[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

说明书

技术领域

本发明涉及超声波电源技术领域，具体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。

背景技术

超声波电源通常称为超声波发生源，它的作用是把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。超声波电源的负载通常是压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器存在静态电容，压电陶瓷换能器在工作过程中，其谐振频率点将发生漂移，因此，超声波电源必须具备跟踪超声换能器谐振频率的能力。

目前，常用的超声波电源频率跟踪方法有，最大电流搜索谐振频率方法、锁相频率跟踪方法、匹配网络调节法。匹配网络调节法的控制精度要受最小投切电感的影响，最大电流搜索谐振频率的方法以及锁相频率跟踪方法都必须在一定范围内搜索换能器的谐振频率，从电源启动到稳态需要花费大量的计算周期来寻找换能器的谐振频率，系统从启动到稳态的过渡时间较长。

发明内容

本发明目的在于公开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。

本发明公开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，其所使用的开关管均为碳化硅器件，具有能耗低，频率高等优点，电源系统具有自动识别换能器负载谐振频率的功能，然后利用变步长跟踪方法对换能器谐振频率进行跟踪修正，保证负载处于谐振状态，系统具有较短的过渡时间。

本发明的目的可采用以下技术方案实现。

基于碳化硅器件的大功率宽频带超声波电源，其包括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的门极，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的门极，第一晶闸管的阴极与第二晶闸管的阳极以及第一电感的第一端相连接，第一晶闸管的阳极与第二晶闸管的阴极以及第二电感的第一端相连接，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。

上述超声波电源中，数字控制电路通过匹配网络驱动电路控制匹配网络接入主电路等效电感的大小，使匹配网络的电感大小与换能器的电容相匹配，达到所需谐振效果。

上述超声波电源中，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。

上述超声波电源的输出功率1kW-10kW，超声波电源的频率范围18kHz-100kHz。

用于上述的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，具体是：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：