[发明专利]基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源及其控制方法

摘要

本发明涉及一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源及其控制方法，包括PWM整流电路、直流斩波调功电路、全桥逆变电路、主变压器、匹配网络、匹配网络驱动电路、数字控制电路、锁相电路、电压取样电路、电流取样电路、调功控制电路、保护电路、驱动电路、DDS（直接数字频率合成）电路、压电换能器等。其中PWM整流电路、直流斩波调功电路与全桥逆变电路所使用的功率开关器件均为宽禁带碳化硅器件，电源的开关频率、变换效率、功率密度及可靠性均有显著提升，输出功率1kW‑10kW,频率搜索范围18kHz‑100kHz;电源采用了基于谐振频率自动识别的变步长频率跟踪数字控制方法。

主权项

一种基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源的控制方法，所述基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源包括PWM整流电路、直流斩波调功电路、全桥逆变电路、主变压器、电压取样电路、电流取样电路、匹配网络、匹配网络驱动电路、压电换能器、保护电路、调功控制电路、驱动电路、DDS电路、锁相电路和数字控制电路；PWM整流电路、全桥逆变电路及直流斩波调功电路均采用了宽禁带器件碳化硅功率场效应管作为功率开关；PWM整流电路的输入端接入市电，其输出端接入直流斩波调功电路的输入端，直流斩波调功电路的输出端接入全桥逆变电路的输入端和电压取样电路的输入端，全桥逆变电路的输出端接入主变压器的初级输入端，主变压器的次级输出第一端接入匹配网络第一电感(L1)的第二端以及压电换能器的第一端，主变压器的次级输出第二端接入电流取样电路的第一输入端，压电换能器的第二端与匹配网络第二电感(L2)的第二端以及电流取样电路的第二输入端相连接，数字控制电路的输入端接锁相电路的输出端，数字控制电路的第一输出端接入DDS电路的输入端，DDS电路的输出端接入驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接入全桥逆变电路的驱动端，数字控制电路的第二输出端接入匹配网络驱动电路的输入端，匹配网络驱动电路的第一输出端接入匹配网络的第一晶闸管(THY1)的门极(G1)，匹配网络驱动电路的第二输出端接入匹配网络的第二晶闸管(THY2)的门极(G2)，第一晶闸管(THY1)的阴极(K1)与第二晶闸管(THY2)的阳极(A2)以及第一电感(L1)的第一端相连接，第一晶闸管(THY1)的阳极(A1)与第二晶闸管(THY2)的阴极(K2)以及第二电感(L2)的第一端相连接，电流取样电路的输出端和电压取样电路的输出端分别接入调功控制电路的第一输入端和第二输入端，保护电路的输出端接入调功控制电路的输入端，保护电路的输入端接电流取样电路的输出端，调功控制电路的输出端接入直流斩波调功电路的驱动端，电流取样电路的输出端接入锁相电路的第一输入端，驱动电路的采样端接入锁相电路的第二输入端，驱动电路采样端输出的电压信号作为锁相电路的电压反馈；超声波电源对换能器负载具有谐振频率自动识别功能，电源内部的锁相电路输出脉冲的占空比直接反馈出电源输出电压、输出电流的相位差，电源的负载是压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器的动态电感值为L，动态电容值为C，动态电阻值为R；其特征是：数字控制电路与DDS电路通讯产生给定的第一频率信号和第二频率信号，第一频率信号和第二频率信号分别通过驱动电路控制全桥逆变电路输出频率分别为f1和f2的交流电，数字控制电路采集全桥逆变电路输出电压频率分别为f1和f2情况下锁相电路输出脉冲的占空比D1、D2，则全桥逆变电路输出电压频率f1、f2情况下对应的负载阻抗角分别为：θ1＝D1*π  (4‑1)θ2＝D2*π  (4‑2)则可得：tanθ1=2πf1L-12πf1CRtanθ2=2πf2L-12πf2CR---(4-3)]]>则方程4‑3可变换为：tanθ1=ALR-1ARCtanθ2=BLR-1BRC---(4-4)]]>其中：A=2πf1B=2πf2---(4-5)]]>可以求得：1RC=AB2tanθ1-A2Btanθ2A2-B2=MLR=Atanθ1-Btanθ2A2-B2=N---(4-6)]]>由于换能器的谐振频率为：fS=12πLC---(4-7)]]>因此，可得：fS=MN2π---(4-8),]]>实现谐振频率的自动识别，由于超声波换能器负载在工作过程中其谐振频率会产生漂移，因此在计算出超声波换能器的谐振频率之后，还需要利用变步长跟踪控制方法对超声波电源的输出频率进行修正，所述变步长跟踪控制方法包括如下步骤：(1)数字控制电路根据锁相电路反馈的电源输出电压、电流相位差θ得到输出电压频率与换能器谐振频率的差距，设步长切换的相位差参考阈值为当输出电压、电流的相位差时，采用设定的大步长对换能器谐振频率进行跟踪，当电源输出电压、电流的相位差时，采用设定的小步长对换能器谐振频率进行跟踪；(2)当电源输出电压超前电流时，按照步骤(1)确定的步长减小输出频率，当电源输出电压滞后电流时，按照步骤(1)确定的步长增大输出频率，经过设定的延时后，回到步骤(1)。