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1、大功率超声波发生电路的研究刘宏亮（中石油管道局第六工程公司第五分公司，天津滨海新区大港，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。首先设计出了以场效应管为主要放大器件的开关模式全桥功率放大电路，然后设计出超声波变频、调压以及同步信号控制电路等功能电路，作为全桥电路的辅助电路，用来实现超声波变频以及调节输入电压等功能。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；变频；调压The Research on High-power ultrasonic Circuit A
2、BSTRACTTo design a high-power ultrasonic power amplifier circuit, driving circuit, Drivers for the ultrasonic transducer for high-power ultrasonic welding. At first we designed a field effect transistor amplifier for the main pieces of the full-bridge switching mode power amplifier circuit, then des
3、igned ultrasonic transduce, voltage regulate and synchronous control signal circuit function circuit, as a full-bridge circuit auxiliary circuit, which can be used for ultrasonic transduce and input voltage regulating function. We were also using the software to simulate the function of some of the
4、basic circuit, simulated these circuits actual working condition.Key words: switching mode；full-bridge circuit；field effect transistor；transduce；voltage regulate第1章 前提1.1 国内外大功率超声波发生电路的研究1.1.1 超声波的发展史超声学，作为一门研究声音以高于人耳闻域的上限频率（18KHz）传播时的规律的学科，以不算是新鲜课程了1,2。加尔顿（Galton）早就意识到超声波的存在，他在1883年在研究人耳对声谱的感知极限时所用
5、的那只哨子，可以说是最早的人造超声波换能器之一。继加尔顿的工作之后的30年里，超声学一直保持着鲜为人知的其特性；超声学的发展由于当时电子技术的进展不足而受到了限制。因此，当压电效应和磁致伸缩效应被发现时，并没有被用于制作有用的超声器件。作为19141918年战争经验的结果，人们对超声学的兴趣逐渐显现出来。在法国，郎之万发明了石英晶体换能器，用来在水中发射、接收频率较低的超声波，结果表明这为探测潜艇和水下通讯提供了一种有效的手段。战后，电子学领域迅速发展，到了1925年，皮尔斯（Pierce）用石英晶体管和镍制做的发射、接收超声波换能器已经将频率拓展至兆赫兹的范围。在此期间，德比（Debye），
6、希尔斯（Sears）、刘卡斯（Lucas）和比奎德（Biquard）分别通过各自独立的研究工作发现了超声衍射栅。自此利用超声波来研究液体和气体的声学特性的工作便稳步地开展起来了。30年代，又开展了对固体特性的超声波研究工作。1934年，索科洛夫（Sokolov）在苏联首次发表了讨论超声探伤的著作。在两次世界大战期间，人们做了许多关于高强度超声波发生器的研究工作，这些高强度超声波发生器包括超声哨、多孔笛以及电火花隙装置等。在此期间，1927年是重要的年头，这一年哈特曼（Hartmann）和特尔（Trolle）展示了他们研制的超声哨的每一个细节，该超声哨可以在流体中产生比、并传播功率高达50W的超
7、声波。直至第二次世界大战，才为其发展提供了应用场所。伯格曼（Bergmann）在其超声学一书中对于这方面的早期工作作出了出色的论述，这本书被公认为超声学领域的经典著作。源于雷达技术的脉冲方法的采用，使得超声波的应用范围拓展了许多，而且在战后的岁月里，超声技术被广泛的用于材料的无损检测、医学诊断，以及各种各样的测试设备和控制设备之中。同时，人们也认识到了高强度超声波的其他一些潜在的应用前景，比如超声清洗、超声乳化、超声钻孔以及种种对材料进行超声波处理的应用。60年代，随着新材料、新技术的发现，随着微波技术的发展，人们已经可以产生频率高达100GHz的超声波。现已表明，这种超声波在物理学、通讯及计
8、算机技术等领域的基础研究中起着非常重要的作用。1.1.2 国内外大功率超声波发生电路的研究现状超声波电源给超声波换能器提供超声频交流电信号，其实现电路又称超声波驱动电路，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2。近年来在电路设计中使用了新型电路拓扑结构和新型功率器件，超声波电源的可靠性、负载适应性、产品一致性得到进一步提高，同时效率也大大提高，产品的体积也随之减小。传统的超声波仪是采用振荡器来产生超声波的，并且采用电子管作为功率器件。其缺点是体积庞大、笨重、热损耗较大、无功功率大。20世纪80年代，改为采用双极型大功率晶体
