2KW超声波驱动电源设计.doc

. .. 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。 1．1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A／D和D／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I／O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MCS．51和MCS．96两大系列为代表。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D