一种功率超声换能器驱动电路设计

曹建军， 张兴洁， 师 柱

(1.雅砻江流域水电开发有限公司， 四川 成都 610000； 2.哈尔滨工程大学， 黑龙江 哈尔滨 150009；3.哈尔滨电机厂有限公司， 黑龙江 哈尔滨 150000)

功率超声利用换能器产生低频(60 kHz以下)超声波，声波在物体中传播，在固体内产生机械效应和剪切效应，在液体内产生空化效应，从而改变物质的结构和状态，加速其发生改变，降低生产成本，提高生产效率和产品质量，减少环境污染，广泛应用于清洗[1]、机械加工(研磨、抛光、孔加工等)[2-5]、焊接[6-8]、冶金(矿石粉碎、矿物分离等)、环保(废水处理、除垢、脱硫、灭菌和材料制备等)[9-10]、医疗(治疗白内障、体外碎石)[11]以及农业等领域，具有广阔的应用前景。

功率超声换能器按照其工作原理可分为两类，即压电换能器和磁致伸缩换能器。压电陶瓷材料的导热能力较差，致动性能受压电材料居里点的限制[12]，连续工作性能差，功率不能做的很大，难以满足功率超声大功率、连续工作的需求。磁致伸缩换能器功率大、强度高、导热能力强、居里点高、性能稳定、可连续工作，在功率超声领域的应用日益广泛。

目前，基于模拟元器件的超声换能器驱动电路逐渐被淘汰，集成度高、功能强、受环境影响小、性能稳定的数字式驱动电路成为主流，出现了DSP、单片机或FPGA为核心控制单元的数字式驱动电路，其中，DSP驱动电路精度高、集成度高、存储空间大、效率高、可靠性高、价格适中，具有明显优势。

1 磁致伸缩换能器等效电路

换能器等效电路如图1所示，R0是由于铁芯的涡流损失和磁滞损失导致的涡流损耗电阻和磁滞损耗电阻，L0是不考虑损耗电阻换能器线圈的电感，Ld是分布电感，Cd是分布电容，Rd是动态电阻。R0远远大于其它2个支路的等效阻抗,计算时忽略不计。

当换能器处于谐振状态,

(1)

(2)

此时，超声波电源输出功率为

P=U0I0cosφ

(3)

换能器的输出电压与电流存在相位差，可串联合适的电容对相位进行补偿，使换能器工作在纯电阻性状态。串联电容的值可由公式(4)确定

(4)

此时，电路的阻抗模

(5)

相位补偿后的等效电路如图2所示。

图1 磁致伸缩换能器等效电路 图2 补偿后的换能器等效电路

2 超声换能器驱动电路设计

超声换能器驱动电路主要由高压直流电源电路(+412 V)、DSP电源电路、功率放大电路、辅助电路等组成部分。高压直流电源电路和DSP电源电路如图3和图4所示。

图3 高压直流电源电路

图4 DSP电源电路

高压直流电源产生+412 V的直流电，给功率放大电路提供电源如图5所示，全桥逆变电路采用自动相位控制方式， DSP发出指令控制功率驱动器IR2113S，控制信号为方波信号，频率与换能器正常工作所需基频频率一致，占空比为50%；IR2113S驱动Q1、Q2、Q3、Q4(IGBT，GP50B60)，从而将高压直流电源电路提供的+412 V高压直流电转换成与DSP控制指令同频率(12 kHz)的交流信号驱动换能器工作 。

功率放大电路由两个桥臂组成，两个桥臂不会同时导通，存在180°相位差。每个桥臂由两个IGBT构成，这两个IGBT成180°相位差互补导通。工作时，正半周：Q1和Q4导通，Q3和Q2截止，电流由+412 V的直流电源正极经Q1、换能器匹配电路、Q4到电源负极；负半周：Q3和Q2导通，Q1和Q4截止，电流由+412 V的直流电源正极经Q3、换能器匹配电路、Q2到电源负极。逆变电路必须保证正半轴时Q1和Q4导通、Q3和Q2截止，负半周时Q3和Q2导通、Q1和Q4截止。若Q1、Q3或Q2、Q4同时导通，则会产生短路，导致IGBT损毁。IR2113S 可对两个输入信号之间产生合适的延时，保证加到同一桥臂上的两个IGBT的驱动信号之间有一定互锁时间间隔，避免两个IGBT同时导通并发生短路。

图5 功率放大电路

换能器辅助电路如图6所示，DSP发出控制信号(与全桥电路的控制信号和Q7的控制信号频率相同)经光耦6N137传给驱动栅极驱动器IR2102S驱动半桥逆变电路，将主电源提供的直流电压转换成方波信号，方波信号经过滤波，转换为正弦信号，正弦信号经半波整流电路(D10)进行整流后经高频变压器(H1)提供给换能器电路。通过控制Q7的导通与截至实现充放电，正半周时，DSP输出高电平，光耦4N35导通，管脚6(发射极)接通+12 V电压，驱动栅极驱动器IR4428S工作， IR4428S经管脚7(OUTA)控制Q7导通，逆变电路产生的电信号对BL1充电；负半周时，DSP输出低电平时，4N35截至，Q7截至，逆变电路对换能器不起作用。

图6 换能器辅助电路

3 结 语

本文对磁致伸缩换能器等效电路进行分析、对换能器输出电压与电流的相位差进行补偿，并给出了相位补偿后的等效电路，求出了换能器的谐振频率。完成了基于DSP的换能器驱动电路设计、包括高压直流电源电路(+412 V)、DSP电源电路、功率放大电路、辅助电路等，对电路的工作原理进行研究，分析了电路的工作过程，对设计的换能器驱动电路进行实验和应用。试验结果表明，驱动电路可24 h连续工作且工作可靠、效率高，能够满足振动时效等场合的应用。