9、管，开关工作频率常用20KHz。后来又采用绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT），工作电压和工作电流定额（既单晶容量）明显德增大了。到20世纪90年代，由于功率场效应管MOSFET的技术进步而被广泛采用，开关工作频率达到100KHz。近十年来，超声波电源采用高频率开关交流电源技术，内部集成各种芯片或大规模集成电路实现对带宽频率的动态控制，其发展趋势必然是高效率，作为电源，效率是重要指标之一。效率高，发热损耗小，散热容易，才容易做到大功率超声波和强功率振动。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，即超声波换能器驱动电路，并且解决以往放大电路输出功率和效率都不高
10、等问题，使超声波的实际使用率大大提高。并为换能器提供能量，用于超声波焊接。第2章 驱动电路总体设计思路大功率超声波发生电路包括大功率超声波的发射电路和大功率超声波的驱动电路，发射电路研究的是超声波发射问题，而驱动电路研究的是关于大功率超声波功率放大的问题。我要进行工作的就是设计和研究有关超声波功率放大的电路。功率放大电路主要要做的工作就是把超声波信号进行放大处理，然而传统的功率放大电路的效率都很低，如甲类只有50%，乙类不过也只有78.5%，因此提高放大电路的效率是我们需要解决的问题。我们需要设计一个功率放大电路，使放大的效率尽可能的达到最高，使输出的功率尽可能最大。目前出现的开关模式放大电路
11、，其特点是放大效率高，理论放大效率可达100%，实际放大效率也可达到90%以上，是所有放大电路中效率最高的电路，因此是我们的首选放大电路形式。开关模式放大电路中用于大功率放大的首选就是桥式的放大电路。桥式功率放大电路包括全桥和半桥放大电路，其中全桥放大电路原理简单，实现容易，是大功率超声波功率放大电路中用的最多的一种形式，因此考虑首先采用全桥来实现放大功能。此外，大功率超声波驱动电路还需要实现变频、调压等基本功能，因此还要设计超声波变频电路、调压电路等功能电路。变频电路要实现对超声波频率的调节功能，同时还要设计出能够控制变频功能的继电器控制电路，并且设计出的电路要能够实现至少5种以上不同频率的
12、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。变频电路和调压电路要实现控制功能通常要采用单片机来实现，这部分工作不是我们研究的范围，暂不予考虑。第3章 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。【3】从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小
13、）的主要输出功率，通常是大信号状态下工作，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，这些问题是：（1） 要求输出功率尽可能大为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。（2） 效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，因此可以考虑使用交流电源。（3） 非线性失真要小功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免的会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率较大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。（4） BJT的散热问题在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结
14、温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热问题就成了一个重要问题。此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高。通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以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，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制i
15、C；3 场效应管栅极几乎不取电流（ig0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高；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，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管；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，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽
16、等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。根据以上特点比较，不难得出结论：场效应管不仅有三极管所具有的放大功能，而且其它特点都优于三极管，不仅解决了散热、耗电、体积、重量等问题，也满足了我们功率放大的要求，且场效应管作为开关电路的优势更为明显，它的工作频率超过20KHZ，完全超过了双晶体管工作的限制。功率MOSFET管向电源设计者提供了一种高速、大功率、高耐压的器件， 高增益，几乎不存在存储时间，不会有热击穿等优点。所以在大功率超声波发射电路，把场效应管作为放大器件是我们的首选。3.3 放大电路形式确定选择了放大器件，下面要确定我们所应采用的放大电路的具体形式。传统的A（甲）类、B（乙）类、C（甲乙）类放大器是把有源器件(例如晶体管为讨论对象)作为电流源工作。在这些放大器
