数字化超声波电源的设计与研究

邓孝祥 王雅琳 陶 旭

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引言

众所周知，如今超声波电源对人们的生活有很重要的作用，尤其是在工业、农业以及医疗方面，超声波电源可以发挥至关重要的作用，也对人们的生活有很大的帮助。超声发射设备一般由超声电信号发生器、超声匹配电路及超声换能器组成。匹配电路主要是为了使超声波电源达到最大的输出功率状态，当阻抗匹配得当时，电路达到谐振状态，输出功率达到最大。当阻抗不匹配时，输出功率低，整个电路的效率也会降低。如何设计超声波电源匹配电路使其达到谐振状态一直是设计超声波电源的难题。因此，该文主要针对超声波电源匹配电路问题，对有关小型超声波电源的设计进行研究[1]。

1 超声波电源谐振网络系统模型

超声波电源谐振网络系统结构如图1所示。图1中，谐振网络电路由3个部分构成即匹配电感Ld、匹配电容Cd以及超声波换能器。其中，Uin表示输入交错buck直流电压；id表示流过匹配电感Ld的电流。VT1~VT4表示全桥逆变电路开关管；VD1~VD4表示开关管内置二极管；Ld表示匹配电感；Cd表示匹配电容。在前端输入直流电压Uin，由开关管（V1、V2）、二极管（D1、D2）以及电感（L1、L2）构成交错buck电路，在电路中主要发挥调压的作用，当电网输入电压经过整流桥整流后得到直流电压，通过改变交错buck的占空比，使输入逆变器的电压可以随着换能器所需要的输出电压进行调节。由VT1~VT4构成全桥逆变电路，将经过交错buck调节后的直流电压逆变成高频交流电，再经过高频变压器，Ld、Cd流入超声波换能器，全桥逆变电路的频率应与换能器频率保持一致，使换能器达到谐振状态，从而使换能器开始工作，超声波的工作效率达到最大[2]。

图1 超声波电源系统模型

2 谐振网络匹配与计算

匹配电路电感电容设计如下。

匹配电路中，电感和电容的匹配方法一直是研究超声波电源的难题。在以往的研究中，对电感和电容都有特殊的匹配方法，以调节输出电压的稳定性，并且与换能器的工作频率保持一致，使其达到最大输出功率，上述都是匹配电路时应该考虑的问题。超声波换能器普遍为感性负载，因此要对匹配电容的容值进行精密计算，从而补偿感性负载。匹配电路有2种，即串联等效电路和并联等效电路[3-5]。

2.1 换能器串联匹配电路

换能器的串联匹配电路如图2所示。

如图2（a）所示，超声波换能器等效电路由Lm、Cm、Rm以及C0来代替，其中Lm为换能器动态电感，Cm为换能器动态电容，Rm为换能器动态电阻，C0为换能器静态电容。如图2（b）所示，当换能器谐振时，动态电容Cm和动态电感Lm谐振等效于动态电阻Rm。

图2 换能器串联匹配电路

负载的等效电路阻抗Z如公式（1）所示。

式中：R为阻抗Z的电阻值；j为虚数；X为阻抗Z的电抗；ω为谐振角频率。

等效输入阻抗如公式（3）所示。

式中：R为阻抗Z的电阻值。

串联匹配的电容大小如公式（4）所示。

由公式（4） 可知，串联匹配能使换能器等效阻抗呈纯阻性，且输入阻抗值减少，从而实现阻抗匹配的目标。

2.2 换能器并联匹配电路

换能器并联匹配电路如图3所示。

图3 换能器并联匹配电路

负载的等效输入导纳Y如公式（5）所示。

式中：Ld1为并联匹配电感。

并联匹配电容Cd1如公式（7）所示。

由公式（7）可知，等效输入阻抗不变，与串联匹配电感相比，电流要小很多。

对上述2种静态阻抗中的串联和并联匹配网络进行分析，当信号频率满足于时，LmCm支路产生串联谐振（ω1为串联谐振频率）；当信号频率满足公式（8）时，Lm、Cm支路与C0产生并联谐振（ω2为并联谐振频率）。

