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1、41第五章超声电源的电路设计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sf=50Hz；额定输出：功率0P=3kW；频率0f=20kHz左右；压电换能器参数：静态电容：0C=25nF；动态电容：83mCpF=；动态电感：763mLmH=；动态电阻：0R=16。5.1主电路设计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，开关管缓冲电路、高频输出变压器
2、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。VT1D1D2D3D4D5D6C1C2L1D11VT3D33R2R4C11C33D8D9VT2D22VT4D44R3R5C22C44D10D12TFL3L4C8PZTAphaseBphaseCphaseC3D7R1图5-1超声电源主电路原理图Fig.5-1Theschematicdiagramoftheultrasonicpowersmaincircuit三相交流电通过二极管D1D6不控整流，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、VT
3、3、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42根据电路理论，三相交流整流电路空载时输出的平均电压dU最大，则整流二极管D1D6承受的最大反向电压可由公式(5.1)求出，其中abU=380V为电源电压。max2.45538V3abDUU=(5.1)超声电源额定功率0P=3kW，三相不控整流平均输出电压_514VdU=，设整流桥、逆变器和输出变压器的效率都是90%，则整流后输出的电
4、流平均值如公式(5.2)所示：_8A0.90.90.9oodPIU=(5.2)则二极管中流过的平均电流公式(5.3)所示：12.95A1.573oDII=(5.3)为保证安全，二极管D1D6的额定电流应为其平均电流的1.5或2倍，即(1.52)(4.435.9)AVDDII=(5.4)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max21076VVDDUU=(5.5)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1C应满足：()1352TRC(5.6)由公式(5.6)
5、可求出1=2000uFC，则稳压电容1C可选用电容型号为2000uF/1000V的电解电容，小电容2C主要用于滤去高频干扰，根据实际经验，2C可选用1uF/1000V的无感电容。(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=538VdU。考虑到留有一定裕量，选取功率开关管IGBT的额定耐压值21000VVTdUU=，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0.95，基波电流值如公式(5.7)所示：1130006.32(A)cos5000.95oABPIU=(5.7)则留有裕量后，IGBT的额定电流可按照公式(5.8)
6、取为：12217.8AVTII=(5.8)(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型43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LuLdidt=，IGBT的开关时间约为1us，而关断时电流I又比较大，所以Lu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的集电极和发射极之间，如图5-2所
7、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¤twaveformsduringIGBTswitchingoff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：VT1VT3R1R4C1C3VD1VD3VT2VT4R2R4C2C4VD2VD4图5-3RCD型缓冲电路Fig.5-3RCDabsorbingcircuits(1)RCD型缓冲电路的工作原理下面以VT1为例说明RCD型缓冲电路的工作原理，开关
8、管VT1关断时，电流通过二极管VD1直接给缓冲电容C1充电，由于电容两端的电压不能突变，所以在IGBT功率管的关断过程中集电极和发射极间电压Vce近似保持为零，即吸收了关断时的尖峰电压；当VT1开通时，由于二极管的反偏截止，缓冲电容C1通过电阻R1放电，这样可限44制放电电流，减小了开关管的电流应力。(2)RCD型缓冲电路的参数选择RCD的参数选择和IGBT的关断时间St，关断后IGBT集射极间电压SU，关断时输出变压器原边绕组电流SI和开关频率f均有关系，下面将对其进行详细的选型分析。(a)C参数选择为了简化分析，可设在关断过程中SI保持不变，则流经IGBT的电流GSSIItt=线性下降，缓
9、冲电容的充电电流如式(5.9)：(1)CSGSStIIIIt=,0Stt(5.9)IGBT集射极间电压ceU在St时间内上升到SU，则须满足公式(5.10)：102sSSceCStItUIdtUCC=(5.10)由此，可推出缓冲电容的容量如式(5.11)：2SSSItCU=(5.11)缓冲电容容量C越大，则在IGBT关断过程中抑制过电压和电压上升率的效果越好，但随着C增大的同时，缓冲电阻R上消耗的能量也越来越大，除了造成能量浪费之外还将使缓冲电阻的体积变大，最终使得整个缓冲网络的体积过分庞大，因此C的取值要根据实际情况综合考虑。(b)R参数选择缓冲电容C应在IGBT导通时段内充分放电，可认为该
