超聲功率源功放模塊的設(shè)計(jì)與研究

引言

功率放大電路是一種能量轉(zhuǎn)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(nèi)放大高頻信號(hào),為負(fù)載提供盡可能大的功率。功率放大不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)前級(jí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)的放大,放在整個(gè)超聲功率源系統(tǒng)中還需考慮到要和后級(jí)的匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此,功率放大模塊的設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作有著重要意義。

1功率放大的工作原理

常見(jiàn)的模擬放大電路有A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)功放電路,各種功放電路的特點(diǎn)及比較如表1所示。

A類(lèi)、AB類(lèi)和B類(lèi)放大器在非線性失真和實(shí)際功率方面存在著部分缺陷,C類(lèi)放大器輸出波形嚴(yán)重變形,D類(lèi)放大器的優(yōu)勢(shì)比較明顯。

D類(lèi)功率放大器功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),理想情況下,導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻為零,功放管沒(méi)有功率損耗,截止時(shí),內(nèi)阻無(wú)窮大,電流又為零。D類(lèi)功率放大器的開(kāi)關(guān)原理能夠?qū)⒚}沖控制信號(hào)放大,具有效率高的特點(diǎn),而且體積和重量相對(duì)同功率的線性放大器大為減少。對(duì)用于水處理的超聲電功率源,D類(lèi)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(shè)計(jì)功率放大電路亦選擇了D類(lèi)放大形式。

2功放電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功率開(kāi)關(guān)管的選擇

D類(lèi)功放主回路常見(jiàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,相對(duì)推挽式逆變電路,開(kāi)關(guān)管耐壓要求可以降低為一半,但輸出功率更大;相對(duì)全橋逆變電路,耐壓要求一樣。其缺點(diǎn)是電源利用率較低,會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)通區(qū),開(kāi)關(guān)損耗大;為避免兩管直通,需加入死區(qū)控制。

(2）推挽式逆變電路與半橋逆變電路類(lèi)似,其缺點(diǎn)是輸出端需要原邊帶有中心抽頭的變壓器,開(kāi)關(guān)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(chǎng)合,在220V交流設(shè)備中一般很少使用。

(3）全橋逆變電路需4個(gè)開(kāi)關(guān)管,兩組開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通。優(yōu)點(diǎn)是電路參數(shù)比較對(duì)稱(chēng),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(chǎng)合,功率管通過(guò)的電流小,可采用成本較低的功率管,工作效率高,開(kāi)關(guān)管耐壓要求低。缺點(diǎn)是功率損耗比較大,驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜,會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)通區(qū),可能出現(xiàn)上下管直通狀態(tài),需要死區(qū)控制。

本設(shè)計(jì)逆變主回路輸入電源由220V市電直接整流濾波得到,考慮到工程實(shí)際,本系統(tǒng)選擇既便于擴(kuò)展、成本較低,又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求的半橋式逆變回路為功放主回路。

關(guān)于功率開(kāi)關(guān)管的選擇,半橋逆變主回路需選用N溝道的MOSFET。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求,結(jié)合市場(chǎng)上功放管的供應(yīng)情況,本系統(tǒng)最終選用MoSsFE管功率開(kāi)關(guān)TRFP460。

3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中TRFP460對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)的要求主要有:

(1）開(kāi)關(guān)速度需要足夠快。

(2）為避免IRFP460誤導(dǎo)通,在關(guān)斷時(shí),需提供一定的負(fù)偏電壓提高其抗干擾能力。

(3）為保證IRFP460的可靠開(kāi)通,應(yīng)使驅(qū)動(dòng)電壓高于IRFP460的開(kāi)啟電壓,通常取10～15V。

本設(shè)計(jì)采用SG3525芯片來(lái)產(chǎn)生頻率為10～500kHz的PWM信號(hào),如圖1所示。

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

本設(shè)計(jì)采用的是橋式電路,具體電路如圖3所示。

因?yàn)镾G3525需要12V穩(wěn)壓電源供電,并且在放大電路中也需要12V的電源。為此,設(shè)計(jì)了一個(gè)12V和5V的穩(wěn)壓電源,其電路如圖4所示。

4功放逆變主回路電源設(shè)計(jì)

逆變主回路直流電源由220V工頻交流市電經(jīng)整流濾波后得到,大約為300V,原理如圖5所示。設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)考慮整流橋的選擇。

整流橋額定電流經(jīng)計(jì)算應(yīng)為輸出電流的3～10倍。選擇常用整流橋GBU2510,其額定電壓為1000V,正向連續(xù)電流是25A,能夠滿足電路要求。在設(shè)計(jì)中還加入了保險(xiǎn)絲,其額定電流是4A,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(shè)計(jì)

由上分析可知,本系統(tǒng)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(shí)際應(yīng)用電路如圖6所示。

R101和R102的作用是抑制驅(qū)動(dòng)時(shí)的浪涌電流和誤觸發(fā),一般取值較小,本設(shè)計(jì)取值是220的繞線電阻,且實(shí)際電路中應(yīng)盡量靠近柵極。R105和R106主要作用是防止靜電損壞MOSFET管,常取10kΩ或5.1kΩ阻值電阻。另外,MOSFET管應(yīng)保證足夠的散熱,可使用散熱片及散熱風(fēng)扇,復(fù)雜點(diǎn)可加上溫度保護(hù)電路。實(shí)際工作時(shí),應(yīng)先對(duì)驅(qū)動(dòng)電路加電,后對(duì)主電路加電。

6結(jié)語(yǔ)

超聲功率源是超聲水處理系統(tǒng)的核心設(shè)備,一臺(tái)性能穩(wěn)定、智能化的超聲功率源對(duì)提高廢水處理效率、解決實(shí)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(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),對(duì)廣大的科技工作者而言,對(duì)超聲水處理的機(jī)理研究和參數(shù)優(yōu)化,能進(jìn)一步提高處理效率,降低能耗,使這一新型水處理技術(shù)在實(shí)際廢水處理中得以廣泛使用,還有很多工作要做。