[发明专利]一种新型拓扑结构的超声功率驱动电源

说明书

技术领域

本发明属于超声换能器驱动电源技术领域，尤其涉及到一种新型拓扑结构的超声功率驱动电源。

背景技术

超声换能器是把超声频率的电能转换成超声能，它的应用包括超声清洗，超声焊接以及超声电机等超声功率设备。工业上对超声功率驱动电源需求越来越大。例如超声电机是一种不同于传统电磁电机的新型电机，有无电磁干扰，可以做到短、小、轻薄等独特的优点，在航空航天、生物医疗、精密工业仪器，机器人等领域有广阔的应用前景。

超声换能器作为一种执行机构，需要良好的驱动装置——超声换能器驱动电源。因为这不仅直接影响到超声换能器的性能发挥，还影响到超声换能器的使用寿命。目前有关超声换能器驱动电源研究很多，涉及到驱动电源的电路结构，超声信号发生器，驱动电源控制方式等方面，并取得一定成绩。结合现有的超声换能器驱动电源研究现状，得出目前超声换能器驱动电源输出级均采用带有变压器的电路结构输出，因此虽然有采用单片机、DSP作为控制器的超声换能器驱动电源，但由于变压器的工作频率限制，超声换能器的输出频率调节范围极小。这影响了频率要求不同的超声换能器的研究，也对超声换能器的实用产生了阻碍作用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种更为先进的，能够扩大驱动电源应用范围的新型拓扑结构的超声功率驱动电源系统。系统采用新型的两级电路作为超声电机驱动电源电路结构，并配合数字控制器作为超声信号发生器和信号处理器的驱动电源，功能实际上超越传统超声功率电源的单一功能，还可以根据实际需要进行超声换能器的控制。两级电路结构与传统的电路结构的超声换能器驱动电源相比，不仅能宽频输出，而且在前级可采用同步整流技术和软开关技术，以及优化固定工作频率的变压器来弥补效率的损失，即可同时两相协同输出给超声电机，也可两相单独输出给其他的超声功率设备，从而扩大了驱动电源的应用范围。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

超声功率驱动电源系统为两级变换结构，即DC-DC与DC-AC。前级DC-DC包含低压直流DC-AC逆变和高频高压整流两部分，低压直流电逆变升压再整流高压直流输出。后级DC-AC采用无变压器半桥拓扑结构，将高压直流逆变直接输出。

前级DC-DC电路的实现：逆变部分，本系统输入电压为12V，输出电压达到几百伏，因此需要升压变压器。考虑高端驱动电路复杂问题，采用了推挽逆变结构驱动信号由控制器提供2路独立的PWM波形，功率MOSFET驱动电路采用了高性能集成驱动芯片，并采用了RCD吸收电路保护功率管。高频高压整流电路采用全桥整流电路

前级DC-DC采用的逐周期电流控制，解决推挽式变压器磁饱和问题。

后级DC-AC逆变电路的实现：为了实现宽频输出，采用前级输出的高压直流作为输入电源，逆变部分采用无变压器的半桥逆变结构，驱动信号由控制器提供，由于超声电机需要两相相位差90°的交流电驱动，因此需要2路相位可调的独立驱动信号。功率MOSFET驱动电路采用双路集成驱动芯片，并利用双路集成驱动的自举技术为半桥高端MOSFET供电。

一种新型拓扑结构的超声功率驱动电源，其特征在于后级2路DC-AC采用无变压器的半桥逆变结构，使电源输出频率很宽，满足驱动不同工作频率超声换能器。

相位检测电路的实现：相位检测电路是为了驱动电源输出频率能跟踪超声电机的谐振频率，因为相位差大小表征了驱动电源的负载是否工作在谐振状态。相位检测电路通过交流电压和电流采样，采样回来的交流信号值在过零点附近经过电压比较器方波输出，再通过与门电路合成一个方波信号，方波宽度能够体现相位差。经过低通RC电路模拟电压输出。

V/F转换电路的实现：V/F转换电路采用专用的V/F转换集成芯片，V/F转换电路以相位检测电路输出的模拟电压作为输入信号，经V/F转换电路处理后转换成数字频率传送给控制器处理。

一种新型拓扑结构的超声功率驱动电源，其特征在于输出交流电频率、相位、电压可调。

本发明的积极效果：