当ω<ω1时，电路系统中换能器呈容性；当ω1<ω<ω2时，电路系统中换能器呈感性；当ω=ω2时，电路系统中换能器呈纯阻性，电压与电流的相位一致[6]。

通过比较2种静态阻抗匹配的方式可知，并联匹配输入阻抗较大，不能实现阻抗变化，需要的电感量远大于串联匹配，且滤波效果不佳。而串联匹配输入阻抗小，能减少内阻的消耗，提高效率，电感量比并联匹配要小很多，具有滤波和调谐的功能，最终静态阻抗匹配选择串联匹配电感的方式。

3 仿真验证

为了验证该方案的可行性，利用仿真软件Matlab/SIMULINK建立了超声波电源的系统仿真模型。验证了数字化超声波电源的可行性。换能器等效电路参数如下：静态电容C0=10 nF，动态电容Cm=0.4 nF，动态电阻Rm=15 Ω，动态电感Lm=195 mH，串联谐振频率为17 kHz。匹配电路阻抗匹配参数如下：匹配电感Ld=200 μH，匹配电容Cd=500 nF。

振网络系统稳定运行时，变压器二次侧输出电压与流过电感电流的波形如图4所示。在谐振时，变压器二次侧输出电压与流过电感电流的相位角相同。当增加开关管的开关频率时，变压器二次侧输出电压与流过电感电流的相位角会发生变化，流过电感的电流波形滞后于变压器二次侧输出电压90°。当减少开关管的开关频率时，流过电感的电流波形滞后于超前变压器二次侧输出电压90°（相位差）。在谐振状态下，流过电感的电流处于最大状态，且随频率增大或减少，电感的电流值和相位以谐振电流波形对称递减和相移，直至相位角相差90°时，电流呈平稳状态，且相位角不再变化。

图4 变压器二次侧输出电压与流过匹配电感电流SIMULINK仿真波形

当谐振网络系统稳定运行时，超声波换能器输出电压与流过超声波换能器的电流的波形如图5所示。在任意开关频率下，超声波换能器输出电压相位滞后流过超声波换能器电流波形相位90°，相位差不会因频率增加或降低而发生改变。

图5 超声波换能器输出电压与流过超声波换能器电流SIMULINK仿真波形

由波形图可知，只有当频率达到谐振点时，超声波换能器输出电压与流过超声波换能器的电流达到最大值。频率高于谐振频率或低于谐振频率时，超声波换能器的输出电压与流过超声波换能器的电流逐渐递减。

4 实验分析

为了进一步验证数字化超声波电源的工作原理，此处通过搭建实验平台，对数字化超声波电源进行测试，测得超声波换能器的输出电压与输出电流的实验波形。实验参数如下：输入电压为交流220 V，输出功率4 kW，匹配电感Ld=200 μH，匹配电容Cd=500 nF，开关频率17 kHz。

图7是换能器谐振状态下的变压器二次侧的输出电压与流过电感电流的波形。从图7中可以看出，在输入电压为220 V、谐振频率为17 kHz且匹配网络串联电感量为200μH时，输出电压与电流谐振时具有良好的同相位状态，结果与仿真结论一致。

图7 变压器输出电压与流过匹配电感电流实物波形

图8是超声波换能器输出电压与流过超声波换能器电流的波形，谐振频率大约为17 kHz。从图8中可以看出，当电路工作为谐振状态时，输出电压和输出电流达到最大值。换能器的输出电压滞后于输出电流的波形与仿真得出的结论一致。

图8 换能器输出电压与流过换能器电流实物波形

5 结语

该文设计了一款数字化超声波电源，通过电路的基本原理分析，搭建了仿真模型以及实验平台，研究谐振状态下匹配电路的设计。实验数据表明，在谐振状态下，输出电压与输出电流达到最大值，换能器在最大输出功率且电路的效率达到最高。通过观看波形可以有效地确认超声波电源的谐振频率，该数字化超声波电源取得了良好的使用效果。