來源：電力電子技術(shù) 作者：秦雯 劉燕等

    1引 言

    大功率超聲波裝置除用于工業(yè)清洗外，還在醫(yī)療、軍事、石油換能器技術(shù)，以及海洋探測與開發(fā)、減噪防振系統(tǒng)、智能機器人、波動采油等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。超聲波裝置由超聲波逆變電源和換能器組成。近年來，由于新型稀土功能材料的開發(fā)和研制成功，使制造大功率超聲波換能器成為可能，但與之配套的高頻正弦逆變電源產(chǎn)品尚為少見。目前，市場上的大功率正弦逆變電源均為采用igbt制成的中低頻產(chǎn)品[2]，而高頻逆變電源大多數(shù)是方波電源或占空比可調(diào)的脈沖逆變電源。因此，高頻大功率正弦逆變電源已成為超聲波應(yīng)用的瓶頸，使得對該電源的研制已成為急待解決的問題。這里，應(yīng)用混合脈寬調(diào)制(hybrid pulse width modulation，hpwm)控制技術(shù)，采用mosfet并聯(lián)運行方式，應(yīng)用單片機組成智能控制系統(tǒng)，對高性能、大功率正弦超聲波逆變電源的研制進行了研究。

    2 系統(tǒng)構(gòu)成

    用于高性能、大功率正弦超聲波的逆變電源，其頻率為25khz，功率為4．5kw。電壓要求在0～200v之間可調(diào)，頻率要求在10～25khz之間可調(diào)。

    2．1 方案的設(shè)計

    圖1示出該逆變電源的系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖[3]。它由ac／dc和dc／ac兩大部分組成。包含有交-直-交主電路、驅(qū)動電路、單片機控制系統(tǒng)、低通濾波器、顯示及保護等主要環(huán)節(jié)。

    主電路由220v市電直接供電。單相交流電壓經(jīng)晶閘管恒流恒壓控制模塊將交流轉(zhuǎn)換為直流，為逆變器提供恒定的直流電壓。

    為了使逆變能得到性能和波形比較好的正弦輸出，需要有較大的載波比。由于其載波信號將達400～600khz，因此只能選用mosfet作為開關(guān)器件。但是，mosfet的輸出功率較小，為了增大輸出功率，可采用mosfet并聯(lián)運行的方式來解決高頻與大功率間的矛盾。

    逆變部分采用頻率恒定的三角載波信號與輸入的正弦波進行異步調(diào)制。控制方式采用hpwm技術(shù)．將直流電壓逆變成一系列等幅的脈沖信號。其脈沖信號的幅度和脈寬始終與調(diào)制正弦波成正比。這些脈沖信號經(jīng)低通濾波器將高頻載波信號濾除后．即可得到與調(diào)制波同頻的正弦波輸出。因此只要改變輸入的調(diào)制波，就可容易地實現(xiàn)幅度可調(diào)的變頻正弦波輸出。

    2．2 單片機控制系統(tǒng)

    該電源采用專為控制逆變器設(shè)計的80c196mc單片機作為逆變的控制核心[4，5]。80c196mc單片機內(nèi)部的波形發(fā)生器wfg，占用cpu時間非常短．可由p6口直接輸出4路pwm信號用于逆變器的驅(qū)動。由80c196mc和eprom2764構(gòu)成最小微機系統(tǒng)．將完成超聲波頻率和電壓大小的給定．以及載波頻率的設(shè)定，并模擬輸出單極性正弦波恒幅脈寬調(diào)制hpwm信號�？蓪崿F(xiàn)電壓幅度和頻率的顯示．以及電源的保護控制。

    2．3 逆變主電路及hpwm控制方式

    在高頻下運行時，功率管的開關(guān)損耗極大．器件易于損壞，限制了功率的提高。該電源的關(guān)鍵技術(shù)難題是在高頻條件下，如何得到大功率的變頻正弦波輸出。即逆變器的難點是如何降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，使du／dt及di／dt應(yīng)力大為下降，以實現(xiàn)高頻逆變。為了達到這些目的。逆變主電路采用了易于實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的單相全橋拓撲結(jié)構(gòu)．在控制方式中采用了hpwm控制方式。圖2示出逆變器的主電路拓撲。圖3示出4個開關(guān)管的驅(qū)動信號及逆變器的輸出信號。

    hpwm控制方式的實質(zhì)仍屬于單極性spwm控制方式。逆變橋輸出端得到的是三態(tài)輸出電壓波、形。在輸出電壓的正半周，正弦調(diào)制波與三角載波交／截產(chǎn)生的脈沖信號控制vs1和vs3橋臂高頻互補通斷；控制vs2和vs4橋臂低頻互補通斷，即vs2關(guān)斷，vs4導(dǎo)通。在輸出電壓的負半周，兩橋臂的工作狀態(tài)互換