磁致伸縮換能器驅動電路設計

褚明學　榮憲偉

摘 要：文章針對磁致伸縮換能器和工業管道結垢的特點，研制了磁致伸縮換能器驅動電路設計。文章提出的系統由電源電路、STM32信號發生電路、IGBT驅動電路及逆變電路組成。磁致伸縮換能器和文章設計的驅動電路組成的系統在實際工業現場中，取得了良好的除垢效果。

關鍵詞：PWM；IGBT驅動；半橋逆變

1 磁致伸縮換能器的應用背景

磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料及線圈組成的。磁致伸縮材料是一種新型功能材料，具有比壓電材料高數十至數百倍的磁致伸縮應變值，并且有輸出功率大、微秒量級響應速度、工作頻帶寬等優異特性，因而廣泛地應用于電子機械、辦公自動化裝置、儀器儀表、減振降噪系統等領域。

用磁致伸縮材料制成的換能器具有以下優點：（1）具有較高的能量轉化效率，在靜磁場下，磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮應變是鎳的30倍或PZT（壓電換能器）的3-5倍，在諧振的情況下，比靜態應變還要高出數倍；（2）具有非常快的響應速度，磁致伸縮材料響應時間小于1μs，器件的響應時間主要取決于驅動電路信號的頻率，約為10μs左右；（3）具有性能穩定特性，一般說來磁致伸縮材料的居里溫度較高，不會出現高溫極化現象，而且使用磁致伸縮材料制作的換能器可以在較低電壓下工作，不容易出現PZT換能器的高壓擊穿故障；（4）具有寬頻帶響應特性，工作頻率范圍可以從幾十赫茲到幾十千赫茲。

由于磁致伸縮換能器具有以上特點，因此在工業管道除垢領域得到了廣泛應用。在國外磁致伸縮換能器驅動電路比較成熟，特別是俄羅斯、日本及歐美已經廣泛應用于工業除垢領域，現階段國內磁致伸縮換能器驅動電路主要存在功率小，頻率固定不可調等問題。文章設計的驅動電路解決了功率小，頻率不可調等問題，與磁致伸縮換能器組成了工業管道除垢裝置具有無污染、不需要拆卸、操作方便簡單、可在線工作等優點，具有廣泛的應用前景。

2 磁致伸縮換能器的驅動電路設計

2.1 STM32信號產生電路

文章驅動IGBT（絕緣柵型晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistor）的信號是由STM32f103zet6來完成的，STM32f103zet6是意法半導體公司生產的一款32位單片機，該芯片具有精度高，成本低廉，功耗小，性價比高，可以高達512K的數據存儲能力，A/D轉換速度更快更精確等優點。它具有72MHz的高速處理能力，7個DMA控制器，2個12位ADC，多達16路的PWM（脈寬調制，Pulse-Width Modulation ）輸出等功能，文章使用它產生兩路互補帶死區的PWM信號，并且通過按鍵可以改變PWM信號的頻率（頻率在5k-30k），數碼管的作用是顯示當前的頻率。

2.2 IGBT的驅動

文章使用IGBT作為換能器驅動電路的功率元件，是因為其具有耐高壓及大電流特性，高輸出功率滿足了換能器對大能量的要求。因為IGBT大多數情況下應用于高壓、大功率場所，所以整個控制電路與驅動電路在電位上需要完全隔離。隔離的方法一般有兩種。第一種是采用光電耦合器進行隔離。優點是：體積小、結構簡單、應用方便、輸出脈寬不受限制，缺點是：共模干擾抑制差、響應時間較長、不適用于高頻情況下，并且輔助電源需要相互獨立隔離。第二種是采用變壓器進行隔離。優點是：響應時間短，具有較好的共模干擾抑制效果，缺點是：信號的傳輸會受到磁芯飽和特性的限制、制作工藝復雜。

文章設計的IGBT驅動電路采用第二種方方法，其中Q1～Q4組成變壓器初級驅動電路，工作原理為Q1、Q4和Q2、Q3的輪流導通，將驅動信號加至變壓器T1的初級，變壓器的次級通過電阻R1、并聯的二極管與IGBT的柵極相連，R1、R2的作用有兩個：（1）防止IGBT柵極開路。（2）提供充放電回路。為了提高IGBT的開關速度，在R1上并聯了加速二極管。過高的柵射電壓可能導致擊穿柵極，因此在柵極端加了穩壓管VS1、VS2，目的是限制加在IGBT柵極電壓。

2.3 IGBT半橋逆變

因為磁致伸縮換能器中的高頻線圈需要通交流電，所以文章需要將直流電轉換成交流電來驅動換能器。文章采用了IGBT半橋逆變，與IGBT全橋逆變相比具有電路簡單，成本低優點。電路的工作過程大體可分為三個階段：第一階段：IGBT-1導通，IGBT-2關斷，此時線圈兩端的電壓為母線電壓的一半，電流方向由A到B。第二極端：IGBT-1關斷，IGBT-2關斷，此時沒有電流。第三階段：IGBT-2關斷，IGBT-2導通，此時線圈兩端的電壓基本上也為母線電壓的一半，電流方向由B到A，通過三個階段的工作把直流電轉換為交流電。為了滿足加載負載上的流過的正向電流和反向電流一樣，選擇電容C1，C2時量滿足C1=C2。

圖1是流過負載L1的仿真波形圖。從圖中可知電流的峰值大約為0.48A，其中直流電壓VCC為200伏、C1和C2的值為220μF，L1為100Mh，驅動信號的頻率為10K。

2.4 電源

文章所需要的電源有：STM32工作所需的3.3V直流電源，驅動IGBT所需的30V直流電源和半橋逆變所需的200V直流電源。3.3V直流電、30V直流電及200V直流電都要經過變壓器變壓，全橋整流和LC濾波。圖2是產生直流200V的電路圖。

3 結束語

文章實現了應用于工業管道中的磁致伸縮換能器的電路設計，輸入電壓為交流220V，功率100W，該裝置具有輸出功率大、驅動信號頻帶寬、適應性好（頻率可調）等特點。由該驅動電路和磁致伸縮換能器組成的工業管道中除垢裝置，取得了良好的除垢效果。

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