移相全桥式IGBT超声波电源的研制
张国安，李桂祥，项建涛
(空军雷达学院，湖北武汉430019）
图1超声波清洗机电源主电路
图2等效电路拓扑
1引言
随着科学技术的发展和社会的进步，超声波清洗机在很多领域中得到了广泛的应用，尤其是在军事装备和各种电子、机械、光学等零部件的加工和处理过程中。但以前的超声波清洗机大多存在噪声大、效率低等缺点。为此，采用全桥移相式串联谐振电路拓扑，以IGBT为功率开关器件，研制成功某型便携式超声波清洗机。它具有热耗小，转换效率高，噪音低，清洗效果好等特点。
2超声波清洗机电源主电路和工作原理
2.1主电路拓扑
超声波清洗机电源主电路采用全桥移相式串联谐振电路拓扑，以IGBT为功率开关器件，如图1所示。
其等效电路拓扑如图2所示。
图2中R0和C并联电路是将负载超声波换能器组的阻抗归算到变压器初级的等效阻抗。等效关系式如式（1）及式（2）所示：
R0=n2RL（1）
C=CL/n2（2）
式中：RL——超声波换能器组等效电阻；
CL——超声波换能器组等效电容；
n——输出变压器初次级匝比。
()
开关电源
图3主电路控制时序波形图
移相全桥式IGBT超声波电源的研制
2.2工作原理
工作时序波形图如图3所示。
图中ugs1、ugs2、ugs3、ugs4和iL分别是S1、S2、S3、S4的控制栅极波形和电感L的电流波形。
LC谐振频率调谐在开关工作频率fs，
fs=（3）
一般略低于超声波换能器的谐振频率fc。
从工作时序波形图可以看出，采用了全桥移相式串联谐振电路拓扑结构，四个功率开关管轮流导通和关断，由于是串联谐振电路和有电感L的续流作用，实现了软开关，减小了功率开关管的导通和关断损耗，提高了整机效率。
3电路设计参数和实验结果
3.1电路参数
1）变压器
磁芯：EE28A；
初级：65匝，多股并绕（10A）；
次级：100匝，多股并绕（10A）。
2）超声换能器组7个，梅花型并放
谐振频率：28kHz；
输出功率：1kW。
3）电感L
磁芯：EE28A；
电感量：350μH。
4）功率开关管1MB60D100，4只。
5）全桥整流管20A/600V。
6）开关工作频率28kHz，可调谐。
7）吸收电路截止放电型
R：270Ω/6W；C：47000pF/1000V。
3.2实验结果
采用图1所示的拓扑电路和图3所示的控制波形，调整电感使调谐电路工作频率为26.8kHz（略低于28kHz），实测电路中的电流iL波形如图3所示，基本上是正弦波，开关管和吸收电路、散热器均不发热。
在电路调试过程中，如果调谐不当，则会使控制驱动波形和谐振不同步，电路输出功率减小，且开关管等发热严重。
4结语
综上所述，采用全桥移相式串联谐振电路、以IGBT为功率开关器件设计的超声波电源具有许多优点。实践证明，配合适当型号的清洗槽和清洗液，其清洗效果好、可靠性高。该电源的推广应用将会在采用超声波清洗的各行各业中发挥更大的作用。 参考文献
[1]张占松.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1999.
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