用于超聲波管道清洗機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

引言

應(yīng)用“空化效應(yīng)”除垢防垢機(jī)理的一種新型的高聲強(qiáng)度高可靠超聲波管道清洗機(jī)已經(jīng)問世，并在石油、化工、冶金或制藥等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。而超聲波管道清洗機(jī)主要由高頻高壓大功率的超聲波發(fā)生器和能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的管道式高聲強(qiáng)換能器組成。從圖1所示可以看出，高聲強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)主要由高頻高壓大功率電信號(hào)的超聲波發(fā)生器（或稱信號(hào)源）、傳輸電纜、管道式高聲強(qiáng)壓電換能器組成，換能器放置于管道內(nèi)。

圖1  超聲波管道除垢清洗機(jī)

實(shí)踐證明，該換能器技術(shù)比賽成熟,，其主要指標(biāo)能得到保證，而要確保超聲波管道清洗機(jī)高可靠高聲強(qiáng)特性的關(guān)鍵是超聲波發(fā)生器。為什么這么說呢？因?yàn)榉至⑹礁哳l高壓大功率開關(guān)電源的實(shí)用性差。

由于換能器需要的是高頻高壓大功率開關(guān)電源，雖然此類開關(guān)電源均是用單個(gè)集成電源控制芯片和MOSFET或IGBT大功率全橋式組成，但還是多個(gè)分立元器件的組合，連線間分布電容所形成的尖峰干擾，在大負(fù)載開閉情況下會(huì)造成大功率管的信擊穿或燒毀。故此類開關(guān)電源非但效率低，而且故障率高、難維護(hù)、壽命短、實(shí)用性差。為徹底改變此現(xiàn)狀，最緊迫的是需要高可靠模塊化的高頻高壓大功率開關(guān)電源，即DC/AC。

縱觀目前市場(chǎng)，由于國(guó)內(nèi)在此方面起步較晚，因而高可靠高頻高壓大功率開關(guān)電源還處于開發(fā)研制(包括國(guó)外廠商在內(nèi))之中。即使有，也只是±48V、±24V等常用通信用的開關(guān)電源。

面對(duì)這新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，我們采用了日本電盛蘭達(dá)公司產(chǎn)的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊，將其前后級(jí)相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻22～25kHz、高壓100～120V大功率1000W開關(guān)電源。值此，對(duì)該電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)作個(gè)分析介紹。

設(shè)計(jì)思想

對(duì)高頻高壓大功率開關(guān)電源而言，其由前級(jí)AC/DC(市電交流輸入220V變換成直流高壓) 和后級(jí)DC/AC(直流高壓逆變成高頻高壓)兩大主要部分組成。

按目前常規(guī)的設(shè)計(jì)，前級(jí)AC/DC往往為市電220V交流輸入經(jīng)整流濾波；而后級(jí)采用電源管理IC（電源控制芯片）和全橋大功率管(MOSFTT或IGBT) 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路（ZVS）拓?fù)浞绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)DC/AC（見圖2）。但這種分立組合式的設(shè)計(jì)對(duì)高頻大功率電力電子技術(shù)來(lái)說有較大缺陷。

圖2  分立組合式設(shè)計(jì)框圖

1 后級(jí)DC/AC

雖然電源管理IC功能很強(qiáng)，但制作調(diào)試煩瑣，特別是與大功率管連接的功率驅(qū)動(dòng)部分，往往都是小型高頻變壓器與驅(qū)動(dòng)三極管的合成，所以在負(fù)載匹配上經(jīng)常出現(xiàn)由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖。

2 前級(jí)AC/DC

前級(jí)AC/DC是將220V市電變換成直流高壓(320～350V)的大功率變換。若是采用一般的橋式整流加濾波，則在交流電源的一個(gè)周期內(nèi)，整個(gè)開關(guān)電源只有很短時(shí)間從交流電源吸取電流，輸入脈沖電流的峰值很大，它含有非常高的諧波分量（三次諧波尤為突出），由于只有輸入電流的基波分量才能產(chǎn)生有功功率，因此功率因素很低，同時(shí)，諧波電流還會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，并干擾其他設(shè)備。
　　
模塊化技術(shù)與結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

