對200～2000W系列超聲清洗機電源的研究

徐強

[摘 要]本文介紹一種使用MOSFET為變換元件，壓電陶瓷為換能器的超聲清洗機。其變換效率高、空化強度大，并有頻率自動控電路，使電路工作頻率保持最佳。這不僅使機器輸出穩定，而且功率管工作在零電壓和零電流開關狀態，提高了可靠性。

[關鍵詞]MOSFET；換能器；頻率

[中圖分類號]TB55 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-6432（2012）45-0031-03

1 前 言

超聲波在工業和醫療等領域有廣泛用途。其產生方式也有多種。目前，性能較好，使用又方便的一種當屬壓電瓷材料為換能器的超聲源。這種原理早在電子管時代已有使用。如今，電力電子技術和元件飛速發展使電路性能有了極大提高。致使超聲清洗機的應用也更為普遍。使用了超聲清洗，取代了傳統的費力、能耗高、污染嚴重的清洗方法。同時也改善了工人的勞動條件。實為其他清洗方法所不能比擬。

2 換能器應用概術

換能器就是把超聲頻率的電能轉換成聲能的器件。這種轉換過程雖有復雜的機理，但對于制作超聲源來說，主要關心其外特性。換能器的等效電路是一個R、L、C串聯電路，再并以極板電容。在工作頻率比其自諧振頻率低時，整個器件呈容性。我們使用的換能器，自諧振頻率在25kHz左右，而工作頻率約20kHz。故能達到上述要求。欲使換能器輸出足夠的聲功率就得在極板上加以足夠大的聲頻電壓（近2kV）。而極板電容又很大（約5000PF），這就得靠諧振電路來實現。產生20kHz頻率的功率源自然是熟知的逆變電路。為了和換能器匹配，使用了降壓變壓器。

最后，換能器在工作時的諧振頻率，是隨負載情況和溫度變化的。所以，我們研制了頻率控制電路。使電路始終工作在諧振狀態。

3 電路原理

3.1 主電路

主電路采用220V交流直接整流、濾波供全橋逆變器。經變壓器至諧振電感和換能器如圖1。現將各主要部分的工作原理說明如下：

圖1 超聲源主電路原理圖

3.1.1 逆變器

這里使用的是全橋電路。其輸出電壓自然是方波。因為負載是諧振電路，所以負載電流是正弦波。如果忽略變壓器的空載電流，則變壓器的初級電流也近似為正弦波。

當逆變器工作頻率f恰好等于負載諧振頻率f0時，有最大功率輸出。而且4個功率晶管Q1～Q4工作在零電壓和零電流開關狀態。其通過圖1中A點的電流波形如圖2（a）所示。

圖2 全橋電路中的電流波形圖

當逆變器工作頻率f>f0時，如果開始于Q1，Q2通導，電流通過Q1—C2—W1—Q4流通。此種狀態下，在諧振負載中，電流尚未換向，而變壓器初極電壓已經換向（變為Q3，Q4通導）。此時，電流沿D2—C2—W1—D3流通。等到負載電流過零換向后，電流才能通過Q3，Q4。此種狀態下，功率晶體管工作在零電壓開通，但不是零電流關斷。其通過圖1中A點的電流波形如圖2（b）。

當逆變器工作在f

主電路在工作中，由控制電路保證其頻率在f—f0狀態。但有時受電網干擾仍有可能出現瞬間進入f

3.1.2 緩沖電路

緩沖電路在圖1中，就是L1和D5，D6。當發生上述“穿通”時，限制電流過快增長。而“穿通”過后，電感儲能由二極管泄放。

3.1.3 諧振電感

因為換能器極板電容很大，在電能轉換成聲能時。功率因數很低。致使電感中的無功功率很大。所以電感的體積和發熱問題就十分突出。諧振電感對于確定的換能器型號和數量以及確定的工作頻率情況下，有確定的電感量。現在的問題，就是怎樣選擇磁芯截面、線圈匝數和氣隙，使其最合理。根據磁路計算，可以推得如下兩個關系：

（1）對于確定電感量L、匝數N和氣隙情況下，磁通密度B反比于磁芯截面積S。

（2）確定L和S改變N和氣隙，則B反比于N。

總結上二關系，就是保持L不變，而調整氣隙時，有B=K·1NS （1）其中K是常數。這就說明，當選定最大可用磁通密度B﹎ax時，NS=KBMSX=const（2）這就歸結為磁芯截積S和線圈匝數N怎樣折中能使電感體積最小的問題。

