换能器驱动电路的设计及实验研究

于泽旭，宋锦春，王天骄，袁 聪

（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳110004）

0 引言

超声波加工是一种特种加工技术，是利用超声频振动的工具在磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具、工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动时工件相互接触的加工方法［1］。

换能器是超声波光整加工设备的能量转换元件，其作用是将超声波电源产生的电能转换成机械能。换能器选择压电式换能器，其工作原理是，利用压电晶体的逆压电效应，将变化的电场转换成正比于电场强度的应变。换能器的前端盖连接放大元件变幅杆，将换能器产生的初始小幅的振动进行放大，使之达到光整加工的振幅要求。

1 整流滤波电路的设计

整流滤波电路的作用是将交流电经整流滤波后将转为直流电。桥式整流电路的4个二极管两两一组，分别工作在信号的正半周期和负半周期。当电压源信号处在正半周期工作时，变压器负极线圈电压为上正下负，经过整流桥后在负载上的电压为上正下负。当电压源信号处在负半周期时，变压器负极线圈下正上负，经过整流桥后，负载上的电压方向同样为上正下负，因此，在完整的一个周期当中，输出信号的方向没有改变。

整流后的直流电要输入到逆变电路IGBT的直流端，而整流后的直流电脉动仍然较大，所以要设置滤波电路来减小直流电的脉动。在此，采用电容滤波电路，在负载与输出端之间并联一个大容量的电解电容，其工作原理就是利用电路对电容的反复充电放电，实现电压不能突变的特性，减小脉动。电容充放电的主要参数就是电容的时间常数τ，其计算公式为τ＝RLC。一般要求［1］：

设计的超声波电源所带的负载为300Ω，频率为50Hz，代入式（1）可得：

电容C越大，整流效果越好，选用C＝680μF、耐压值为450V的电解电容。整流滤波电路如图1所示。

图1 整流滤波电路

5V稳压电路采用7805型三端稳压器。电容Cz5的作用是用以抵消当输入的端接线较长时产生的电感效应，通常取Cz5＝0.33μF；电容Cz6的作用是使输出电压的大小不会随着负载电流的瞬时变化而变化，通常取Cz6＝1μF。变压器初级线圈和次级线圈的扎数比为1∶20。电路图如图2所示。

图2 5V整流滤波电路

2 逆变电路的设计仿真

换能器要求其驱动信号是具有一定功率的高频高压信号，然而信号发生电路产生的信号电压无法满足换能器的要求，所以要设计功率放大电路，也叫做逆变电路。逆变放大电路的作用就是将功率较小的高频信号放大至换能器所需的大功率高频信号，驱动换能器正常工作［2］。

根据电路结构的不同，逆变电路主要有推挽、半桥和全桥3种形式，在此，选择全桥逆变的拓扑结构。根据系统的频率及功率的特点，全桥逆变电路中的开关管选择IGBT。

IGBT，全名叫做绝缘栅双极晶体管，是一种由功率场效应晶体管MOSFET和双极型功率晶体管组合而成的复合功率开关器件。由于它是一种复合的功率开关器件，所以IGBT兼具功率场效应晶体管（MOSFET管）极限频率高、阻抗高、驱动功率小、驱动电路不复杂和双极型晶体管的耐压值高、电流大等优点，因此IGBT被广泛使用在功率较高的逆变放大电路中。逆变电路的电路如图3所示。

图3中，电阻RG能够降低IGBT的功率损耗，取RG＝12Ω。电阻RGE能够防止IGBT出现误导通的情况，取RGE＝（1 000～5 000）RG。为了防止栅极－发射极电压过大，加入一正一反2个稳压管。在IGBT导通的瞬间，会出现浪涌电压，故设计R、C吸收电路［3］。

图3 功率逆变电路

根据要求，设计的超声电源IGBT型号选择英飞凌的IHW15N120R3，即

ICmax为IGBT集电极电流的最大值，ICmax＝30 A；trmax为IGBT关断电压的上升时间的最大值，trmax＝40ns；Vcc为直流输入侧的直流电压，VCC＝300V。

