[发明专利]一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法

说明书

本发明公开了一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法，其中匹配网络包括反馈电路、控制器，以及依次连接的信号发生器、整流滤波电路、功率逆变电路、匹配变压器、匹配电感、超声波换能器；匹配电感用于对超声波换能器进行补偿；反馈电路用于获取超声波换能器两端电压有效值和电流有效值，以及电压信号与电流信号的相位差；控制器用于根据上述数据对匹配电感的电感值进行调节。反馈电路实时监测超声波换能器的电压和电流有效值以及电压与电流信号的相位差，利用控制器控制匹配电感接入的电感值，实现超声波换能器的工作过程始终处在谐振状态。动态响应速度快、精度高、声电转换效率大，同时电路结构简单，成本低，具有较广的应用前景。

技术领域

本发明涉及超声波电源领域，尤其涉及一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法。

背景技术

超声波是指频率大于20KHz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于军事、工业、农业、医学等诸多领域。在医学领域，超声技术主要应用在超声刀手术、超声波雾化、B超检查、超声波制药等方面。相较于传统手术，超声刀手术具有切割精度高、创伤范围小、凝血效果佳、视野更加清晰、手术时间大幅缩短、术后恢复快等优点，给医生和患者都带来了巨大好处。

作为超声刀手术系统中一个重要的组成部分——超声波发生器，或称为超声波电源，是一种向超声换能器提供能量的装置。它的作用是将市电(220V50Hz)转变为超声信号来驱动超声换能器，并同时控制整个振动系统的运行。在超声振动系统中，超声波电源与换能器的阻抗匹配效果起着重要作用，其优劣程度直接决定超声振动系统能否安全工作，如果匹配失真，会造成换能器温度升高，电声转换效率降低，严重时甚至烧毁换能器。

换能器作为超声系统中的负载，其本身具有容性阻抗特性。因此，在匹配网络的设计中常采用电感元件去补偿，通过静态或者动态匹配的方法实现调谐。其中，静态匹配因其电路简单、易于实现是目前最常用的方法。在超声电源工作前，通过阻抗分析仪等工具测出超声换能器的阻抗，得出匹配电路的元件参数。手动调整匹配网络参数，使换能器达到谐振状态，匹配元件一旦确定之后就不再改变。但是换能器工作过程中其阻抗特性会随负载、温度等变化而改变，相应的谐振频率会发生漂移，导致系统效率降低。因此，静态匹配的方式无法解决换能器在工作过程中的频率突变导致匹配失真的问题。而动态匹配则克服了静态匹配的缺点，动态匹配中换能器、超声波电源、匹配网络组成闭环系统，根据换能器回路的反馈信号调节超声波电源或者匹配网络的参数，使换能器始终工作于谐振状态。现阶段，动态匹配一般使用频率跟踪技术，实时跟踪系统谐振频率的变化，保证电路匹配，提高系统的效率，可以克服静态匹配中由于温度升高等条件变化造成的影响，但是存在以下缺点：在动态匹配现有技术中，用于超声波电源中电压、电流信号的采样主要是采用电流互感器通过导线依次连接通带滤波电路、比较整形电路，该种电路结构复杂，成本较高，不易于投入商业化生产，并且在面对大功率超声系统时会对其可靠性和安全性带来一定的影响。

综上所述，提出一种电路结构简单、性能优异、成本低、适合商业化应用的医用超声波电源的动态匹配技术是目前亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法，通过实时检测超声波换能器回路的阻抗参数，动态调整匹配电感的大小，使超声波换能器的工作过程始终处在谐振状态，该技术电路结构简单，动态响应速度快，精度高，成本低廉，非常适合大规模应用。

第一方面，提供了一种医用超声波电源的动态匹配网络，包括反馈电路、控制器，以及依次连接的信号发生器、整流滤波电路、功率逆变电路、匹配变压器、匹配电感、超声波换能器；

所述反馈电路的输入端与所述超声波换能器连接，其输出端与所述控制器连接；所述控制器的输出端与所述匹配电感连接；

所述匹配电感的电感值可调，且用于对所述超声波换能器进行补偿，实现调谐匹配；