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大功率超声波发生电路的研究

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大功率超声波发生电路的研究

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2012 年第 20 期 ◇科技论坛◇ 大功率超声波发生电路的研究 王力勇 刘宏亮 (中石油管道局第六工程公司第五分公司 中国 天津 300272) 【摘 要】设计一个大功率超声波功率放大电路,即驱动电路,用于驱动超声波换能器,进行大功率超声波焊接,并对其中一些基本功能电 路进行了软件模拟,模拟出了这些电路的实际工作状态。 【关键词】开关模式;全桥电路;场效应管 1.前 提 1.1 国内外大功率超声波发生电路的研究 国内外大功率超声波发生电路的研究现状,在 20 世 纪 ,随 着 电 子 技术的迅猛发展,超声波逆变电源所用功率器件经历了电子管、晶闸 管、晶体管和 IGBT 共四个阶段。 传统的超声波仪是采用振荡器来产生超声波的,80 年 代 ,改 为 采 用双极型大功率晶体管, 后来又采用绝缘栅双极型功率晶体管 (IGBT),到 90 年代,开关工作频率达到 100KHz。 1.2 课题研究的目的及意义 本课题主要目的是设计一个大功率的超声波功率放大电路,并且 解决以往放大电路输出功率和效率都不高等问题,并为换能器提供能 量,用于超声波焊接。 2.驱 动 电 路 总 体 设 计 思 路 我要进行的工作主要是设计和研究有关超声波功率放大的电路。 功率放大电路主要就是把超声波信号进行放大处理,我们需要设计一 个功率放大电路。 目前出现的开关模式放大电路,是所有放大电路中 效率最高的电路,我们首选此形式,综合考虑,我们采用全桥来实现放 大功能。 变频电路要实现对超声波频率的调节功能,同时要设计出能够控 制变频功能的继电器控制电路,且电路要能够实现至少 5 种以上不同 频率的变换。 调压电路要实现对主电路两端电压的调节功能,要设计出能够实 现电压调节范围为 0~最大输入电压。 3.大 功 率 超 声 波 功 率 放 大 电 路 的 设 计 3.1 基本设计思路 众所周知,放大电路实质上都是能量转换电路。 但功率放大电路 和电压放大电路所要完成的任务不同。 因此,功率放大电路包含着一 系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题: (1)要 求 输 出 功 率 尽 可 能 大 。 (2)效 率 要 高 。 (3)非 线 性 失 真 要 小 。 (4)BJT 的散热问题。 此外,在功率放大电路中,管子承受的电压要高,功率管的损害与 保护问题也不容忽视。 3.2 放大器件的选择 放大器件多用三极管和场效应管来实现。 下面我们来比较三极管 和场效应管的特点: (1)场 效 应 管 的 源 极 s、栅 极 g、漏 极 d 分 别 对 应 于 三 极 管 的 发 射 极 e、基极 b、集电极 c,它们的作用相似。 (2)场 效 应 管 是 电 压 控 制 电 流 器 件 ,由 vGS 控 制 iD,其 放 大 系 数 gm 一般较小;三极管是电流控制电流器件,由 iB(或 iE)控制 iC。 (3)场 效 应 管 栅 极 几 乎 不 取 电 流 (ig 0);而 三 极 管 工 作 时 基 极 总 要吸取一定的电流。 (4)场 效 应 管 只 有 多 子 参 与 导 电 ;三 极 管 有 多 子 和 少 子 两 种 载 流 子参与导电,而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大。 (5)场 效 应 管 在 源 极 水 与 衬 底 连 在 一 起 时 ,源 极 和 漏 极 可 以 互 换 使用,且特性变化不大;而三极管的集电极与发射极互换使用时,其特 性差异很大,b 值将减小很多。 (6)场 效 应 管 和 三 极 管 均 可 组 成 各 种 放 大 电 路 和 开 关 电 路 。 根据以上特点:场效应管不仅有三极管所具有的放大功能,而且 场效应管作为开关电路的优势更为明显,所以把场效应管作为放大器 件是我们的首选。 3.3 放大电路形式确定 开关模式放大器在提高放大器效率上把有源器件作为接通 / 断开 的开关运用,提高了放大器的能量转换效率,我们采用此形式。 3.4 主电路设计 我们研究的是大功率的超声波焊接,需要一个能够实现大功率放 大的功率放大电路,大功率超声驱动电路采用带辅助网络的全桥开关 放 大 器[5].初 步 设 计 电 路 如 图 : 图 3-1 全桥功率放大电路 此电路结构解决了传统零电 压 开 关(zvs)PWM 电 路 变 压 器 漏 感 小 且滞后桥臂难于实现 ZVS 的问题。 在每个场效 应 管 上 反 向 并 联 一 个 二极管, 这个二极管的型号可选为 MUR3020PT 或 FR 系列快速二极 管,主要起保护作用。 然后进行场效应管的选择: 已知输入信号功率为 1KW 超 声 波 ,电 源 电 压 为 220V 交 流 ,可 以 确定其工作的峰值电压: v=220× 姨 2 =311V 平均电流: I=P/V=1000/220=4.55A 峰值电流: (3-1) (3-2) i=I× 姨 2 =4.55× 姨 2 =6.43A (3-3) 求出了峰值电压和峰值电流。 即可确定场效应管的型号,选择时 峰值电压必须加倍选择,峰值电流选择时虽不用加倍,但极限电流也 尽量要大。 根据极限电压和极限电流,可查相应的场效应管型号如下表: 表 3-1 场效应管型号与参数 型号 材料 用途 极限电压 极限电 耗散功 V 流I 率P SSH10N70 NFET 功率放大,开关,增强型 金属氧化物场效应管 BUP304 IGBT 功率放大,开关 IXTH11N1 N- 功率放大,开关,增强型 00(A) FET 金属氧化物场效应管 700 1000 1000 10 150 35 300 11 300 MTH8N90 NFET 功率放大,开关,增强型 金属氧化物场效应管 900 8 180 IXTH11N9 N- 功率放大,开关,增强型 5(A) FET 金属氧化物场效应管 950 11 300 2SK990 N- 功率放大,开关,增强型 FET 金属氧化物场效应管 800 13 180 186 ◇科技论坛◇ 2012 年第 20 期 查场效应管手册得到以上符合极限电压、极限电流标准的场效应 管 , 我 们 首 选 2SK990 作 为 此 电 路 的 场 效 应 管 , 若 没 有 以 上 型 号 , BUK304 也可代替使用。 阻容 RC 电路作用只是滤波, 电阻电容的功率 选 在 1KW 以 上 即 可。 换能器,电感 L 为可变量,不同需求有不同的值。 全 桥 电 路 的 功 率 放 大 功 能 原 理[3]是 :BG1、BG2、BG3、BG4 构 成 了 一 个 全 桥 , 当 BG1、BG4 同 时 被 触 发 导 通 时 , 电 流 i1 经 BG1→换 能 器→电感→BG4 到地。 同理,当 BG2、BG3 同时被触发导通时,电流 i2 经由 BG3→换能器→电感→BG2 到地。 这样两路桥形成一个周期波形 的电压。 由于放大电路在整个正弦波周期内都在工作,所以保证了功 率放大电路的效率,又由于采用了场效应管,散热问题也得到解决。 4.大 功 率 超 声 波 变 频 的 实 现 4.1 变频电路结构设计 4.1.1 设计原理 超声波焊接过程中,需要使用不同频率的超声波,来保证焊缝成 型的均匀和焊接质量的稳定。 为了获得不同频率的超声波, 就要在主电路中设计一个变频电 路。 而改变功率频率 ,要通过改变电感值来实现 。 