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1、第7卷第4期常州技术师范学院学报Vo1.7,No.42001年12月JOURNALOFCHANGZHOUTEACHERSCOLLEGEOFTECHNOLOGYDec.,2001大功率超声波发生器的设计陈太洪(常州技术师范学院电气信息工程系,江苏常州213001)摘要:本文简要介绍了印花机用的一种特殊开关电源的设计,即1KW超声波发生器的设计,该设计以串联谐振作为主回路,并采用了功率因素校正电路,具有较高的效率和良好的可靠性。关键词:开关电源;串联谐振;功率因素中图分类号:TM44文献标识码:A0引言开关电源是一种高
2、频、高效率的电力变换装置。随着新理论、新技术、新器件的不断出现和成熟,开关电源在重量、体积、效率、用铜用铁及能耗等方面比线性电源有着明显的优势,因此开关电源得到迅速发展,广泛应用于各个领域。1KW超声波发生器是应印花机用户对大功率超声波发生器的需求而研制,选用当今国际上电源界公认可靠性较高的串联谐振电路,采用了PWM调制方式,并且引入功率因素校正电路,具有高效率、高稳定度、高可靠性的特点。1电路概述超声波发生器要求能输出3KV正弦波信号,频率约为33KHz,以便和印花机上的换能器石英晶片相匹配。整个电路设计可以分成
3、图1所示几个部分。图1输入为单相200~240VAC50Hz。通过软起动电路、变压整流、功率因素校正电路、输入滤波电路,得到约?160V的直流电压送到开关电路。收稿日期:2001_05_10;修回日期:2001_09_19作者简介:陈太洪(1972-),男,江苏丹徒人,常州技术师范学院电气信息工程系助理实验师.24常州技术师范学院学报第7卷开关电路将320V直流电压转换成频率约为33KHz的正弦波,然后送给换能器将电能转换成热能。软起动电路使得在交流电加入瞬间,主继电器不会马上吸合,而是在辅助电源延时1秒后再动作,
4、这样可有效抑制浪涌对电路的冲击损害。功率因素校正电路(PFC)的主要功率部件是升压扼流圈,升压二极管及开关管。基本原理是:开关管导通时,电流流过升压扼流圈和开关管,把能量储存于升压扼流圈。开关管断开时,储存的能量试图保持电流流通,开关管漏极电压迅速升高。该电压一旦图2超过了储能电容上的电压,电流就流过升压二极管,把储存在升压扼流圈中的能量转移到储能电容中。输入电压较高时,控制电路使开关管的占空比变大,从而,使电流跟随电压的波形,因此,这种电路能有效地提高电路的功率因素,提高整机效率。PFC原理如图2所示,它接收到辅
5、助电源的信号后,便开始工作。2主回路的设计2.1谐振频率的选择主回路采用全桥串联谐振电路如图3所示。实际上我们采用两组同样的全桥串联谐振电路,各自承担约480W的输出功率,设计分析仅一组为例:谐振频率f0不同于变换器的工作频率fs。在连续电流工作下,谐振频率高时,工作频率也高,通常工作频率总是低于谐振频率,一般常取fs=0.75f0。提高工作频率能使高频变压器和尺寸减小,但同时还应与开关器件的开关特性相适应,工作频率增高,一般开关管的到通时间和关断时间之和应取4~6Ls左右,工作频率不宜图3过高。谐振频率f0选择为
6、33KHz。在三极管关断后,应有足够的时间间隔保证全桥电路不出现连通现象。二极管的最小导到通时间应大于三极管的关断时间(包括储备时间ts和下降时间tf)即AminX0=ts+tf取ts+tf=6Ls3-6Amin=X0(ts+tf)=2@3.14@33@10@6@10=P/2.525=71.3b2.2变换比M的选择在稳压状态下,输出负载为额定值时,随着输入电网电压?10%的波动,A,M的取值也随之改变。输入直流电压E=320V,则最小直流电压Emin=0.9@320=308V,最大直流输入电压Emax=1.1E=3
7、52V,当直流电压最低时,导通角A为最小,M为最大。对应Emin=308V,取Mmax=0.9对应E=320V则有VoVOM===0.9Mmax=0.81EEmin22@0.9在Emax=352V时VOVoMMmin====0.736Emax1.1E1.122第4期陈太洪:大功率超声波发生器的设计25根据Amin=71.3b,Mmax=0.9由22-1(M-1)sinA-1(0.9-1)sin71.3bB=P+tg2=P+tg2=171.6b2M-(1+M)cosA2@0.9-(1+0.9)cos71.3b式中B为
8、开关管导通角2.3额定负载时Q值的选择Z0A(1+M)(1-cosA)2(1+0.9)(1-cos71.3b)Q===RLM(A+B)(M-cosA)0.9@1.35@3.14@(0.9-cos71.3b)2.584Q==1.172.24462.4谐振电路L、C参数的选择Z0X0LX0L2Pf0P0cQ===2=RLRLV0E2G(M#)PO2式中Pc0))
