一种新型功率超声电源

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1、设计·研究《电加工与模具}2016年增刊1(PWM)。PFC网络的接人，把传统电源严重失真的输入电流波形校正为近似的正弦波，并使电流波形与电压波形同相，可有效地抑制严重的谐波干扰，提高电源的功率因数。该电源采用CM6805芯片为核心器件，其输出效率达到95％以上，总的谐波电流分量THD降低到1O％左右【3J。1．2．2半桥功率放大器传统超声电源功率放大器工作在伏安特性线I-⋯埋亳且量旦堑⋯一的有源区，集电极电压是正弦波或正弦波的一部分，在每周期内存在较大电压和电流，能耗大，转换图1新型超声电源原理框图效率仅为50％～78％。电流相位不同，使功率因数下降，电能利用率降

2、低。新型超声电源采用半桥式功率放大器，晶体管文献[2】提供的数据表明，这种类型的直流电源其功工作在开关模式，在理想条件下，功放管导通时饱率因数PF在0．65左右，总的谐波电流分量THD高和压降为零，电阻为零，断开时电阻无穷大，开关时达95％以上。间为零，能耗很小，其理论转换效率为100％。图3新型超声电源采用自适应可调直流稳压电源，是半桥功率放大器及相关保护的电路图。图中，C2。、电路结构见图2。该电路在全桥整流后，先接人电源为桥臂电容，。、为桥臂功率放大管，电容软启动电路，再接人有源功率因数校正(PFC)网络，、电感。构成滤波与选频网络，经输出变压器最后接人大电容

3、器及脉宽调制DC／DC变换器的初级，将、与。、相连接。A交图2自适应可调直流稳压电源电路图爵嚣器图3半桥功率放大器及阻抗匹配谐振网络电路图一53—《电加工与模具)2016年增刊1设计·研究假如在时刻，截止，c信号触发，导~-(vA一2Vc)(3)通，电流i。从自适应可调直流稳压电源输出的正极电压有效值为：，经。、C犸、、Ls，再经的初级向电容C丑充VF-一V~-(V电，在次级感应一个正半周电压。在z时刻，VA一2V)(4)、／’7r⋯截止，信号触发导通，电流iz从经过半桥功率放大器输出功率为：的初级、、C扒向电源负极放电，在的次级感应出一个负半周电压，从而产生一个周

4、期的工==(5)作波形。半桥功率放大器各点的电压波形见图4。式中：负载电阻R为输出变压器及换能器阻抗。cLLL—}LLJLJ—⋯_U■死～—区U—U⋯Lj一_L』一L从式(5)可看出，改变电压可调节输出功率辟。当换能器负载变化时，频率自动跟踪网络检测到频率的变化，输出匹配的频率信号，控制t、，使其跟踪变化了的负载频率，确保压电换能器工作2]r_]门厂在谐振状态；同时，当电流检测电路检测到换能器负载改变引起电压变化时，通过光耦，将电信号反馈到CM6805芯片引脚6，调节PWM的占空比，通过引脚l0输出合适的脉冲，控制，使电压图4半桥功率放大器各点电压波形调节到合适值，

5、达到自适应调节输出功率的目(1)功放管的选取与保护的。本文选用绝缘栅双极型晶体管(IGPT)作为功1．2．3阻抗匹配谐振网络率放大器件。由于IGPT在激励信号下导通时，会有(1)调谐匹配少数载流子堆积在基极区，因此，即使信号消失，载夹心压电换能器的阻抗匹配与谐振网络如图3流子仍可维持该管导通，如果此时另一只功率放大所示。其中，为阻抗匹配输出变压器，R，。、尺，管被激励，就会发生两只功放管同时导通，直流电连接频率跟踪网络，用于频率信号电压与电流的相源短路，功放管损坏的现象。本文在电路设计中，使位检测，兄。、c0分别是换能器的静态电容和电阻，，。激励信号、％之间增加一段

6、延时，形成一个“死为匹配电感，C加为调试电容。根据电路原理凹，MN区”(图4)，确保在同一时间内，只有一只功放管导回路的等效阻抗为：通。解决了功放管短路受损的问题。ZaMN一(6)在功放管输出电压波形上升沿产生的尖峰突变，本文在电路中设置了二极管VDVD(图3)，1+[toR0(Co+c30)]【1+IwRoL0+C3oJ}j可有效抑制尖峰电压，保护功放管。另外，稳压二极管z、丝分别保护F2。，的基极，防止基为使夹心式压电换能器工作在谐振状态，式极击穿；晶体管。、和相关元器件构成了功率(6)的虚部必须为零，即：管的过流保护。一：0(7)(2)输出功率的计算与调节1+

7、【eoRo(Co+c30)]从图4可见，半桥功率放大器输出电压为方程的两个根分别为：周期性对称的矩形波，根据傅里叶变换，的谐波(-O1-'0,0．)2~'1'R2(CO+C3o表达式为：)=(sina~ot+1sin3Wot+1舍去∞。=O与：负根，得到谐振频率为：sin5∞。+．．。)(1)R~2(C~+C30)1一(8)式中：为方波振幅；为基波角频率。在半桥功率放大器中有：即：=1(VA一2)(2)L—广(9)式中：为自适应可调稳压电源输出的直流电压4仃2R02(c0+c30)+值。经滤波选频后，F点的正弦波的基波电压为：对于金刚石拉丝模超声加工机，换能器的