前級(jí)AC/DC大功率變換為了提高功率因素，限制電流畸變和諧波，必須采用功率因素校正（PFC）技術(shù)。

據(jù)此，采用了日本電盛蘭達(dá)公司產(chǎn)的PF-1000A-360型AC/DC大功率變換模塊，將交流輸入220V變換成直流360V。 PF-1000A-360型AC/DC變換模塊內(nèi)部框圖如圖3所示。交流輸入220V加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線)和AC(N零線)，經(jīng)功率因素和諧波校正后,從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。

圖3  PF-1000A-360模塊內(nèi)部電路圖

為了解選用PF-1000A-360型AC/DC大功率變換模塊，應(yīng)對(duì)其特點(diǎn)與外形作一簡(jiǎn)介。

PF-1000A-360技術(shù)指標(biāo)：其輸入電壓為交流170～265V，而輸出電壓為直流360V； 輸出為直流電流2.8～4.2A；輸出功率為1008～1512W；典型浪涌電流60A；最小功率因數(shù)為95%；輸出電壓精度為±2%。

模塊的特點(diǎn):可實(shí)現(xiàn)功率因素和諧波校正，效率高達(dá)95%以上；帶有過壓保護(hù)、過熱保護(hù)和輸入浪涌保護(hù)等保護(hù)電路；模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來(lái)非常方便。

R1外接浪涌限流電阻，用它可以限制電源剛接通時(shí)的浪涌電流，若不接，則模塊不應(yīng)正常工作 實(shí)際上R1(4.2Ω/2W)應(yīng)與F3溫度保險(xiǎn)絲(250V、2A、130℃)相串接而成。

其外形尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）為：146mm×86mm×125mm，模塊使用時(shí)應(yīng)安裝在散熱板上。

后級(jí)DC/AC的設(shè)計(jì)，采用了IPM-4M全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊。該模塊(見圖3)應(yīng)用了美國(guó)IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡(jiǎn)單方便地直接利用它或其組合設(shè)計(jì)制作成各類高頻大功率開關(guān)電源.

對(duì)于選用IPM-4M模塊的原因，通過對(duì)該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析就一目了然（見圖4）。

圖4  IPM-4M結(jié)構(gòu)原理圖

● 具有電流型PWM及輔助保護(hù)電路

所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應(yīng)到的輸出電流信號(hào)與誤差放大器進(jìn)行比較，來(lái)控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以改善整個(gè)開關(guān)電源電壓和電流的調(diào)整率，改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。電流型PWM還具有重選脈沖抑制電路，可消除在一種輸出里出現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)脈沖的可能性。這對(duì)于半橋電路或全橋電路組成的開關(guān)電源能否可靠工作是極為重要的。

● 內(nèi)含IC驅(qū)動(dòng)電路代替脈沖變壓器隔離

在半橋電路或全橋電路中，高端和低端的驅(qū)動(dòng)器是不共地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當(dāng)頻率在數(shù)Hz到數(shù)百kHz范圍內(nèi)變化時(shí)，普通的脈沖變壓器是無(wú)法勝任的。而采用IC驅(qū)動(dòng)電路就不存在上述問題，它的固有死區(qū)能防止產(chǎn)生直通信號(hào)，圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應(yīng)”。

● 采用全橋DC/AC變換器

采用性能優(yōu)良的MOSFET或IGBT，在公共接地點(diǎn)上伴有0.1Ω的電流取樣電阻，能感應(yīng)到內(nèi)部任一橋路或任一橋路的外部過流、短路，將檢測(cè)信號(hào)送往保護(hù)輔助電路可進(jìn)行判斷調(diào)整或極限保護(hù)。并有4×1500pf電容，輸出串接1mH電感可成為零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路(ZVS)。

