超聲功率源功放模塊的設計與研究

摘要：目前，水污染日益嚴重，新型水處理技術愈發得到重視，其中超聲水處理技術操作簡單、降解速度快、不產生二次污染，極具發展潛力。隨著超聲工程材料以及電力電子技術的發展，超聲水處理過程中用來驅動換能器高效工作的功率源正朝著智能化、數字化和高可靠性的方向發展。超聲功率源系統分為功率放大、匹配網絡和系統控制3個模塊，現對采用D類功放形式的功率放大模塊的設計進行簡單研究，主要包括主回路拓撲結構設計、開關管選型、驅動電路和電源電路設計。

關鍵詞：水污染;超聲功率源;功率放大;驅動電路

0 ? ?引言

功率放大電路是一種能量轉換電路。高頻功率放大器的主要功能是在允許的失真范圍內放大高頻信號，為負載提供盡可能大的功率。功率放大不僅要實現對前級產生的高頻信號的放大，放在整個超聲功率源系統中還需考慮到要和后級的匹配網絡實現阻抗匹配。因此，功率放大模塊的設計對于系統的穩定工作有著重要意義。

1 ? ?功率放大的工作原理

常見的模擬放大電路有A類、AB類、B類、C類、D類功放電路，各種功放電路的特點及比較如表1所示。

A類、AB類和B類放大器在非線性失真和實際功率方面存在著部分缺陷，C類放大器輸出波形嚴重變形，D類放大器的優勢比較明顯。

D類功率放大器功放管工作在開關狀態，理想情況下，導通時內阻為零，功放管沒有功率損耗，截止時，內阻無窮大，電流又為零。D類功率放大器的開關原理能夠將脈沖控制信號放大，具有效率高的特點，而且體積和重量相對同功率的線性放大器大為減少。對用于水處理的超聲電功率源，D類功放滿足了其高功、高效、高頻、寬帶、智能的要求，已成為目前使用最為普遍的方式。本設計功率放大電路亦選擇了D類放大形式。

2 ? ?功放電路拓撲結構與功率開關管的選擇

D類功放主回路常見的3種電路形式為半橋式、推挽式和全橋式。

（1）半橋逆變電路結構簡單，成本低，相對推挽式逆變電路，開關管耐壓要求可以降低為一半，但輸出功率更大;相對全橋逆變電路，耐壓要求一樣。其缺點是電源利用率較低，會出現半導通區，開關損耗大;為避免兩管直通，需加入死區控制。

（2）推挽式逆變電路與半橋逆變電路類似，其缺點是輸出端需要原邊帶有中心抽頭的變壓器，開關管比全橋電路少用了一半，但器件承受電壓也增加了一倍，適用于原邊電壓比較低的場合，在220 V交流設備中一般很少使用。

（3）全橋逆變電路需4個開關管，兩組開關管輪流導通。優點是電路參數比較對稱，輸出的線性度比較好，輸出功率大，適合于輸入電壓比較高的場合，功率管通過的電流小，可采用成本較低的功率管，工作效率高，開關管耐壓要求低。缺點是功率損耗比較大，驅動電路較復雜，會出現半導通區，可能出現上下管直通狀態，需要死區控制。

本設計逆變主回路輸入電源由220 V市電直接整流濾波得到，考慮到工程實際，本系統選擇既便于擴展、成本較低，又能實現系統功能要求的半橋式逆變回路為功放主回路。

關于功率開關管的選擇，半橋逆變主回路需選用N溝道的MOSFET。根據本設計要求，結合市場上功放管的供應情況，本系統最終選用MOSFET管功率開關IRFP460。

3 ? ?驅動電路的設計

本系統中IRFP460對柵極驅動的要求主要有：

（1）開關速度需要足夠快。

（2）為避免IRFP460誤導通，在關斷時，需提供一定的負偏電壓提高其抗干擾能力。

（3）為保證IRFP460的可靠開通，應使驅動電壓高于IRFP460的開啟電壓，通常取10～15 V。

本設計采用SG3525芯片來產生頻率為10～500 kHz的PWM信號，如圖1所示。

MOSFET管的導通電壓是10～15 V，但是從SG3525出來的信號電壓峰值很小，因此在SG3525后端加入一個乙類互補功率橋式放大電路，將前級的信號放大到12 V，并保持頻率不變，得到一個±12 V的PWM波，最后通過脈沖變壓器分成兩路加到兩個MOSFET管上。乙類互補功率放大電路及波形如圖2所示。

本設計采用的是橋式電路，具體電路如圖3所示。

因為SG3525需要12 V穩壓電源供電，并且在放大電路中也需要12 V的電源。為此，設計了一個12 V和5 V的穩壓電源，其電路如圖4所示。

4 ? ?功放逆變主回路電源設計

逆變主回路直流電源由220 V工頻交流市電經整流濾波后得到，大約為300 V，原理如圖5所示。設計時主要應考慮整流橋的選擇。

整流橋額定電流經計算應為輸出電流的3～10倍。選擇常用整流橋GBU2510，其額定電壓為1 000 V，正向連續電流是25 A，能夠滿足電路要求。在設計中還加入了保險絲，其額定電流是4 A，防止因電路的短路而燒壞元器件。

5 ? ?功放逆變主回路電路設計

由上分析可知，本系統功放逆變主回路為半橋形式，選擇變壓器隔離（一路輸入、兩路輸出），功放逆變主回路實際應用電路如圖6所示。

R101和R102的作用是抑制驅動時的浪涌電流和誤觸發，一般取值較小，本設計取值是22 Ω的繞線電阻，且實際電路中應盡量靠近柵極。R105和R106主要作用是防止靜電損壞MOSFET管，常取10 kΩ或5.1 kΩ阻值電阻。另外，MOSFET管應保證足夠的散熱，可使用散熱片及散熱風扇，復雜點可加上溫度保護電路。實際工作時，應先對驅動電路加電，后對主電路加電。

6 ? ?結語

超聲功率源是超聲水處理系統的核心設備，一臺性能穩定、智能化的超聲功率源對提高廢水處理效率、解決實際廢水處理難題具有十分重要的意義。本次著重分析了超聲功率源功率放大模塊及其驅動電路的設計，對廣大的科技工作者而言，對超聲水處理的機理研究和參數優化，能進一步提高處理效率，降低能耗，使這一新型水處理技術在實際廢水處理中得以廣泛使用，還有很多工作要做。

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收稿日期：2021-04-12

作者簡介：季清（1990—），男，江蘇靖江人，助理工程師，從事計量工作。