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,為負載提供盡可能大的功率。功率放大不僅要實現(xiàn)對前級產(chǎn)生的高頻信號的放大,放在整個超聲功率源系統(tǒng)中還需考慮到要和后級的匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)阻抗匹配。因此,功率放大模塊的設計對于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作有著重要意義。
1功率放大的工作原理
常見的模擬放大電路有A類、AB類、B類、C類、D類功放電路,各種功放電路的特點及比較如表1所示。
A類、AB類和B類放大器在非線性失真和實際功率方面存在著部分缺陷,C類放大器輸出波形嚴重變形,D類放大器的優(yōu)勢比較明顯。
D類功率放大器功放管工作在開關狀態(tài),理想情況下,導通時內(nèi)阻為零,功放管沒有功率損耗,截止時,內(nèi)阻無窮大,電流又為零。D類功率放大器的開關原理能夠?qū)⒚}沖控制信號放大,具有效率高的特點,而且體積和重量相對同功率的線性放大器大為減少。對用于水處理的超聲電功率源,D類功放滿足了其高功、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。本設計功率放大電路亦選擇了D類放大形式。
2功放電路拓撲結(jié)構(gòu)與功率開關管的選擇
D類功放主回路常見的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)簡單,成本低,相對推挽式逆變電路,開關管耐壓要求可以降低為一半,但輸出功率更大;相對全橋逆變電路,耐壓要求一樣。其缺點是電源利用率較低,會出現(xiàn)半導通區(qū),開關損耗大;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似,其缺點是輸出端需要原邊帶有中心抽頭的變壓器,開關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合,在220V交流設備中一般很少使用。
(3）全橋逆變電路需4個開關管,兩組開關管輪流導通。優(yōu)點是電路參數(shù)比較對稱,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合,功率管通過的電流小,可采用成本較低的功率管,工作效率高,開關管耐壓要求低。缺點是功率損耗比較大,驅(qū)動電路較復雜,會出現(xiàn)半導通區(qū),可能出現(xiàn)上下管直通狀態(tài),需要死區(qū)控制。
本設計逆變主回路輸入電源由220V市電直接整流濾波得到,考慮到工程實際,本系統(tǒng)選擇既便于擴展、成本較低,又能實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求的半橋式逆變回路為功放主回路。
關于功率開關管的選擇,半橋逆變主回路需選用N溝道的MOSFET。根據(jù)本設計要求,結(jié)合市場上功放管的供應情況,本系統(tǒng)最終選用MoSsFE管功率開關TRFP460。
3驅(qū)動電路的設計
本系統(tǒng)中TRFP460對柵極驅(qū)動的要求主要有:
(1）開關速度需要足夠快。
(2）為避免IRFP460誤導通,在關斷時,需提供一定的負偏電壓提高其抗干擾能力。
(3）為保證IRFP460的可靠開通,應使驅(qū)動電壓高于IRFP460的開啟電壓,通常取10～15V。
本設計采用SG3525芯片來產(chǎn)生頻率為10～500kHz的PWM信號,如圖1所示。
MOSFET管的導通電壓是10～15V,但是從SG3525出來的信號電壓峰值很小,因此在SG3525后端加入一個乙類互補功率橋式放大電路,將前級的信號放大到12V,并保持頻率不變,得到一個±12V的PWM波,最后通過脈沖變壓器分成兩路加到兩個MOSFET管上。乙類互補功率放大電路及波形如圖2所示。
本設計采用的是橋式電路,具體電路如圖3所示。
因為SG3525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,設計了一個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計
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。設計時主要應考慮整流橋的選擇。
整流橋額定電流經(jīng)計算應為輸出電流的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。在設計中還加入了保險絲,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計
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),功放逆變主回路實際應用電路如圖6所示。
R101和R102的作用是抑制驅(qū)動時的浪涌電流和誤觸發(fā),一般取值較小,本設計取值是220的繞線電阻,且實際電路中應盡量靠近柵極。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管應保證足夠的散熱,可使用散熱片及散熱風扇,復雜點可加上溫度保護電路。實際工作時,應先對驅(qū)動電路加電,后對主電路加電。
6結(jié)語
超聲功率源是超聲水處理系統(tǒng)的核心設備,一臺性能穩(wěn)定、智能化的超聲功率源對提高廢水處理效率、解決實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)動電路的設計,對廣大的科技工作者而言,對超聲水處理的機理研究和參數(shù)優(yōu)化,能進一步提高處理效率,降低能耗,使這一新型水處理技術在實際廢水處理中得以廣泛使用,還有很多工作要做。
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