一种用于液体处理的超声波电源及其工作方法与流程

本发明涉及超声电源，具体领域为一种用于液体处理的超声波电源及其工作方法。

背景技术：

1、液体超声处理设备是利用超声波振动对液体及其内部的物质进行均质、破碎、萃取、加速化学反应等方式进行处理的设备，设备可分为两个部分，即超声波电源与超声波换能器。超声波电源的作用是将普通的工频交流电转化为设备所需要的高频电压，从而为超声波处理设备的核心部分——超声波换能器创造工作条件。通过超声波换能器的进一步转化，将电能转换为最后能够使用的超声波机械能。超声波换能器主要有两大类型，即压电式换能器和磁致伸缩换能器。由于它们之间的结构各异、工作原理不同，因而其性能也有较大差别，但在众多科学研究领域都得到了充分应用。而相对于压电式换能器，磁致伸缩换能器种类单一，输出功率小，应用领域也较窄，多为高温环境等特殊场合下使用。如果工作中要求超声波电源能在大范围调节中，保持高而稳定效的输出功率，就需要选择使用压电式换能器作为发生器件。

2、压电式超声波换能器是用来产生超声波振动的器件，实质上是利用压电陶瓷片的压电效应将高频电压转换成同频率的机械振动从而产生超声波。如图1所示，将压电材料做成片状，上下两层涂上银层作为电极，并进行极化处理，在该压电片两电极间加上电场。可能出现两种情况：

3、1、外加电场与压电片极化反向相同。外加电场起到了使压电片的极化强度增大的作用。极化强度的增大，使压电片沿极化方向产生伸长的形变。

4、2、外加电场与极化方向相反。反向电场将削弱极化强度，是的压电片沿极化方向产生缩短的形变。

5、利用这两种现象将外加电场换为交变电场时，压电片就会产生与交变电场同频率的交变形变，从而使压电片两面向外辐射声波。当外加电场频率与压电片固有频率相同产生谐振时，压电片振动最大，声辐射也最强烈。

6、超声设备性能的优劣不仅由换能器性能决定，还由超声波电源等因素决定。超声波电源一般包括整流部分、逆变部分、变压器、匹配电路等组成。超声波电源工作时要求稳定度高、噪声小和功率大。考虑液体中超声波设备的性能和工作情况，因而要求供电电源可靠、纹波小、稳定性好。超声波电源是超声处理设备重要的部件，其性能参数对于整个系统有重大影响，其稳定性决定了超声波输出的稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于液体处理的超声波电源及其工作方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于液体处理的超声波电源，包括全桥全桥整流电路、驱动模块、脉冲变压器及匹配电路，所述驱动模块包括dsp控制模块和多路igbt驱动模块，所述匹配电路为压电式换能器连接电路，所述全桥整流电路的输入端连接外部输电电源，所述全桥整流电路的输出端正负极之间并联有两个滤波电容，整流电源的输出端连接连接多路igbt驱动模块的输入端，多路igbt驱动模块的输出端连接脉冲变压器的输入端，脉冲变压器的输出端通过匹配电路连接压电式换能器，所述dsp控制模块的输入端与脉冲变压器的输出端之间设置降压变压器和霍尔电流检测器一，降压变压器的输入端连接在脉冲变压器的输出端之间，降压变压器的输出端连接dsp控制模块的输入端，霍尔电流检测器一串联在脉冲变压器的输出端与压电式换能器输入端之间，霍尔电流检测器一的输出端连接dsp控制模块的输入端，所述全桥整流电路的输入端上串联有霍尔电流检测器二，霍尔电流检测器二的输出端连接dsp控制模块的输入端，dsp控制模块的输出端连接多路igbt驱动模块的控制端。

3、在其中一些实施例中，所述dsp控制模块包括a/d转换模块、dsp芯片和pwm驱动模块，所述a/d转换模块的输入端分别连接在整流电路的输入端和脉冲变压器的输出端上，通过a/d转换模块采集外部输入电源的电流大小、脉冲变压器输出端的电压大小和电流大小，所述a/d转换模块的输出端连接dsp芯片的输入端，dsp芯片的输出端连接pwm驱动模块的输入端，pwm驱动模块的输出端连接多路igbt驱动模块的控制端。

4、在其中一些实施例中，所述降压变压器的输入端连接在脉冲变压器的输出端之间，降压变压器的输出端连接a/d转换模块的输入端，霍尔电流检测器一串联在脉冲变压器的输出端与压电式换能器输入端之间，霍尔电流检测器一的输出端连接a/d转换模块的输入端。

5、在其中一些实施例中，所述多路igbt驱动模块包括igbt晶体管一、igbt晶体管二、igbt晶体管三和igbt晶体管四，igbt晶体管一和igbt晶体管二的源极连接整流电路的正极输出端，igbt晶体管一的漏极连接脉冲变压器输入侧的一端，igbt晶体管二的漏极连接脉冲变压器输入侧的另一端，igbt晶体管三的源极连接igbt晶体管一的漏极，igbt晶体管四的源极连接igbt晶体管二的漏极，igbt晶体管三和igbt晶体管四的漏极连接整流电路的负极输出端，dsp控制模块的输出端分别与igbt晶体管一、igbt晶体管二、igbt晶体管三和igbt晶体管四的栅极一一对应连接。

6、在其中一些实施例中，所述脉冲变压器的输入端与igbt晶体管二的漏极之间串联有储能电容。

7、在其中一些实施例中，所述匹配电路包括电感和电容，所述电感串联在脉冲变压器的输出端与压电式换能器输入端之间，所述电容并联在压电式换能器输入端之间。

8、在其中一些实施例中，所述霍尔电流检测器二的输出端连接a/d转换模块的输入端。

9、为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种用于液体处理的超声波电源的工作方法，其步骤为：

10、（1）外部输电电源供电至整流电路，通过整流电路输出稳定的直流电源；

11、（2）通过dsp芯片控制多路igbt驱动模块的通断频率运行，实现脉冲放电；

12、（3）储能电容接收igbt晶体管发出的脉冲电源并储能后输出到脉冲变压器；

13、（4）脉冲变压器接收储能电容发出的电源后，脉冲变压器完成电压升压，经过lc匹配电路后产生满足压电式换能器工作的千伏级高压，压电式换能器工作导通后，输出所需高功率的超声波输出；

14、（5）dsp芯片通过ad转换模块和pwm驱动模块实现对整体电路的监控以及对igbt晶体管的驱动；

15、（6）即从输出换能器端采集到电压和电流信号作为电流反馈和电压反馈，同时两种信号经dsp运算处理后，输出功率信号作为功率反馈；随后pwm信号分别进入对应的pwm驱动电路，驱动igbt晶体管进行工作。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、(1)本发明结构简单，通过igbt驱动模块及脉冲变压器设计，能够有效解决超声波换能器的供电稳定性问题；

18、(2)本发明能够实现皮秒级超声波脉冲驱动电源脉宽的调制，采用多路igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动模块并联结构，可满足负载打火或短路故障时产生百安级电流的保护需求；

19、(3)本发明的超声波脉冲电源满足多种供电模式，能够充分应对超声波换能器负载变化等复杂工况，大大提高超声波设备的安全性。

20、本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂，通过本技术的实施例对本技术进行详尽说明和了解。