● 應(yīng)用P1電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)恒流控制

將流過P1腳的電流感應(yīng)檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過調(diào)整送至第8腳可進(jìn)行恒流控制。

● 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護(hù)電路

由啟動(dòng)電源和內(nèi)反饋電源組成，它要求電壓在20～500V范圍內(nèi)能正常工作(一般情況下，在交流電整流后的350～360V直流電壓下工作)。由分析所知，該模塊大大減少或克服了后級(jí)(DC/AC)分立組合所帶來(lái)的制作調(diào)試難度和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需方便的使用模塊的引腳，就可實(shí)現(xiàn)功能DC/AC。
其外形尺寸（長(zhǎng)寬厚）為：115mm×66mm×23mm， 模塊使用時(shí)應(yīng)安裝在散熱板上。
　　
大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1 技術(shù)要求

輸入電壓：交流220V；輸出脈沖電壓：幅值為100～120V、頻率f為22～25kHz±1%，其占空比D為0.4～0.5為可調(diào)；輸出功率為1000W；輸出高頻大電流可采用LED數(shù)字顯示；工作頻率f可采用LED數(shù)字顯示；脈沖輸出電壓通過LC諧振電路在超聲波換能器二端獲得高頻22～25kHz高壓的正弦波。

2 具體結(jié)構(gòu)

從圖4可看出該開關(guān)電源由前級(jí)IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級(jí)IC2的DC/AC IPM—4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大部分一起組合而成，即成為超聲波管道清洗機(jī)的信號(hào)源（超聲波發(fā)生器）。

3 調(diào)試過程

合上進(jìn)線交流電源220V后，當(dāng)IC1的(AC/DC)PF-1000A-360型變換模塊輸出電壓為直流360V并加于IPM-4M(DC/AC)模塊IC2的P1、P4引腳上時(shí)，則輸出脈沖變壓器(功率應(yīng)大于1200W)T的初級(jí)二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對(duì)角線端)將獲得360V高頻22～25KHz脈沖電壓。脈沖輸出電壓取決于大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2端不同的匝數(shù)，可獲得的幅值為100～120V的脈沖電壓，見圖4右上角所示。輸出電壓工作頻率為22～25kHz±1% ，其占空比D為0.4～0.5為可調(diào)。IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形輸送，調(diào)整W3便可看到脈寬變化。當(dāng)K1、K2在斷開位置，頻率計(jì)顯示模塊標(biāo)稱頻率22kHz。當(dāng)合K1上時(shí)，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當(dāng)K2合上時(shí)，增加W1阻值，頻率將向低端變化。根據(jù)需要來(lái)決定使用參數(shù)。調(diào)整W3，可改變穩(wěn)定的輸出電壓的幅值。調(diào)整W2，可改變輸出電流輸出值。這個(gè)功能不用時(shí)可懸空。
　
大功率高壓高頻正弦波的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2輸出的100～120V的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調(diào)高頻電感線圈，C為超聲波換能器的等效電容，由此則組成LC諧振器，如圖4右上角虛線所示)，通過調(diào)整高頻電感線圈L可使諧振器得到串聯(lián)諧振。其諧振頻率f0為換能器固有頻率，并在電容C(換能器)兩端將獲得諧振后的高壓高頻22～25kHz正弦波（如圖5右上角所示）。

圖5  系統(tǒng)電路圖

結(jié)語(yǔ)

該模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源作為信號(hào)源(或稱超聲波發(fā)生器)，經(jīng)與大功率超聲波換能器配套反復(fù)使用和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，其性能穩(wěn)定可靠，徹底克服了以往用單個(gè)集成和分立式大功率管組合而成的開關(guān)電源那種經(jīng)常被燒毀、擊穿及故障率高、維修難等不足之處。經(jīng)反復(fù)使用，該新型模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了高效率（效率達(dá)95%以上）高可靠免維護(hù)，屬新一代高頻高壓大功率開關(guān)電源技術(shù)和產(chǎn)品。