基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及超声波电源技术领域，具体涉及一种基于碳化硅器件的大功率宽 频带超声波电源。
【背景技术】
[0002] 超声波电源通常称为超声波发生源，它的作用是把电能转换成与超声波换能器相 匹配的高频交流电信号。超声波电源的负载通常是压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器存在 静态电容，压电陶瓷换能器在工作过程中，其谐振频率点将发生漂移，因此，超声波电源必 须具备跟踪超声换能器谐振频率的能力。
[0003]目前，常用的超声波电源频率跟踪方法有，最大电流搜索谐振频率方法、锁相频率 跟踪方法、匹配网络调节法。匹配网络调节法的控制精度要受最小投切电感的影响，最大电 流搜索谐振频率的方法以及锁相频率跟踪方法都必须在一定范围内搜索换能器的谐振频 率，从电源启动到稳态需要花费大量的计算周期来寻找换能器的谐振频率，系统从启动到 稳态的过渡时间较长。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型目的在于公开一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源。
[0005] 本实用新型的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源及其控制方法， 其所使用的开关管均为碳化硅器件，具有能耗低，频率高等优点，电源系统具有自动识别换 能器负载谐振频率的功能，然后利用变步长跟踪对换能器谐振频率进行跟踪修正，保证负 载处于谐振状态，系统具有较短的过渡时间。
[0006] 本实用新型的目的可采用以下技术方案实现。
[0007] 基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源，其包括PWM整流电路、直流斩波调 功电路、全桥逆变电路、主变压器、电压取样电路、电流取样电路、匹配网络、匹配网络驱动 电路、压电换能器、保护电路、调功控制电路、驱动电路、DDS电路、锁相电路和数字控制电 路；PWM整流电路、全桥逆变电路及直流斩波电路均采用了宽禁带器件碳化硅功率场效应 管作为功率开关；PWM整流电路的输入端接入市电，其输出端接入直流斩波调功电路的输 入端，直流斩波调功电路的输出端接入全桥逆变电路的输入端和电压取样电路的输入端， 全桥逆变电路的输出端接入主变压器的初级输入端，主变压器的次级输出第一端接入匹配 网络第一电感的第二端以及压电换能器的第一端，主变压器的次级输出第二端接入电流取 样电路的第一输入端，压电换能器的第二端与匹配网络第二电感的第二端以及电流取样电 路的第二输入端相连接，数字控制电路的输入端接锁相电路的输出端，数字控制电路的第 一输出端接入DDS电路的输入端，DDS电路的输出端接入驱动电路的输入端，驱动电路的输 出端接入全桥逆变电路的驱动端，数字控制电路的第二输出端接入匹配网络驱动电路的输 入端，匹配网络驱动电路的第一输出端接入匹配网络的第一晶闸管的门极，匹配网络驱动 电路的第二输出端接入匹配网络的第二晶闸管的门极，第一晶闸管的阴极与第二晶闸管 的阳极以及第一电感的第一端相连接，第一晶闸管的阳极与第二晶闸管的阴极以及第二电 感的第一端相连接，电流取样电路的输出端和电压取样电路的输出端分别接入调功控制电 路的第一输入端和第二输入端，保护电路的输出端接入调功控制电路的输入端，保护电路 的输入端接电流取样电路的输出端，调功控制电路的输出端接入直流斩波调功电路的驱动 端，电流取样电路的输出端接入锁相电路的第一输入端，驱动电路的采样端接入锁相电路 的第二输入端，驱动电路采样端输出的电压信号作为锁相电路的电压反馈。
[0008] 本实用新型与已有技术相比具有以下优点：
[0009] 本实用新型所提出的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源与传统的 超声波电源不同，传统的超声波电源采用M0S开关管或者IGBT开关管，其工作频率受电源 输出功率限制，传统的超声波电源频率跟踪方法需要在一定频率范围内搜索超声波电源的 谐振频率，需要耗费大量的计算周期，系统的过渡时间较长。
[0010] 本实用新型所提出的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源使用宽禁 带碳化硅器件，电源输出的频率受功率影响较小，可以满足大功率，高频率的需求，并且电 源系统具有谐振频率自动识别的功能，通过在不同输出频率条件下的两次采样，经过计算， 即可基本得出换能器负载的谐振频率，采样过程只需要花费两个采样周期，与传统的频率 跟踪方法相比，具有过渡时间短，动态响应快的优点。
【附图说明】
[0011] 图1是基于碳化硅的超声波电源构成示意图。
[0012] 图2是基于谐振频率自动识别和变步长跟踪控制的一种实例控制流程图。
【具体实施方式】
[0013] 以下结合附图和具体实施，对本实用新型作进一步的详细叙述。
[0014] 本实用新型公开的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源如图1所示。 基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源，其包括PWM整流电路1、直流斩波调功电路2、 全桥逆变电路3、主变压器4、电压取样电路、电流取样电路、匹配网络、匹配网络驱动电路、 压电换能器、保护电路、调功控制电路、驱动电路、DDS(直接数字频率合成）电路、锁相电路 和数字控制电路；PWM整流电路、全桥逆变电路及直流斩波电路均采用了宽禁带器件碳化 硅功率场效应管作为功率开关；PWM整流电路的输入端接入市电，其输出端接入直流斩波 调功电路的输入端，直流斩波调功电路的输出端接入全桥逆变电路的输入端和电压取样电 路的输入端，全桥逆变电路的输出端接入主变压器的初级输入端，主变压器的次级输出第 一端接入匹配网络第一电感L1的第二端以及压电换能器的第一端，主变压器的次级输出 第二端接入电流取样电路的第一输入端，压电换能器的第二端与匹配网络第二电感L2的 第二端以及电流取样电路的第二输入端相连接，数字控制电路的输入端接锁相电路的输出 端，数字控制电路的第一输出端接入DDS电路的输入端，DDS电路的输出端接入驱动电路的 输入端，驱动电路的输出端接入全桥逆变电路的驱动端，数字控制电路的第二输出端接入 匹配网络驱动电路的输入端，匹配网络驱动电路的第一输出端接入匹配网络的第一晶闸 管THY1的门极G1，匹配网络驱动电路的第二输出端接入匹配网络的第二晶闸管THY2的门 极G2,第一晶闸管THY1的阴极K1与第二晶闸管THY2的阳极A2以及第一电感L1的第一 端相连接，第一晶闸管THY1的阳极A1与第二晶闸管THY2的阴极K2以及第二电感L2的 第一端相连接，电流取样电路的输出端和电压取样电路的输出端分别接入调功控制电路的 第一输入端和第二输入端，保护电路的输出端接入调功控制电路的输入端，保护电路的输 入端接电流取样电路的输出端，调功控制电路的输出端接入直流斩波调功电路的驱动端， 电流取样电路的输出端接入锁相电路的第一输入端，驱动电路的采样端接入锁相电路的第 二输入端，驱动电路采样端输出的电压信号作为锁相电路的电压反馈其中PWM整流电路、 直流斩波调功电路与全桥逆变电路所使用的功率开关器件均为宽禁带碳化硅器件，电源的 开关频率、变换效率、功率密度及可靠性均有显著提升，输出功率lkW-10kW，频率搜索范围 18kHz-100kHz。电源采用了基于谐振频率自动识别的改进型变步长数字控制方法。锁相电 路可以反馈出电源输出电压、电流的超前滞后关系以及电源输出电压、电流的相位差，数字 控制电路通过锁相电路反馈的相位信息，经过内部编写好的算法计算，可以对电源输出交 变电压的频率进行控制，使输出交变电压的频率能够快速、准确的跟踪上换能器负载的谐