3.2 控制電路

3.2.1 振蕩和驅動

電路顯示于圖3振蕩波形由3524產生，這里不用調脈寬，故將“1”腳和“9”腳相連，“2”腳給以固定電平。其輸出脈寬接近最大“7”腳接固定電容。“：6”腳接以由晶體管組成的可調恒流源，即能以電壓控制3524的振蕩頻率。

驅動電路用的是單端變換器。以變壓器次級輸出，再加上適當的柵極電路（圖中略），驅動MOSFET。

3.2.2 頻率控制器

頻率控制的目的，是使振蕩器的振蕩頻率和負載諧振回路的諧振頻率保持一致。我們知道，串聯諧振回路中的電流幅度和相位，都隨頻率而變化。兩者相比，以相位作為鑒別諧振狀態的參數比幅度為好。一則是，在諧振點附近，相位隨頻率變化尖銳。二來，電流幅度隨負載狀態（如漕中水攪動），有明顯變化。所以我們就選用了鑒別諧振回路中電壓和電流相位差的方法，來控制頻率。

圖3 振蕩和驅動電路原理圖

為此，首先從主變壓器次級線圈取出電壓和電流信號。電壓信號來自主變壓器的一個附加次級線圈電流信號取自加在次級線圈上的電流互感器。這種信號取樣方法的最大優點就是電位隔離。

如上取出了電壓信號，是方波。而電流信號則是正弦波。經整形后，和電壓信號一并送入鑒相器。其輸出是正比于電流端后于電壓的相位差。然后，經積分電路，將此相經差變為之成正比的電壓信號。再經放大器，就得到足以控制3524振蕩頻率的電壓信號了。也就是，如果振蕩頻率比諧振頻率高了，電流滯后量就增加，頻率控制電路的輸出電壓就降低。以此信號送至圖3電路的頻率控制端，即可使3524的振蕩頻率降低。而達到控制頻率之目的。

理論上講，只有脈寬為零，才是電壓電流真正同相。實用上，通常是將此脈寬調到足夠窄即可。這樣狀態下，電流相位比電壓稍有滯后。這既保證了電路能工作，又能使之不致進入電流超前的不利狀態，留有余量。

4 電路設計

現以1kW超聲源為例，討論設計方法。220V交流電壓經整流濾波后，約為直流300V。如果變換效率包括諧振電感在內算作80%，則輸入直流電流約為4A。

4.1 電感L1和二極管

電感L1是為防止“穿通”電流過大限流用的。如果“穿通”時間算0.2μs，電流電壓為300V全部加于電感上。在此時間內，電流限值規定為5A。則不難算出，電感L1≈μh，再由充電和放電伏秒數相等的關系，并設放電時間為25西，則放電電壓至少應為2.4V。但實驗表明，用兩個二極管串聯（1.4V）已足夠。這是電路中存在損耗以及二極管存儲時間比假設值小的原因。

4.2 諧振電感L2

我們使用的換器，每個100W。對1KHW機10個換能并聯總電容約為0.05vF。對20kHz的工作頻率，諧振電感便是1.3mH。因為變壓器變比接近4А錨1，而初級電流以輸入的4A結算（忽略波形和效率因素），則次級電流即通過電感的電流為16A。這就確定了導線參數。有了這此數據，只要選定磁芯，就能根據前面的原理由實驗確定磁芯截面積和線圈匝數。例如用MXO—2000材料的E20磁芯，則需14套并用。約2ram氣隙，線圈20匝。如用更好的磁性材料，體積可以更小。

4.3 其他

圖1中的電容C2是抗磁的。主變壓器的變比因換能器的性能不同，可能略有差異，要由實驗確定。內部電路工作用的電源為12V。所有這些，以及主電路整流等均屬一般問題，無須詳述。

5 實驗結果

5.1 電感L2的線圈問題

電感L2的使用中發現，使用常規導線繞制的線圈，在氣隙附近發熱嚴重。經實驗發現這是在氣隙附近，有限強的交變磁場外波，以致在導線中引起渦流的原因。必須使用線徑小于0.2ram的多股導線方可不熱。

5.2 工作頻率的選擇

當大范圍改變工作頻率時，在正常的諧振頻率之上，有時出現多個諧振點。但其電流振幅卻不大。以致頻率控制電路有可能把工作頻率鎖定在某個“小諧振峰”上。為防止此種現象，就得增大電感L2，使工作頻率適當低一些就可以了。

5.3 使用情況

使用文中所述的電路，我們已試生產了200W、600W、1kW、1.5kW和2kW的超聲清洗機。經實驗，其有使用方便、不用調節即能保持功率穩定、能長時間開、空化強度大等優點，經醫院和工廠試用效果良好。