一种大功率高频激励源驱动电路及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电路设计技术领域，具体涉及一种大功率高频激励源驱动电路及其设 计方法。
【背景技术】
[0002] 由于电磁超声具有非接触、无需耦合剂、易实现在线检测，对检测环境要求较低、 可方便激发出多种类型超声波等诸多优点，在管道内检测以及高温，高速等特殊场合金属 缺陷的检测有着广泛的应用。电磁超声具有非接触的特点决定了用来激励电磁超声换能器 的激励源的重要地位，电磁超声激励源采用了 DE类射频功率放大器技术，它是一种利用E 类变换器工作在ZVS的状态同时保留D类变换器的双管图腾柱结构而形成的一种技术。由 于D类变换器工作在"硬开关"模式，损耗大，开关利用率低；DE类功率放大器具备的独特优 势克服了上述缺点，但同时也使DE类变换器的工作过程变得复杂而使得驱动电路的设计 增加困难。激励源要求产生高峰值电流、窄脉宽的电脉冲激励信号；这些电脉冲激励信号能 否良好的输出与激励源的优良性能密不可分，而驱动电路作为激励源设计中重要的组成部 分，直接决定着激励源的高频性能。
[0003] 目前，对于DE类功率放大器高边MOS的驱动多采用自举电容实现，但是自举电容 会因为频率的升高迅速失效，并不具有较好高频特性，尤其应用于管道内检测时，除了需要 考虑激励源的体积等因素之外，对于电路本身的散热、抗干扰能力等方面更需要着重考虑， 同时这也提高了对驱动电路设计方面的要求。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供了 一种大功率高频激励源驱动电路及其设计方法， 目的是为了使驱动电路能更好的适应管道内检测的复杂环境，改善高频激励源的性能，实 现电磁超声激励源的高频驱动。
[0005] 本发明公开了一种大功率高频激励源驱动电路，所述驱动电路包括驱动电路模块 和图腾柱电路；
[0006] 所述驱动电路模块包括信号发生器、隔离模块、第一驱动模块和第二驱动模块，图 腾柱电路包括MOSJP MOS2;所述隔离模块包括第一隔离变压器、第二隔离变压器、光纤隔离 器；所述信号发生器与光纤隔离器相连，第一隔离变压器、第二隔离变压器和光纤隔离器分 别与第一驱动模块和第二驱动模块相连，第一驱动模块和MOS 1相连，第二驱动模块和MOS 2 相连；
[0007] MOS^源极和MOS 2的漏极相连，V 5给MOS挪MOS 2提供直流电压且V 5和MOS满漏 极相连；
[0008] 驱动电路模块的等效驱动电路和图腾柱电路的MOS内部等效电感构成等效电感 回路。
[0009] 所述隔离模块还包括稳压模块、输入电压，所述隔离模块的连接方式为：
[0010] 电容C1连接于第一隔离变压器的输入端+V。和-V ιη之间，电容C 2连接于第二隔 离变压器的输入端+UP -V ιη之间，电容C 3连接于第二隔离变压器的输出端+V _和-V _ 之间，电容C5连接于第一隔离变压器的输出端+VciuJP -Vciut之间，电容C 4一端和第一隔离 变压器的com端连接，另一端和第二隔离变压器的输出端+Vciut连接；稳压模块的输入端IN 与第一隔离变压器的输出端+Vciut相连；稳压模块的输出端OUT与电阻R i相连，稳压模块的 ADJ端连接于电阻&和R 2之间，电阻R 2另一端与接地端-V DR相连。
[0011] 所述第一驱动模块和第二驱动模块结构相同，都包括比较器、驱动器；
[0012] 所述第一驱动模块和第二驱动模块与隔离模块的连接方式均为：
[0013] 信号发生器通过隔离模块内的光纤隔离器的OUT端和比较器的-V1端相连，光纤 隔离器的+5V端和比较器的+5V端都与稳压模块的+5V端相连；比较器的端和驱动器的 IN端相连，驱动器的电源端Vdd和第一隔离变压器输出端+V _相连，驱动器的OUTH和OUTL 相连，驱动器的OUTH和OUTL与第二隔离变压器的输出端+Vciut相连。
[0014] 所述第一驱动模块和第二驱动模块与隔离模块的具体电路连接均为：
