基于DSP的大功率数字化超声波逆变电源_第五章超声电源的电路设计.pdf

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1、第五章超声电源的电路设计本章对除DSP控制系统以外的超声波电源电路进行了分析设计和参数选择，包括主电路、缓冲电路、驱动电路和辅助电源的设计。本次设计的超声波电源基本参数和要求如下：额定输入：三相380V交流电；频率f=50Hz；s额定输出：功率P=3kW；频率f=20kHz左右；00压电换能器参数：静态电容：C=25nF；动态电容：Cp=83F；动态电感：0mLm=763H；动态电阻：R=16Ω。m05.1主电路设计主电路作为超声电源的功率电路部分，起着将三相工频交流电源转换为单相超声频电源的作用，它由整流滤波电路，逆变器电路，开关

2、管缓冲电路、高频输出变压器和换能器匹配网络五部分构成，根据第二章的分析，本次设计的超声波电源主电路采用全桥拓扑结构，具体结构如图5-1所示。L1D22D10R2D1D3D5VT1D8VT2R3D11C22R1C11AphaseC2C1BphaseCphaseC3D7D12R4D9D44R5VT3VT4C33D2D4D6C44D33TFL3C8L4PZT图5-1超声电源主电路原理图Fig.5-1Theschematicdiagramoftheultrasonicpower’smaincircuit三相交流电通过二极管D1~D6不控整流

3、，电感L1，电容C1、C2稳压滤波后，转换为直流电压源，由IGBT开关管VT1、VT2、VT3、VT4构成的全桥逆变器再将此直流电压转换为单相超声频交流电，送交高频变压器TF输出到由L3、L4和C8构成的T型匹配网络上，最终在换能器回路中形成超声频电流，该电流将激励换能器中的压电晶体产生同频的超声机械振动，从而完成整个电声转换过程。(1)整流二极管选型41根据电路理论，三相交流整流电路空载时输出的平均电压U最大，则整流二极管dD1~D6承受的最大反向电压可由公式(5.1)求出，其中U=380V为电源电压。abUabU=×=2.455

4、38V(5.1)Dmax3_超声电源额定功率P=3kW，三相不控整流平均输出电压Ud=514V，设整流桥、0逆变器和输出变压器的效率都是90%，则整流后输出的电流平均值如公式(5.2)所示：PoI==8A(5.2)o_Ud×××0.90.90.9则二极管中流过的平均电流公式(5.3)所示：1IoI=×=2.95A(5.3)D1.573为保证安全，二极管D1~D6的额定电流应为其平均电流的1.5或2倍，即II=×(1.5~2)=(4.43~5.9)A(5.4)VDD考虑到电网波动等各种不利因素，二极管的耐压应为其最大反向电压的两倍，即

5、UU=×2=1076V(5.5)VDDmax因此，参考公式(5.4)和(5.5)，可选择额定电压为1200V，额定电流为10A的二极管。(2)稳压滤波电容的选型为满足平滑交流电的需要，稳压电容C应满足：1TRC1≥()3~5(5.6)2由公式(5.6)可求出C=2000uF，则稳压电容C可选用电容型号为2000uF/1000V的11电解电容，小电容C主要用于滤去高频干扰，根据实际经验，C可选用1uF/1000V的无22感电容。(3)功率管IGBT的选型IGBT所承受的正向电压值就是前端整流器的输出电压Ud，Ud空载时最大，其值为U=

6、538V。考虑到留有一定裕量，选取功率开关管IGBT的额定耐压值dUU=≈21000V，由于超声波电源的负载处于谐振状态，功率因数较大，这里取值为VTd0.95，基波电流值如公式(5.7)所示：P3000oI==≈6.32(A)(5.7)1Ucosφ5000.95×AB1则留有裕量后，IGBT的额定电流可按照公式(5.8)取为：II=××=2217.8A(5.8)VT1(4)开关管缓冲电路的选型本次设计中的缓冲电路起着保护开关管安全工作，并实现全桥逆变器软开关的重要作用，它的设计方法在下一节中详细阐述。(5)高频变压器和匹配网络的选

7、型42高频输出变压器和匹配电路的参数计算已在第四章中说明，此处不再赘述。5.2IGBT的关断缓冲吸收电路一般而言，PCB布线不可避免的会产生一定的布线电感L，因此当功率开关器件关断时会产生自感电压u=Ldidt，IGBT的开关时间约为1us，而关断时电流I又比较大，L所以u是一个很大的尖峰电压，该电压与直流母线电压相叠加后施加在IGBT的集电极L和发射极之间，如图5-2所示，如果尖峰电压太大，则可能在叠加后超出IGBT的安全电压范围，从而损坏功率开关器件。图5-2IGBT关断时电压电流波形Fig.5-2Thevoltage&curr

8、entwaveformsduringIGBTswitchingoff由以上分析可知，为了保护IGBT并减小开关损耗，需要对IGBT设置缓冲电路。本文中选用RCD型缓冲电路，原理图如图5-3所示：VD1VD2R1R2VT1VT2C2C1