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
【技术领域】
[0001] 本发明设及超声波电源技术领域，具体设及一种基于碳化娃器件的大功率宽频带 超声波电源及其控制方法。
【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，最大电流捜索谐振频率方法、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 流捜索谐振频率的方法W及锁相频率跟踪方法都必须在一定范围内捜索换能器的谐振频 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。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于公开一种基于碳化娃器件的大功率宽频带超声波电源及其控制 方法。
[0005] 本发明公开一种基于碳化娃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娃器件，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方法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] 本发明的目的可采用W下技术方案实现。
[0007] 基于碳化娃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娃功率场 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W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W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闽管的口极，匹配网络 驱动电路的第二输出端接入匹配网络的第二晶闽管的口极，第一晶闽管的阴极与第二晶闽 管的阳极W及第一电感的第一端相连接，第一晶闽管的阳极与第二晶闽管的阴极W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。
[000引上述超声波电源中，数字控制电路通过匹配网络驱动电路控制匹配网络接入主电 路等效电感的大小，使匹配网络的电感大小与换能器的电容相匹配，达到所需谐振效果。
[0009] 上述超声波电源中，超声波电源对换能器负载具有谐振频率自动识别功能，电源 内部的锁相电路输出脉冲的占空比直接反馈出电源输出电压、输出电流的相位差，电源的 负载是压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器的动态电感值为以动态电容值为C，动态电阻值 为R。
[0010] 上述超声波电源的输出功率IkW-lOkW，超声波电源的频率范围18曲Z-100曲Z。
[0011] 用于上述的一种基于碳化娃器件的大功率宽频带超声波电源的控制方法，具体 是：数字控制电路与DDS电路通讯产生给定的第一频率信号和第二频率信号，第一频率信 号和第二频率信号分别通过驱动电路控制全桥逆变电路输出频率分别为和f2的交流电， 数字控制电路采集全桥逆变电路输出电压频率分别为和f2情况下锁相电路输出脉冲的 占空比〇1、〇2,则全桥逆变电路输出电压频率fi、f,情况下对应的负载阻抗角分别为：
[001引目i=Di*3T (4-1)
[001引目2= D 2*31 (4-2)
[0014]则可得；
[00巧]
【主权项】
1. 基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源，其特征在于包括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（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。
2. 根据权利要求1所述的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源，其特征在 于数字控制电路通过匹配网络驱动电路控制匹配网络接入主电路等效电感的大小，使匹配 网络的电感大小与换能器的电容相匹配，达到所需谐振效果。
3. 根据权利要求1所述的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源，其特征在 于超声波电源对换能器负载具有谐振频率自动识别功能，电源内部的锁相电路输出脉冲的 占空比直接反馈出电源输出电压、输出电流的相位差，电源的负载是压电陶瓷换能器，压电 陶瓷换能器的动态电感值为L，动态电容值为C，动态电阻值为R。
4. 根据权利要求1所述的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源，其特征在 于超声波电源输出功率lkW-10kW，超声波电源的频率范围18kHz-100kHz。
5. 用于权利要求1~4任一项所述的一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源 的控制方法，其特征是：数字控制电路与DDS电路通讯产生给定的第一频率信号和第二频 率信号，第一频率信号和第二频率信号分别通过驱动电路控制全桥逆变电路输出频率分别 为4和f2的交流电，数字控制电路采集全桥逆变电路输出电压频率分别为fJPf^倩况下 锁相电路输出脉冲的占空比DpD2，则全桥逆变电路输出电压频率f\、fV倩况下对应的负载 阻抗角分别为： 0 ： =D3T (4-1) 0 2 =D2* 3T (4-2) 则可得：
实现谐振频率的自动识别，由于超声波换能器负载在工作过程中其谐振频率会产生漂 移，因此在计算出超声波换能器的谐振频率之后，还需要利用变步长跟踪控制方法对超声 波电源的输出频率进行修正，所述变步长跟踪控制方法包括如下步骤：（1)数字控制电路 根据锁相电路反馈的电源输出电压、电流相位差0得到输出电压频率与换能器谐振频率 的差距，设步长切换的相位差参考阈值为当输出电压、电流的相位差时，采用设定 的大步长对换能器谐振频率进行跟踪，当电源输出电压、电流的相位差以<^时，采用设定 的小步长对换能器谐振频率进行跟踪；（2)当电源输出电压超前电流时，按照步骤（1)确定 的步长减小输出频率，当电源输出电压滞后电流时，按照步骤（1)确定的步长增大输出频 率，经过设定的延时后，回到步骤（1)。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于相位差参考阈值(i)与步骤（1)确定的 步长step应满足关系式
其中Krel为大于1的设定安全系数。
【专利摘要】本发明涉及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，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、匹配网络、匹配网络驱动电路、数字控制电路、锁相电路、电压取样电路、电流取样电路、调功控制电路、保护电路、驱动电路、DDS（直接数字频率合成）电路、压电换能器等。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1kW-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变步长频率跟踪数字控制方法。
【IPC分类】H02M5-458
【公开号】CN104811055
【申请号】CN201510190582
【发明人】杜贵平, 罗杰, 温先佳
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月22日