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大功率超声电源的改进
作者：白生娟 张小凤
来源：《现代电子技术》2014年第19期
摘 要： 将集成式D类全桥电路引入超声电源中，采用IR2110芯片驱动MOSFET构成全桥式逆变主电路，实现逆变降压和输出电压控制。驱动电路以脉宽调制电路为核心，运用555芯片产生三角波信号，并将产生的三角波信号转化为不同偏置的两路三角波信号；然后分别与相应端口输入的正弦波信号进行比较调制，得到两路 PWM 波，提高了电路的动态响应并实现频率的可调性。
关键词： 超声电源； D类功放； PWM； IR2110
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）19?0147?03 Improvement of high power ultrasonic power supply BAI Sheng?juan， ZHANG Xiao?feng
（College of Physics and Information Technology， Shannxi Normal University， Xi’an 710062， China）
Abstract： In order to realize the inversion step?down and output voltage control， the integrated class D whole bridge circuit is introduced into ultrasonic power supply， and IR2110 chip is used to drive MOSFET and form the main circuit of full bridge inverter. In the driver circuit， the pulse width modulation circuit is taken as the core， 555 chip is used to generate triangular wave signal and the triangular wave signal is converted into two triangular wave signals with different bias， which will be compared with the sine wave signals from corresponding ports to implement modulation respectively and get two way PWM waves， so as to improve the dynamic response of the circuit and realize the adjustability of frequency.
Keywords： ultrasonic power supply； class D power amplifier； PWM； IR2110
近些年，随着机械振动、电力电子技术的飞速发展，功率超声电源的应用愈来愈广泛，对功率超声电源的研制也提出了越来越高的要求。在超声加工过程中，振动系统的温度、刚度、静载荷、加工面积、工具磨损等因素的变化，使得系统的固有频率发生漂移，这就要求超声电源要具有频率自动跟踪功能；同时为保证加工质量和保护超声系统，要求电源具有根据负载调整输出功率的功能[1?5]。本文提出了一种新型超声电源的研制方案，系统采用PWM技术提高超声电源的动态响应，实现输出频率的可调性，从而为大功率超声换能器的应用提供性能优良的超声波电源。
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1 系统框图与工作原理
超声波电源系统一般由整流电路、高频逆变电路、驱动电路、匹配网络、换能器、功率稳定和频率跟踪电路及相关的信号处理电路组成， 如图1所示。
220 V市电经整流电路产生直流电压，再经DC?DC产生需要的电压值，提供给高频逆变电路， 以得到满足功率要求的高频电压；高频逆变电路是超声波电源的核心，采用全桥式网络结构；匹配网络使超声波发生器输出效率最高，并向换能器输出额定的电功率， 使电路工作在谐振状态；驱动电路产生特定频率的信号，推动逆变电路中功率管工作；频率跟踪电路提供频率反馈信号，在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，使换能器工作在最佳状态；换能器将超声波电源输出的电信号转化为机械能输出[1]。
