率也經(jīng)歷了工頻，低頻，中頻到高頻的發(fā)展歷程。開(kāi)關(guān)管在丌關(guān)瞬時(shí)的功耗較大，但由于開(kāi)關(guān)時(shí)間短，在截止或?qū)〞r(shí)的功耗很小，因此總的功耗較小，最高效率可達(dá)到積小、重量輕。由于該電路呈現(xiàn)模擬線(xiàn)路特征，用數(shù)字化處理復(fù)雜，涉及到 A／ D和 D／ A轉(zhuǎn)換，成本高、 可靠性低。 (2)體積大、重量重。 1． 1 超聲波電源的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢(shì) 超 聲波電源又叫超聲波功率源，是超聲波清洗系統(tǒng)的核心部分，其發(fā)展與電力電子器件發(fā)展密切相關(guān)，一般可以分為電 子管放大器、晶體管模擬放大器和晶體管數(shù)字開(kāi)關(guān)放大器三個(gè)階段。 1 1 緒論 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展。所選課題超聲波電源的研究，是功率超聲技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用部分。由于 OTL、 OCL 電路理論效率只有 78％左右，實(shí)際效率更低、功耗大，導(dǎo)致功率管發(fā)熱嚴(yán)重，需要較大的散熱功率，并且功率管發(fā)熱導(dǎo)致系統(tǒng)工作不太穩(wěn)定。 (3)不易使用微處理器來(lái)處理。由于晶體管在截止和飽和導(dǎo)通時(shí)的功耗很小，開(kāi)關(guān)型超聲波發(fā)生器主要有以下特點(diǎn)： 2 (1)功耗低、效率高。與微處理器等配合較容易，電子器件在工作時(shí)溫升較低，工作可靠，加上全數(shù)字開(kāi)關(guān)輸出，可用微處理器直接控制。目前，向著更高頻率，更低損耗和全數(shù)字化的方向發(fā)展。但是，也正是由于阻容元件的存在，模擬控制電路的固有缺陷，如元件參數(shù)的精度和一致性、元件老化等問(wèn)題仍然存在。此外，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現(xiàn)電力電子裝置運(yùn)行的智能化。在超聲波發(fā)生器中，單片機(jī)主要用作數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理、電壓電流調(diào)節(jié)、 PWM 信號(hào)生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和故障自我診斷等，作為整個(gè)電路的主控芯片運(yùn)行，完成多種綜合功能。但是，單片機(jī)的工作頻率與控制精度是一對(duì)矛盾，處理速度也很難滿(mǎn)足高頻電路的要求，這就使人們尋求功能更強(qiáng)芯片的幫助，于是 UC3875 應(yīng)運(yùn)而生。 (3)采用 FPGA 控制 FPGA 屬于可重構(gòu)器件，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要任意設(shè)定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。比較而言， DSP 適合取樣速率低和軟件復(fù)雜程度少時(shí)， FPGA 更有優(yōu)勢(shì)。晶閘管電源與電子管電源相比較有了很大提高，體積和重量有所下降，但由于受到開(kāi)關(guān)速度的限制和晶閘管開(kāi)關(guān)特性的影響，電源頻率在 20kHz 以下，工作效率較低。晶體三極管的驅(qū)動(dòng)功率較大，但采用大功率復(fù)合三極管，開(kāi)關(guān)速度會(huì)大大降低，這