[0015] 光纤隔离器的OUT端和比较器的-V1端相连，光纤隔离器的+5V端和比较器的+5V 端都与稳压模块的+5V端相连；此外，光纤隔离器有两个引脚与接地端-Vdr相连；电阻R 4、 电容C7和电阻R 6串联形成闭合回路，公共端+5V连接电阻R 4和电容C 7;电阻R 4和电阻R 6 相连的公共端和电阻R5相连，电阻R 5的另一端和比较器的正向输出端V。相连；电容C 7和 电阻R6的公共端和比较器的正向输入端+V i相连；电阻R 3-端和接地端-V DR相连，另一端 和比较器的负向输入端-V1相连；正向输入端+V i和负向输入端-V i相连；比较器的输出引 脚和接地端-Vdr相连；比较器的端和驱动器的IN端相连；驱动器的电源端V dd和第一隔 离变压器输出端+Vciut相连；驱动器的OUTH和OUTL相连，R 6和R 7组成并联电路，R 6和R 7并 联电路的一端和P-Gate相连，另一端和驱动器的OUTH和OUTL相连；驱动器的GND和接地 端-V dr相连，P-Gate和第二隔离变压器的输出端+V _相连。
[0016] 所述等效电感回路包括由电感L3、电阻R1、等效开关S 1、电阻R2、等效开关S2、电感 L4、L5组成的等效驱动电路和由MOS的栅源极、L s组成的MOS内部等效电感；所述等效电感 回路的连接方式为：从电源正极到电源负极，电感Lp L3、电阻R1、等效开关S1、电阻R2、等效 开关S 2、电感L4、L2依次串联组成闭合回路；电感L 5、L6、Ls、MOS的栅源极、1^依次串联，然 后并联于电阻R 2和等效开关S 2组成的串联电路S 2-R2两端。
[0017] 根据MOS的图腾柱结构，选择第一隔离变压器、第二隔离变压器作为隔离模块，实 现"浮地"的驱动方式。
[0018] 本发明还公开了一种大功率高频激励源驱动电路的设计方法，该方法包括：
[0019] 步骤一、构建权利要求1-5任一项所述的大功率高频激励源驱动电路；
[0020] 步骤二、基于所述的大功率高频激励源驱动电路，根据MOS实际的工作参数，选择 合适的MOS规格；
[0021] 步骤三、由MOS规格相对应的栅源总电荷量与栅源电压关系曲线，选择所需的栅 源电压对应的栅源总电荷量，根据MOS工作频率确定开关时间，通过栅源总电荷量和开关 时间计算驱动电流；
[0022] 步骤四、根据栅源总电荷量、驱动电压和工作频率计算驱动电路的损耗，根据驱动 电路的损耗和驱动电流选择驱动器。
[0023] 所述步骤二包括：
[0024] 根据栅源电压Vss确定驱动MOS i、MOS^最低电压峰值，根据漏源电压V DS确定 MOSpMOSd^最大耐压值；根据导通电阻Rcin确定MOS 1、10&导通电流i sl、is2;根据输入电容 Clss，确定舢51、1052导通时间和关断时间；根据输出电容C _，确定MOSpMOS2的最高工作频 率；根据MOS栅源电压Vss、漏源电压V ds、输入电容Clss，选择MOS规格。
[0025] 所述步骤三包括：
[0026] 选取MOS规格后，由MOS规格相对应的栅源总电荷量与栅源电压关系曲线，选择所 需的栅源电压V ss对应的栅源总电荷量Q 根据MOS ^MOS2的工作频率f，确定MOS pMOS^ 开关时间t = 0. 05Xf ;由公式I = Q(；/t确定驱动电流I。
[0027] 所述步骤四包括：
[0028] 由公式Pd= Q Jdf得出驱动电路的损耗，Vd为驱动电压，根据计算得出的驱动电流 I和驱动电路的损耗Pd选择驱动器。
[0029] 所述驱动器的选择标准为：所选驱动器承受的损耗至少SPd，最大驱动电流至少 为I。
[0030] 当给MOS的栅极电容充放电时，所需充放电时间为整个导通周期的5%，驱动电路 的损耗可根据公式：
[0031] Pd= Q GVdf
[0032] 其中，Qti为栅极总电荷量，V d为驱动电压，f为工作频率。
[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0034] 本发明公开了一种大功率高频激励源驱动电路及设计方法，通过选择第一隔离变 压器、第二隔离变压器，实现大功率高频激励源驱动电路的"浮地"的驱动方式；通过选用光 纤隔离器，实现了信号隔离，光纤隔离器的抗干扰性能好、隔离电压高、信号衰减非常小、高 频性能高，为MOS栅源极提供了稳定的驱动电压；通过设计驱