用于超聲波管道清洗機的開關電源設計

引言

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

圖1 超聲波管道除垢清洗機

實踐證明，該換能器技術比賽成熟,，其主要指標能得到保證，而要確保超聲波管道清洗機高可靠高聲強特性的關鍵是超聲波發(fā)生器。為什么這么說呢？因為分立式高頻高壓大功率開關電源的實用性差。

由于換能器需要的是高頻高壓大功率開關電源，雖然此類開關電源均是用單個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，在大負載開閉情況下會造成大功率管的信擊穿或燒毀。故此類開關電源非但效率低，而且故障率高、難維護、壽命短、實用性差。為徹底改變此現狀，最緊迫的是需要高可靠模塊化的高頻高壓大功率開關電源，即DC/AC。

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

面對這新的挑戰(zhàn)和機遇，我們采用了日本電盛蘭達公司產的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開關電源。值此，對該電源產品設計作個分析介紹。

設計思想

對高頻高壓大功率開關電源而言，其由前級AC/DC(市電交流輸入220V變換成直流高壓) 和后級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)的設計，前級AC/DC往往為市電220V交流輸入經整流濾波；而后級采用電源管理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、關斷的諧振電路（ZVS）拓撲方式來實現DC/AC（見圖2）。但這種分立組合式的設計對高頻大功率電力電子技術來說有較大缺陷。

圖2 分立組合式設計框圖

1 后級DC/AC

雖然電源管理IC功能很強，但制作調試煩瑣，特別是與大功率管連接的功率驅動部分，往往都是小型高頻變壓器與驅動三極管的合成，所以在負載匹配上經常出現由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖。

2 前級AC/DC

前級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周期內，整個開關電源只有很短時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生有功功率，因此功率因素很低，同時，諧波電流還會嚴重污染電網，并干擾其他設備。
　　
模塊化技術與結構的應用

前級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。

據此，采用了日本電盛蘭達公司產的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模塊內部電路圖

為了解選用PF-1000A-360型AC/DC大功率變換模塊，應對其特點與外形作一簡介。

PF-1000A-360技術指標：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；最小功率因數為95%；輸出電壓精度為2%。

模塊的特點:可實現功率因素和諧波校正，效率高達95%以上；帶有過壓保護、過熱保護和輸入浪涌保護等保護電路；模塊內部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來非常方便。

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

其外形尺寸（長寬厚）為：146mm86mm125mm，模塊使用時應安裝在散熱板上。

后級DC/AC的設計，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)應用了美國IR公司的功率器件和貼片工藝生產。用戶可以簡單方便地直接利用它或其組合設計制作成各類高頻大功率開關電源.

對于選用IPM-4M模塊的原因，通過對該模塊內部結構分析就一目了然（見圖4）。

圖4 IPM-4M結構原理圖

● 具有電流型PWM及輔助保護電路

所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應到的輸出電流信號與誤差放大器進行比較，來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開關電源電壓和電流的調整率，改善整個系統的瞬態(tài)響應。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兩個連續(xù)脈沖的可能性。這對于半橋電路或全橋電路組成的開關電源能否可靠工作是極為重要的。

● 內含IC驅動電路代替脈沖變壓器隔離

在半橋電路或全橋電路中，高端和低端的驅動器是不共地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當頻率在數Hz到數百kHz范圍內變化時，普通的脈沖變壓器是無法勝任的。而采用IC驅動電路就不存在上述問題，它的固有死區(qū)能防止產生直通信號，圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應”。

● 采用全橋DC/AC變換器

采用性能優(yōu)良的MOSFET或IGBT，在公共接地點上伴有0.1Ω的電流取樣電阻，能感應到內部任一橋路或任一橋路的外部過流、短路，將檢測信號送往保護輔助電路可進行判斷調整或極限保護。并有41500pf電容，輸出串接1mH電感可成為零電壓開通、關斷的諧振電路(ZVS)。

● 應用P1電流檢測，實現恒流控制

將流過P1腳的電流感應檢波取樣送至第9腳，經過調整送至第8腳可進行恒流控制。

● 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護電路

由啟動電源和內反饋電源組成，它要求電壓在20～500V范圍內能正常工作(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(DC/AC)分立組合所帶來的制作調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，就可實現功能DC/AC。
其外形尺寸（長寬厚）為：115mm66mm23mm， 模塊使用時應安裝在散熱板上。
　　
大功率高頻開關電源的設計

1 技術要求

輸入電壓：交流220V；輸出脈沖電壓：幅值為100～120V、頻率f為22～25kHz1%，其占空比D為0.4～0.5為可調；輸出功率為1000W；輸出高頻大電流可采用LED數字顯示；工作頻率f可采用LED數字顯示；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 具體結構

從圖4可看出該開關電源由前級IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級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的信號源（超聲波發(fā)生器）。

3 調試過程

合上進線交流電源220V后，當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，則輸出脈沖變壓器(功率應大于1200W)T的初級二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對角線端)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N2端不同的匝數，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22～25kHz1% ，其占空比D為0.4～0.5為可調。IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形輸送，調整W3便可看到脈寬變化。當K1、K2在斷開位置，頻率計顯示模塊標稱頻率22kHz。當合K1上時，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當K2合上時，增加W1阻值，頻率將向低端變化。根據需要來決定使用參數。調整W3，可改變穩(wěn)定的輸出電壓的幅值。調整W2，可改變輸出電流輸出值。這個功能不用時可懸空。
　
大功率高壓高頻正弦波的實現

當大功率脈沖變壓器T次級N2輸出的100～120V的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調高頻電感線圈，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)，通過調整高頻電感線圈L可使諧振器得到串聯諧振。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 系統電路圖

結語

該模塊式高頻高壓大功率開關電源作為信號源(或稱超聲波發(fā)生器)，經與大功率超聲波換能器配套反復使用和現場運行，其性能穩(wěn)定可靠，徹底克服了以往用單個集成和分立式大功率管組合而成的開關電源那種經常被燒毀、擊穿及故障率高、維修難等不足之處。經反復使用，該新型模塊式高頻高壓大功率開關電源實現了高效率（效率達95%以上）高可靠免維護，屬新一代高頻高壓大功率開關電源技術和產品。