新型超声波发生器电源设计方案 本文关键词：发生器，超声波，设计方案，电源
新型超声波发生器电源设计方案 本文简介：一种新型超声波电源的设计方案摘要：解决超声波发生器电源要求高功率、高精度问题，是超声波发生器设计中的基本问题之一，为此，我们采取移相全桥式IGBT串联谐振电路，以IGBT绝缘栅双极晶体管其基本包装为三个端点的功率级半导体元件，其特点为高效率及切换速度快，设计为功率开关器件，噪音低，热耗小，转换效率高
新型超声波发生器电源设计方案 本文内容：
一种新型超声波电源的设计方案
摘要：解决超声波发生器电源要求高功率、高精度问题，是超声波发生器设计中的基本问题之一，为此，我们采取移相全桥式IGBT串联谐振电路，以IGBT绝缘栅双极晶体管其基本包装为三个端点的功率级半导体元件，其特点为高效率及切换速度快，设计为功率开关器件，噪音低，热耗小，转换效率高，达到较好的清洗效果。
导语：随着社会的进步和发展，超声波清洗机在各个领域的应用范围越来越广，在各种电子、机械、光学等零部件的加工和处理过程中的应用技术完善。但以前的超声波清洗机大多存在噪声大、效率低等缺点。为此，采用全桥移相式串联谐振电路拓扑，以IGBT绝缘栅双极晶体管为功率开关器件，研制成功某型便携式超声波清洗机。它具有热耗小，转换效率高，噪音低，清洗效果好等特点满足超声波清洗等操作的需要，具有实际应用价值。
一、超声波清洗机电源主电路和工作原理
IGBT绝缘栅双极晶体管为近数十年发明产物，第一代IGBT绝缘栅双极晶体管产品于1980年代与1990年初期，但其切换速度不快且开关截止时易产生拴锁现象与二次崩溃现象，第二代IGBT绝缘栅双极晶体管产品便有很大的进展，第三代IGBT绝缘栅双极晶体管产品为目前主流，其切换速度直逼功率级MOSFET的速度，并且在电压电流容量上有很大的进步。基于绝缘栅双极晶体管为主要核心的超声波清洗机电源设计是IGBT应用领域的拓宽和发展。
1、超声波清洗机电源主电路拓扑原理
我们这台超声波清洗机电源的主电路设计方案，是采用全桥移相式串联谐振电路拓扑方式，以IGBT绝缘三双极型功率管为功率开关器件，主要原理见图1：
IGBT绝缘三双极型功率管为功率开关器件的等效电路拓扑见如下图2：
二、超声波清洗机电源电路的等效关系：
图2中R0和C并联电路是将负载超声波换能器组的阻抗归算到变压器初级的等效阻抗里综合计算。其等效关系式如式（1）及式（2）所示：
（1）、R0=n2RL
（2）、C=CL/n2
上述式中：RL——超声波换能器组等效电阻；
CL——超声波换能器组等效电容；
n——输出变压器初次级匝比。
三、超声波清洗机电源的工作原理
工作时序波形图如图3所示。图中ugs1、ugs2、ugs3、ugs4和iL分别是S1、S2、S3、S4的控制栅极波形和电感L的电流波形。
LC谐振频率调谐在开关工作频率fs，
Fs=（3）
注意：在设计上应一般略低于超声波换能器的谐振频率fc。
从工作时序波形图我们可以看出，这种采用全桥移相式串联谐振电路拓扑结构设计方案，使得四个功率开关管轮流导通和关断，在这里，由于是串联谐振电路和有电感L的续流作用，实现了软开关，减小了功率开关管的导通和关断损耗，提高了整机效率。
四、绝缘栅双极晶体管电路设计参数
（1）变压器
磁芯：EE28A；
初级：65匝，多股并绕（10A）；
次级：100匝，多股并绕（10A）。
（2）超声换能器组7个，梅花型并放排列方式。
谐振频率：28kHz；
输出功率：1kW。
（3）电感L
磁芯：EE28A；
电感量：350μH。
（4）吸收电路截止放电型。
R：270Ω/6W；C：47000pF/1000V。
（5）功率开关管1MB60D100，4只
（6）开关工作频率28kHz，可调谐式。
（7）全桥整流管20A/600V。
五、超声波清洗机电源实验结果
采用图1所示的拓扑电路和图3所示的控制波形，调整电感使调谐电路工作频率为26.8kHz（略低于28kHz），实测电路中的电流iL波形见图3:
如上图所示，iL波形基本上是正弦波，这样，在工作期间，开关管和吸收电路、散热器均不发热。
在电路调试过程中，应该着重注意控制驱动的调节问题，监控谐振的反应。如果调谐不当，则会使控制驱动波形和谐振不同步，电路输出功率减小，而且如开关管元器件发热较为严重。
六、结语
综上所述，采用全桥移相式串联谐振电路、以IGBT为功率开关器件设计的超声波电源具有许多优点。实践证明，配合适当型号的清洗槽和清洗液，其清洗效果好、可靠性高。该电源的推广应用将会在采用超声波清洗的各行各业中发挥更大的作用。
七、附录：
1、IGBT
简介：
IGBT(Insulated
Gate
Bipolar
Transistor)，即绝缘三双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合、全控型电压驱动式电力电子器件。广泛应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。这种晶体管结合了MOSFET的高电流单栅控制特性及双极性晶体管的低饱和电压的能力，在单一的IGBT器件里，会透过把一个隔离的场效应管（FET）结合，作为其控制输入，并以双极性晶体管作开关。
2、用途和特征
绝缘栅双极晶体管其基本包装为三个端点的功率级半导体元件，其特点为高效率及切换速度快，为改善功率级BJT运作的工作状况而研制。其特点是IGBT结合了场效晶体管闸极易驱动的特性与双极性晶体管耐高电流与低导通电压压降特性，IGBT通常用于中高容量功率场合，如切换式电源供应器、马达控制与电磁炉。大型的IGBT模组可以应用于数百安培与六千伏特的电力系统领域，其模组内部包含数个单一IGBT元件与保护电路。
八、参考文献
1、张占松.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1999.
2、陈国呈编著。PWM变频调速技术
机械工业出版社
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3、李强：变频器的现状及未来的大功率IGBT模块的发展
电子工业出版社
2008，2
3、周飞成：IGBT保管、使用、选择时的技巧
《电子世界》2008，4
4、安志明：IGBT
模块应用指南
《南方机械电子》2009，1
5、周海霞：IGBT在大功率斩波中问题的探讨
《电气与自动化控制.2008,10
6、马明强：研究快速检测IGBT元件自损坏的方法
《电气与自动化技术研究》
2009，2