10、段时长为18f，C的放电常数RC=，则应有：184fRC，由此式可推出缓冲电阻的阻值表达式如式(5.12)：132RfC(5.12)若不计IGBT导通损耗，则缓冲电容C中储能完全消耗在缓冲电阻R上，因此，缓冲电阻的功率表达式应为如式(5.13)：212RSPCUf=(5.13)缓冲电阻阻值R越小越有利于缓冲电容充分放电，但R值过小则不能有效抑制电路振荡并增加IGBT开通时的电流应力，而过大则会影响到电容放电，因此R的选型也应根据实际情况综合考虑。(c)D参数选择由于本文所设计的超声电源频率较高，则IGBT关断时间St也很小，而二极管承受电流冲击的能力较强，因此可按照平均电流选择二极管，则有公式
11、(5.14)：1102sVDSCSStIIdtfItT=(5.14)在实际应用中为避免由于二极管过快关断而引起的高频振荡，本次设计中选择了具45有软恢复特特性的高频硅二极管。5.3辅助电源设计辅助电源设计本次设计中所需要的辅助电源有：(1)+15V电源，作为IGBT驱动电源，以及部分保护电路电源等；(2)+12V、-12V电源，为控制系统的模拟集成电路提供电源，如运放等；(3)+5V电源，为控制系统通用集成电路供电；(4)+3.3V、+1.8V为DSP芯片供电(由专用芯片TPS767D318提供)。为了简化设计，提高系统的稳定性，辅助电源中的+15V、+5V、+12V和-12V电源采用以TOP
12、227集成电源芯片为核心的开关电源，本次设计中辅助电源采用反激拓扑结构，这样可以利用副边多绕组变压器产生多路输出的同时只需要一块TOP227芯片，TOP227作为新型三端离线式PWM开关芯片，将开关电源的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在一片芯片上，该芯片具有多种封装形式，本次设计采用的是TO-220封装形式的芯片，它外部只有漏极、源极和控制极三个引脚，使用起来非常方便，而且由于PWM控制器和MOSFET开关管封装在一起，有效地减小了高频辐射，提高了电磁兼容性，具体电路详见附录。5.4驱动电路选型与设计驱动电路选型与设计常用的开关管器件可分为BJT、MOSFET和IGBT三大类，表5-
13、1分别对它们的驱动特性做了分析。表5-1电力电子开关管性能比较Tab.5-1Comparisonofpowerswitches比较项目双极性晶体管VMOS开关管IGBT开关管功率容量中等（2KW）中等（2KW）开关频率低（100KHZ）中（200KHZ）驱动电路简单一般复杂驱动类型电流型电压型电压型因为本次设计的超声电源功率大，而频率相对并不算高。所以IGBT为本次设计最合适的功率器件47，IGBT作为电压控制型器件,可以通过控制其栅极电压来控制IGBT的开通和关断，相对而言，IGBT驱动功率较小，且饱和导通后压降小，但由于IGBT的开关特性和安全工作区域都会随着驱动电路驱动能力的不同而改变，
14、具体如图5-4(a)和5-4(b)所示，所以为降低功耗并保证IGBT的安全工作，设计合适高效的驱动电路就显得很重要48-50。462468102468100/onRmUce/V510152025501001502002500Uce/VIsc/ATm/usTmIsc(a)栅极电压ceU与IGBT导通(b)栅极电压ceU与短路电流scI和电阻onR关系曲线安全短路时间关系曲线图5-4IGBT特性曲线Fig.5-4thecharacteristiccurveofIGBT(1)IGBT驱动电路设计要素为提高电源工作效率，延长开关管寿命，在设计IGBT驱动电路时，必须考虑到以下几个方面：(a)开关动态驱
15、动能力IGBT的栅极间寄生电容较大，在IGBT导通之前先要对该电容充电，只有当栅极电容上的充电电压大于其导通阀值时，IGBT才能导通，因此，驱动电路的驱动能力一定要足够大，这样才能在较短的时间内完成对栅极电容的充电，缩短开通时间，减小开通损耗，此外还应注意的是，为防止由于PCB布线电感和栅极电容所引起的震荡，应在栅极处串联一个合适的栅极电阻。(b)提供正向栅压的能力由于IGBT导通后的饱和压降和栅极电压有关，由上图栅极电压ceU与IGBT导通电阻onR的关系曲线可知，导通电阻onR随着栅极电压ceU的增大而减小，所以，在同样输出功率的条件下，ceU越大，导通时的压降就越小，则器件的通态损耗也越
16、小，因此，为减小导通损耗应尽可能地提高导通时的栅极电压，但是由栅极电压ceU和安全短路时间关系曲线可知，为了保障IGBT具有足够的安全短路时间，ceU的值不应过大，因此一般IGBT的ceU取15V左右。(c)栅极反向关断电压一般而言，当IGBT的栅极电压为零时，IGBT处于关断状态，但为了保证在栅极电路上出现噪声信号时IGBT仍能关断，关断时应在栅极上施加一个反向负压，从另一方面来说，栅极电压在关断时呈现负压也有助于栅极寄生电容放电，有利于IGBT更快的关断，因此，驱动电路在关断时提供负压是必要的。(d)主电路与控制电路电气隔离由于超声电源的逆变器电路上存在高电压和大电流，为保证在主电路出现故障时不至于烧毁整个控制板，必须存在隔离电路将控制电路和主电路隔离起来。(2)1GBT驱动电路的选型与设计47常用的IGBT驱动电路可分为有隔离和无隔离两大类，其中有隔离驱动电路又可分为脉冲变压器隔离和光耦隔离两种51，分别如图5-5、图5-6和图5-7所示。VT1VT2IGBTDR1+15V-15VVcc图5-5IGBT直接驱动电路Fig.5-5Theschematic