高频逆变电路的全桥网络结构中最重要的元件是4个场效应晶体管，结合IR2110芯片的优点，根据功放电路高频率、大功率、小型化的要求，再将电路设计、调试的难易程度和成本等考虑在内，选择IR2110芯片来驱动MOSFET非常合适。驱动电路信号较为常见的是方波信号，本文将提供一种新的驱动信号——PWM波驱动，PWM控制电路的一个特征是提高电路的效率和动态响应。 2 PWM产生电路
针对超声换能器对驱动电源功率和频率的要求，将通常所用的方波驱动改进为脉宽调制波（Pulse Width Modulate，PWM）驱动，以提高超声电源的动态响应，实现输出电压和电流的可调性。PWM波的形成方式如图2所示。 2.1 正弦波产生
为适应不同频率的换能器，需要正弦波信号的频率可调，本实验所选用的正弦波发生电路如图3所示。
该电路采用±15 V供电，通过[VR3]可调整输出正弦波的峰峰值。只要U1A的放大倍数满足大于1的条件，电路即可产生振荡。电路的最高输出频率取决于[C1，][C2，][VR1，][VR2]选频网络的值和运放的响应频率。要想实现输出频率的连续调节就必须同时改变[VR1，][VR2]的阻值。理论上如不考虑运放的响应频率，改变[VR1，][VR2]可使振荡频率工作在0.7～60 kHz左右。
2.2 三角波产生电路
三角波产生电路如图4所示，采用555芯片构成三角波产生电路，对电容[C1]的线性充放电获得三角波。利用Q1，Q2和[R2]构成恒流源对[C1]实现线性充电，利用 Q3，Q4和[R3]构成的恒流源实现对[C1]的放电。电容[C1] 上的三角波经U2同相跟随器输出。电路中电容[C1]一般选用漏电流很低的聚苯乙烯电容[6]。
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电路工作原理如下：接通电源瞬间，555芯片的Q脚输出高电平，二极管D3截止，D4导通，从而D2也截止，D1导通，电源[VCC]通过[Q1，][Q2，][R2，]D1对电容[C1]恒流充电；当[C1]上电压达到[23VCC]时，555芯片的输出发生翻转，即Q脚输出低电平，D3导通，D4截止，从而D1也截止，D2导通，电容[C1]通过D2，[Q3，][Q4，][R3]恒流放电，直到[C1]电压等于[13VCC，]电容又开始充电。如此循环，则[C1]上可以得到线性度良好的三角波，输出加一级电压跟随器，以提高带负载能力。 2.3 PWM波产生
PWM波产生电路如图5所示。
整个电路分为两部分，前半部分电路用于产生一定频率和偏置的三角波；后半部分电路首先把前半部分产生的三角波信号变为不同偏置的两路三角波信号，然后分别与P端口处输入的正弦波信号进行比较调制，得到满足以上要求的两路PWM波。
设三角波的频率为[ft，]周期为[Tt；]正弦波的频率为[fs，]周期为[Ts。]正弦波在一个周期[Ts]内，分别与频率为[ft、]偏置电压不同的两路三角波进行比较调制，即两路三角波分别调制正弦波的正半周部分和负半周部分。当正弦波与高偏置的三角波调制时，得到的调制波在前[Ts2]内是矩形脉冲波形，在后[Ts2]内是高电平；与低偏置的三角波调制时，得到的调制波在前[Ts2]内是高电平，在后[Ts2]内是矩形脉冲。这样采用H桥型驱动电路，则功率开关器件的开关频率就降低为[ft2。]开关频率减少了一半，能够减少开关损耗，提高功率放大器的效率。 经过实际比较各种运放，发现NE5532单电源供电时的效果比其他运放效果要好，因此运算放大器芯片选用NE5532。电位器[RV1，][RV2，][RV3]的选取，虽然只起到分压的作用，但要选的合适，不能太大也不能太小，经调试，取10 kΩ的数量级比较合适。电容[C1]在电路中起积分的作用，因此电容的型号选取决定了三角波的波形的质量，最好选用聚炳乙烯电容。U3为反相器，使B点和C点输出的波形相位相反。比较器U4，U5选用双比较器芯片LM393，其正常工作电压可以低到2 V，且功耗小，驱动能力强。
根据仿真结果可以看出，当正弦波与高偏置的三角波调制时，得到的调制波在前[T2]内是矩形脉冲波形，在后[T2]内是高电平；当正弦波与低偏置的三角波调制时，得到的调制波在前[T2]内是高电平，在后[T2]内是矩形脉冲，且两路PWM波完全互补。 3 功放电路
采用H型桥式的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出特性，并可减少干扰[7?9]。如图8是基于IR2110芯片设计的半桥功放电路，在[VCC]端口处输入一路PWM波，在对应的另外半桥输入互补的另外一路PWM波。
在H桥中，桥臂上的4个场效应管（Q4，Q5，Q14，Q15）相当于4个开关。P型管在栅极为底电平时导通，高电平时关闭；N型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。由于场效