目前通常采用的是改 变串入电路电感 L 的方法来实现。 图 4-1 变频电路 基本的设计思路如上图, 就是在原始的电路中串联新的若干电 感,并根据调节串入电感的大小来对超声波的频率进行调节。 当需要 不同的超声波频率时,单片机给继电器控制信号,以获得所需要的频 率值。 4.1.2 电感选择 换能器与电感 L 串联形成的谐振电路,其频率就取决于电感 L 与 换能器的等效电容大小。 换能器与电感 L 串联谐振等效电路如下图: 图 4-2 换能器等效电路 那我们首先要知道换能器的电容和谐振频率。 不同型号的换能器 有不同的电容和谐振频率, 我们只能算出某个型号的换能器的 L 的 值。 我们是为了实现大功率超声波的焊接,那就选择相应的换能器作 为参考来算电感 L。 HQU-7070F-15S-2 是一种用于功率超声焊接的换能器, 其谐振 频率为 15kHz,满足我们的要求。 可根据其估算我们的电感 L 值。 根据串联谐振频率公式: f= 1 2π 姨LC (4-1) 可得出: L= 1 (2π×15000)2×17000×10-12 =6.62mH (4-2) 得出电感 L 后,就可以选择合适的电感原件,即 5.96mH≤L≤7.28mH。 因为多个电感串联,主电路中的原始电感要选为调节范围的最下 限,即 L=5.96mH。 起变频作用的电感 L1、L2、L3 的比值为 1:2:4 时调节频率的间隔 最平均,因此我们也采用此比列。 根据以上数值我们就可算出每个调节电感的电感值。 计算过程如 下: Lz=L+L1+L2+L3=7.28mH (4-3) L1:L2:L3=1:2:4 (4-4) 又已知 L 大小,因此求得 L1=0.19mH,L2=0.38mH,L3=0.75mH。 计 算出电感值后选择相应大小的电感元件,串入电路即可。 4.2 变频控制电路 接下来要考虑如何实现电感的变化,我们采用继电器控制电路。 为满足至少有 5 种频率可以调节的要求,一般采用 3 个变频电感 分别控制的方法来实现。 以下就是继电器控制电路的结构图: 图 4-3 超声波变频控制电路 其主要由控制信号输出端、三极管、二极管和继电器组成。 其中, 三 极 管 基 级 上 的 电 阻 的 作 用 是 产 生 压 降 ,9013 (NPN) 型 号 的 三 极 管 可 以满足我们的要求。 继电器需选择一个两个触头的继电器,使电路频率改变,达到超 声波调频作用。 继电器在电路中属于电感性负载, 需在其两端并联一个二极管, 型号多选用 1N4148。 控制端信号输出由单片机控制, 这部分工作由程序编程人员完 成,编出的程序,既要实现以上的变频功能又能实现调频的直观可视 化。 5.大 功 率 超 声 波 调 压 电 路 的 设 计 可控硅是一种新型的半导体器件, 交流调压器多采用可控硅调 压。 我们实现调压功能也是通过可控硅来实现。 5.1 调压电路设计思路 5.1.1 双向可控硅交流调压原理 一只双向可控硅的工作原理,可等效两只同型号的单向可控硅互 相反向并联,然后串联在调压电路中实现其可控硅交流调压的。 我们要调节的是 220V、50Hz 的交流电的电压波形。 在 0~α’时间 内,SCR1 因控制级 G 无正脉冲信号而正向阻断,而 SCR2 则反向不导 通。 在 α’~π 时间内,SCR1 控制级 G 受触发脉冲触发而导通。 将可控硅在正向阳极电压作用下不导通的范围称为控制角,用字 母 α 表示,而导通范围称为导通角,用字母 θ 表示。 显然控制角 α 的 大小,可改变正负半周波形切割面积的大小。 5.1.2 双向可控硅交流调压电路设计思路 (1)电网提供 220V(有效值)50 赫兹电压源,经过电阻降压加到可 控硅控制端 G。 (2)用 单 片 机 作 为 控 制 端 ,设 计 同 步 电 路 , 实 现 单 片 机 对 可 控 硅 调 压的同步相位控制。 (3)单 片 机 对 可 控 硅 控 制 通 过 光 电 耦 合 器 来 实 现 。 (4)双 向 可 控 硅 的 两 端 并 联 一 个 RC 电 路 对 交 流 信 号 滤 波 ,消 除 或减少干扰。 (5)双 向 可 控 硅 并 联 压 敏 电 阻 ,保 护 可 控 硅 。 (6)可 控 硅 控 制 端 并 联 一 个 电 容 ,保 证 正 弦 波 过 零 点 时 , 控 制 端 电 压不至于为零。 按以上要求设计出调压范围在 0~311V 的调压电路。 5.2 调压电路设计 5.2.1 调压电路整体设计 电网电压经过可控硅调压,在再经过整流桥整流接入到全桥功率 放大电路两端。 图 5-1 双向可控硅调压电路 187 2012 年第 20 期 ◇科技论坛◇ 其工作过程是:当单片机控制端(R1 端)输入信号时,发光二极管 流 过 电 流 而 发 光 ,双 向 的 光 电 二 极 管 受 激 发 而 导 通 ,交 流 电 经 由 R2、 R3、双向二极管到达可控硅的控制端 G 端。 5.2.2 主要元器件的作用及其型号选择 控制端输入的是 5V 的直流电压, 因此首先确定光电耦合器的型 号,再通过估算可得出电阻 R1 的大小。光电耦合器由一个发光二极管 (LED)和一个双向的光电二极管组成,通常我们选用的光电耦合器 是 TIL3020 ,主 要 参 数 如 下 : 通态电流 T(RMS)(A):100m; 触 发 电 流 (A ):30m ; 段态重复峰值电压 VDRM(V):400; VTM(A):3; @TM(V):100m; 浪涌电流 ITMS(A):1.2; 隔离电压 VISO(A):3.5k; 工 作 温 度 (℃ )Min :-40 ; 工 作 温 度 (℃ )Max :100。 其他条件我们均可满足,只有通态电流和触发电流需要我们靠电 阻 R1 来降压,我们选择 R1=120 。 双向可控硅 Q1 型号选择为 BCU40GM, 其极限电压为 1000V,极 限电流为 40A 都满足了超倍选择的要求。 双 向 可 控 硅 Q1 两 端 并 联 的 阻 容 电 路 ,由 R4 和 C2 组 成 ,选 择 普 通的型号即可,R4=100 ,C2=0.1μf,400V。 压敏电阻作用是保护双向可控硅,我们选择 MYS 元器件,其标称 电压选在 700V 以上,1000V 一下。 电容 C1 的型号同于 C2,为 C1=0.1μf,400V。 电阻 R2、R3 主要作用是降压,选用的型号为 R2=120 ,R3=56 。 整流桥型号选择主要考虑的问题是其峰值反压 VRRM,根据现有 条件我们选择的是 MB6S 型整流桥。 电 容 C3 作 用 是 滤 波 , 一 般 要 选 电 容 值 为 400μf, 击 穿 电 压 为 450V 以上的型号,也可考虑少数电容并联使用。 5.3 同步电路的设计 5.3.1 设计思路 单片机控制端在实行调压控制时要设计一个与交流正弦电压同 相位的同步电路。 为实现与被控制电路的同步性,同步电路我们也采用 220V、50Hz 的电网电压。 5.3.2 电路设计以及元器件型号确定 根据以上原理设计出了以下同步电路: 图 5-2 同步控制电路 对以上电路在 EWB 中进行了模拟, 证明了我们设计的电路满足 了我们的要求。 下面进行元器件的型号选择: 整流桥型号为 1G4B42,其峰值为 500V,满足我们要求,电阻 R1= 100k , 稳压管选正向压降为 18V 的稳压二极管。 电容 C1 与电阻 R2 构成微分电路,其型号是 C1=0.001μf,R2=100k 。 经 过 微 分 运 算 后 的 电信号加到史密斯触发器上,得到了脉冲方波,把此脉冲信号输入单 片机,就可以实现对正弦交流电源的同步控制。 6.结 论 从以上设计过程以及对电路模拟分析可得出以下结论: (1)大功率超声波放大电路采用 D 类推挽式全桥功率放大电路,是 通过实践证明的大功率超声波最理想的功率放大电路。 (2)采用场效应管代替传统的三极管作为放大元件 ,解决了散热、 耗电、体积、重量以及频率不高等问题。 (3)超声波变频通过改变电路电感值的方法来实现 ,原理简单,控 制思想易懂,更可通过单片机实现程序控制。 (4)调 压 电 路 采 用 的 是 用 的 最 为 广 泛 的 双 向 可 控 硅 调 压 电 路 来 实 现,工作过程稳定,调压范围广,灵敏度高。 科 ● 【参考文献】 [1]超声技术及其应用.互联网. [2]于猛,刘润华,刘静.基于 56F803 型 DSP 的大功率超声波电源 的 研 究.国 外 电 子元器件,2006,4:52-55. ● (上 接 第 129 页 )各类因素是相互作用的,做为中小型房地产企业,要 善于窥测房地产市场的变化,并在变化的市场中勇于决策,才能创造 有利于自我发展的市场。 面对如此巨大的市场需求, 中小型房地产企业应该以何种发展 策略应对才能在激烈的市场竞争中发展壮大呢? 中小型房地产企业 虽然在当前的发展过程中存在着一系列的问题, 面临严峻的挑战, 但其自身的优势也是大型房地产不能完全替代的。 所以中小型房地 产企业应当将有效的发展策略应用于现有的优势中来, 抓住机遇, 营造未来发展的良好局面。 其中品牌化策略是中小型房地产企业发 展的基础性策略,只有提升自身的品牌优势,才能从根本上树立稳 定的行业竞争力。 与此同时,多元化融资对于企业弥补自身的劣势 具有重要作用。 最后,联盟化策略是企业之间共建核心竞争力的新 型选择。 通过以上策略的共同实施对于今后中小房地产企业的未来 的发展具有重要的意义。 (1)品 牌 化 发 展 策 略 。 中小型房地产企业的品牌化发展策略应当从以下几方面进行努力: 第一,精确市场定位。 中小型房地产企业应当结合自身的实际情 况,在房地产行业的市场中找到适合自己的位置,如选择精致小楼盘 开发,或是选择小型商务楼宇建设等,逐步建立品牌优势。 第二,塑造优质产品。 这是与大型房地产企业竞争的关键因素,质 量是品牌的内核,只有持续不断地塑造高质量的产品,才能在品牌上 凸显实力所在。 第三,增强企业管理水平。 科学规划企业所需的管理职能,合理配 置现有的各项资源,实现在有限条件下的高效管理。 第四,制定企业发展规划。 中小型房地产企业必须明确今后的中 长期发展计划,从小范围内进行品牌塑造。 通过规划的实施,可以充分 调动起员工的热情,增强企业的凝聚力,推进品牌建设的力度。 第五,营造良好的客户服务氛围。 中小型房地产企业应当通过客 户的口碑来提升企业品牌。 满意的客户不自然的在各自的圈子里为企 业做免费的宣传,提高了企业的影响力,有利于品牌的形成。 (2)多 元 化 融 资 发 展 策 略 。 在当前融资难度加大的局面下, 中小型房地产企业必须转换思 维,应用多渠道、多元化的融资策略来获得新的生机。 中小型房地产企 业可以同时选择上述一项或多项融资渠道,分散金融风险,增强资金 支持,并在实践中继续开发更多的融资方式。 (3)联 盟 发 展 策 略 。 所谓房地产企业战略联盟是指两个以上的房地产企业出于对市 场的预期目标和企业自身总体经营目标的意愿,采取一种长期性联合 与合作的经营行为方式。 中小型房地产企业之间在保持各自灵活战略 和独立地位的基础上,通过结成联盟共同进行项目开发,有利于弥补 各自的不足,实现资源互补,协作分工,经验共享,最终增强企业竞争 力。 科 ● 【参考文献】 [1] 蔡 鸿 岩 .批 评 万 科 — 中 国 房 地 产 发 展 反 思 .中 国 发 展 出 版 社 ,2009. [2] 彭 大 ,余 晶 晶 .我 国 房 地 产 市 场 的 供 给 需 求 分 析 [J].经 济 师 ,2009,(8). 188

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