一種功率超聲換能器驅動電路設計

曹建軍， 張興潔， 師 柱

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司， 四川 成都 610000； 2.哈爾濱工程大學， 黑龍江 哈爾濱 150009；3.哈爾濱電機廠有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150000)

功率超聲利用換能器產(chǎn)生低頻(60 kHz以下)超聲波，聲波在物體中傳播，在固體內產(chǎn)生機械效應和剪切效應，在液體內產(chǎn)生空化效應，從而改變物質的結構和狀態(tài)，加速其發(fā)生改變，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，減少環(huán)境污染，廣泛應用于清洗[1]、機械加工(研磨、拋光、孔加工等)[2-5]、焊接[6-8]、冶金(礦石粉碎、礦物分離等)、環(huán)保(廢水處理、除垢、脫硫、滅菌和材料制備等)[9-10]、醫(yī)療(治療白內障、體外碎石)[11]以及農業(yè)等領域，具有廣闊的應用前景。

功率超聲換能器按照其工作原理可分為兩類，即壓電換能器和磁致伸縮換能器。壓電陶瓷材料的導熱能力較差，致動性能受壓電材料居里點的限制[12]，連續(xù)工作性能差，功率不能做的很大，難以滿足功率超聲大功率、連續(xù)工作的需求。磁致伸縮換能器功率大、強度高、導熱能力強、居里點高、性能穩(wěn)定、可連續(xù)工作，在功率超聲領域的應用日益廣泛。

目前，基于模擬元器件的超聲換能器驅動電路逐漸被淘汰，集成度高、功能強、受環(huán)境影響小、性能穩(wěn)定的數(shù)字式驅動電路成為主流，出現(xiàn)了DSP、單片機或FPGA為核心控制單元的數(shù)字式驅動電路，其中，DSP驅動電路精度高、集成度高、存儲空間大、效率高、可靠性高、價格適中，具有明顯優(yōu)勢。

1 磁致伸縮換能器等效電路

換能器等效電路如圖1所示，R0是由于鐵芯的渦流損失和磁滯損失導致的渦流損耗電阻和磁滯損耗電阻，L0是不考慮損耗電阻換能器線圈的電感，Ld是分布電感，Cd是分布電容，Rd是動態(tài)電阻。R0遠遠大于其它2個支路的等效阻抗,計算時忽略不計。

當換能器處于諧振狀態(tài),

(1)

(2)

此時，超聲波電源輸出功率為

P=U0I0cosφ

(3)

換能器的輸出電壓與電流存在相位差，可串聯(lián)合適的電容對相位進行補償，使換能器工作在純電阻性狀態(tài)。串聯(lián)電容的值可由公式(4)確定

(4)

此時，電路的阻抗模

(5)

相位補償后的等效電路如圖2所示。

圖1 磁致伸縮換能器等效電路 圖2 補償后的換能器等效電路

2 超聲換能器驅動電路設計

超聲換能器驅動電路主要由高壓直流電源電路(+412 V)、DSP電源電路、功率放大電路、輔助電路等組成部分。高壓直流電源電路和DSP電源電路如圖3和圖4所示。

圖3 高壓直流電源電路

圖4 DSP電源電路

高壓直流電源產(chǎn)生+412 V的直流電，給功率放大電路提供電源如圖5所示，全橋逆變電路采用自動相位控制方式， DSP發(fā)出指令控制功率驅動器IR2113S，控制信號為方波信號，頻率與換能器正常工作所需基頻頻率一致，占空比為50%；IR2113S驅動Q1、Q2、Q3、Q4(IGBT，GP50B60)，從而將高壓直流電源電路提供的+412 V高壓直流電轉換成與DSP控制指令同頻率(12 kHz)的交流信號驅動換能器工作 。

功率放大電路由兩個橋臂組成，兩個橋臂不會同時導通，存在180°相位差。每個橋臂由兩個IGBT構成，這兩個IGBT成180°相位差互補導通。工作時，正半周：Q1和Q4導通，Q3和Q2截止，電流由+412 V的直流電源正極經(jīng)Q1、換能器匹配電路、Q4到電源負極；負半周：Q3和Q2導通，Q1和Q4截止，電流由+412 V的直流電源正極經(jīng)Q3、換能器匹配電路、Q2到電源負極。逆變電路必須保證正半軸時Q1和Q4導通、Q3和Q2截止，負半周時Q3和Q2導通、Q1和Q4截止。若Q1、Q3或Q2、Q4同時導通，則會產(chǎn)生短路，導致IGBT損毀。IR2113S 可對兩個輸入信號之間產(chǎn)生合適的延時，保證加到同一橋臂上的兩個IGBT的驅動信號之間有一定互鎖時間間隔，避免兩個IGBT同時導通并發(fā)生短路。

圖5 功率放大電路

換能器輔助電路如圖6所示，DSP發(fā)出控制信號(與全橋電路的控制信號和Q7的控制信號頻率相同)經(jīng)光耦6N137傳給驅動柵極驅動器IR2102S驅動半橋逆變電路，將主電源提供的直流電壓轉換成方波信號，方波信號經(jīng)過濾波，轉換為正弦信號，正弦信號經(jīng)半波整流電路(D10)進行整流后經(jīng)高頻變壓器(H1)提供給換能器電路。通過控制Q7的導通與截至實現(xiàn)充放電，正半周時，DSP輸出高電平，光耦4N35導通，管腳6(發(fā)射極)接通+12 V電壓，驅動柵極驅動器IR4428S工作， IR4428S經(jīng)管腳7(OUTA)控制Q7導通，逆變電路產(chǎn)生的電信號對BL1充電；負半周時，DSP輸出低電平時，4N35截至，Q7截至，逆變電路對換能器不起作用。

圖6 換能器輔助電路

3 結 語

本文對磁致伸縮換能器等效電路進行分析、對換能器輸出電壓與電流的相位差進行補償，并給出了相位補償后的等效電路，求出了換能器的諧振頻率。完成了基于DSP的換能器驅動電路設計、包括高壓直流電源電路(+412 V)、DSP電源電路、功率放大電路、輔助電路等，對電路的工作原理進行研究，分析了電路的工作過程，對設計的換能器驅動電路進行實驗和應用。試驗結果表明，驅動電路可24 h連續(xù)工作且工作可靠、效率高，能夠滿足振動時效等場合的應用。