代入式（2）可得：

取C＝4.7nF，即

tonmin为IGBT导通时间的最小值，tonmin＝600 ns。将tonmin带入式（3），可得：

取R＝50Ω，即

Pr为吸收电阻所需功率；C为吸收电容值；VCC为直流侧电压值；f为IGBT工作频率

代入数值，可得：

通过MULTISIM建立吸收电路的仿真模型，输出结果如图4所示。

图4 吸收电路对于浪涌电压的效果

从图4中可以看出，在没有吸收回路时，IGBT导通和关断的瞬间，电压都会出现尖峰。加入了吸收电路后，可以看出电压尖峰得到了明显的改善。仿真研究表明，流电压驱动换能器正常工作。

3 信号发生电路设计

信号发生电路的作用是产生高频率的电压信号，作为IGBT驱动EXB841的输入信号，进而驱动逆变电路中的IGBT，使其正常工作，达到功率放大的效果。超声波电源需要的初始信号为方波信号，采用单稳态触发芯片555来产生高频率方波信号。为了死区电路调节的方便，在此，设计了一种基于555芯片的占空比可调的信号发生电路［4］，如图5所示。

图5 占空比可调的555信号发生电路

基于该电路的频率计算公式为［5］：

占空比为：

R3为滑动变阻器上半部分阻值；R′3为滑动变阻器下半部分阻值。将R1＝R2＝4.7kΩ、R2＝20 kΩ、C＝1.5nF代入式（5）中，可得：

由式（6）可得占空比的调节范围为：

4 驱动电源主电路的搭建及测试

实验搭建主电路电路板主要包括功率逆变印制电路板和电源信号印制电路板。功率逆变板的主要作用是将信号板产生的高频小功率信号处理成可以驱动换能器工作的高频大功率电压信号［3］。其主要包括全桥逆变功率放大电路以及IGBT驱动电路［4］。电源信号印制电路板中主要包括整流滤波电路、信号发生电路以及死区防护电路。整流滤波电路的作用是提供实验中所需的各种幅值的电压，为信号发生电路以及功率逆变电路供电；信号发生电路的作用是产生高频的方波信号，为IGBT驱动电路提供输入原始信号；死区防护电路的作用是为功率逆变电路的两路反相信号设置安全的死区时间。

将信号发生板上的P1～P4端子与4个24V／3W 的变压器相连接，信号发生板与逆变板上的白色端子的对应接线柱用导线连接，打开空气开关，用万用表测试各端子的电压。电压的数值如表1所示。

表1 各端子输出电压 V

从表1可以看出，电路电源信号板电压输出正常，无短路等错误的连接情况出现。

IGBT驱动EXB841的作用就是，将信号发生电路产生的高频电压信号放大成＋15 V的IGBT开启电压和-5 V的IGBT关断电压［5］，现通过实验验证IGBT驱动电路的设计连接的正确性。

在EXB841的引脚1和引脚3之间分别焊接出一根信号线做输出测试，将引脚3引出的信号线连接至示波器探针正端，1号引脚引出的信号线连接至示波器探针的地端，示波器的输出如图6所示。

从图6可以看出，IGBT的驱动EXB841成功的输出正向15 V、反相5 V的电压，正常的驱动IGBT开启和关闭，电路正确。其余3个IGBT驱动的测试方法相同，在此不做赘述。经过测试，从示波器中都得到了＋15 V和-5 V的电压信号，频率可在26～33范围内调整，因此，驱动电路设计连接正确，可以驱动IGBT顺利导通，实现驱动换能器正常工作的目的。

图6 示波器输出

5 结束语

根据超声波加工换能器驱动的特点，设计了专门的频率跟踪电路，并利用MULTISIM进行了仿真研究。该实验证明了该电路设计的性能指标能够很好地适应超声波光整加工的要求。与之前在超声波加工普遍应用的功率场效应晶体管MOSFET相比，IGBT具有输进阻抗高的特点，并且控制电路也能得到简化。对于其他需要利用频率跟踪的电压信号实现控制的场合，该IGBT电路大部分也能适用，只需改变相应的电阻值即可得到不同的输出电压值。

［1］ 赵淳生.超声电机技术与应用［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］ 曲学基，曲敬铠，于明扬.逆变技术基础与应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［3］ 孙佃升，白连平.一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计［J］.微电机，2007，40（6）：98-100.

［4］ 程民利.基于555定时器的应用电路设计与仿真［J］.中国电子商务，2010（1）：98-99.

［5］ 荣西林.电工与电子技术［M］.北京：冶金工业出版社，2001.