宽电压输出的高频逆变器设计

周凝沙，余厉阳

(杭州电子科技大学微电子CAD研究所，浙江 杭州 310018)

宽电压输出的高频逆变器设计

周凝沙，余厉阳

(杭州电子科技大学微电子CAD研究所，浙江 杭州 310018)

针对医疗手术消融中高频率可控功率设备的需求，提出了一种基于Buck和后级推挽逆变级联的设计方案.输入电压经过Buck电路将电压降低至设定值，然后经过推挽逆变电路得到所需高频交流电.并针对该方案对补偿控制环节及高频变压器进行了设计，最后研制了样机.测试结果表明，电路反应快速，输出电压纹波小于100 mV，电压可调范围为0～160 V，最大输出功率为150 W，验证了方案的可行性.

Buck降压；推挽逆变；补偿；高频变压器

0 引 言

消融手术作为一种微创治疗技术正在代替传统的治疗方法，此项技术在1926年正式应用于临床医疗.目前手术消融设备正朝着用途多样化、设备小型化及控制精准化的方向发展.新型高频氩气刀、高频超声手术系统在临床中取得了显著的效果，这类新型设备普遍采用了响应速度快、稳压效果好的大功率MOS管及高性能处理器，实现了监护控制、时间控制、自动凝血控制、功率控制等精准控制功能[1].相比国外，国内虽然也在快速发展但关键技术相对落后，研制的设备在操作性、控制精度等方面与国外有一定的差距[2-3].本文针对这方面问题，优化了设计方案，直接对220 V市电整流降压处理，获得了宽范围电压输出，通过反馈补偿环节优化参数设计，提升了电路控制精度及稳定性.本方案适用于临床手术消融领域，具有良好的应用前景.

1 总体方案设计

图1 总体框图

系统总体结构框图如图1所示.系统主要包括EMC滤波电路、整流电路、Buck稳压电路、SG3526控制电路、推挽逆变电路及单片机控制电路；输入经过EMC滤波得到可靠的低干扰60 V交流电.Buck电路由SG3526芯片控制，控制器将采样电压值与设定值比较，输出可变占空比PWM波，从而实现电压闭环调节并稳定电压输出[4-5]；逆变电路采用推挽结构；通过合理设置死区时间，FPGA芯片产生2路100 kHz且占空比稳定的PWM驱动信号，信号经过光耦隔离驱动，输出高频交变电流.

2 硬件电路设计

本电路指标为输入60 V交流电，输出电压峰峰值范围80～160 V，最大输出功率150 W、输出信号频率100 kHz；电压纹波小于100 mV，整机平均效率不低于85%.

Buck降压电路如图2所示，本文主要介绍Buck电路参数设计、控制补偿电路设计、推挽高频变压器设计.

图2 Buck电路图

2.1 电感电容设计

电感在电路中以充放电的形式工作，系统电感设计要求是输入直流电压Vin为85 V、输出最大直流电压Vout为75 V、输出最大电流I为2 A、PWM最大占空比D为0.85、Buck电路中开关频率为22 kHz、周期T为45 μs；本文选择最大电流以及最大输出电压是为了给系统保留一定的余量.在电流连续CCM模式下，开关导通时刻电感计算公式为：

(1)

开关关断时刻为：

(2)

其中，I=0.4I0，计算可得L=0.7 mH，为保留一定余量，取1.2 mH.

考虑到输出电压纹波小于100 mV，输出额定电流1.5 A，根据Resr计算公式：

(3)

其中，Vr r为纹波电压，计算得Resr=33 mΩ.根据电容时间常数C×Resr取值75 μs，可得C=2 272 μF.

2.2 控制电路设计

图3 控制闭环系统

开关变换器是一个带有闭环控制的离散、非线性系统，通过建模可以更好地分析开关电路；闭环控制环路如图3所示.Gc(s)为补偿网络传递函数，H(s)为反馈分压网络传递函数，脉宽调制器传递函数值为1/VM，VM为锯齿波幅值，Gvd(s)为控制-输出传递函数，Gvg(s)为输入-输出传递函数，Zout(s)为开环输出阻抗[6-7].经过Buck电路模型分析得到部分传递函数表达式为：

(4)

(5)

根据图3可得系统开环传递函数为：

(6)

图4 校正前伯德图

图4为系统伯德图，可以看出系统穿越频率为584 Hz，相位裕量为16.5°；系统具有一定的稳态性能，但动态性能较差；同时，高频段斜率较低，系统抑制噪声能力不强[8].为提高电路相位裕度和穿越频率，采用SG3526控制芯片构成图5所示的PID补偿电路，其中传递函数为：

(7)

校正后系统开环伯德图如图6所示，可以看出，低频段增益明显提高，稳态性能增强，相位裕量为43.6°，满足动态性能要求；同时，高频段增益下降也有所加快，一定程度上提高了电路抗噪声干扰性能[9].

图5 补偿电路

图6 校正后伯德图

2.3 推挽高频变压器设计

设计参数为最大输出功率150 W，开关频率100 kHz，最大输出电流2 A.

使用AP法选择磁芯：

(8)

(9)其中，Ap为查找磁芯参数值；Ae为磁芯有效截面积；Aw为磁芯窗口系数；Po为输出功率；Bw为磁芯材料工作磁通密度，本文选择锰锌铁氧体材料，饱和磁通密度为0.5 T，为了防止变压器饱和，选择磁通密度为0.16 T；f为开关频率，取100 kHz；kc为窗口填充系数，取0.4；ku为方波波形系数，取4；J为导线电流密度，取4 A/mm2.PT为变压器传输视在功率，推挽结构电路PT与Po的关系如式(9)所示；变压器变换效率取0.9.

将以上数值代入式(8)和式(9)，计算得Ap=4 300 mm4，再考虑到20%的裕度，Ap取值为5 160 mm4，根据磁芯数据表选择PQ26磁芯结构，该结构Ae=118 mm2.

变压器原边匝数：

(10)

其中，Uin为变压器输入最小电压值，值为30 V；D为开关管的占空比，取值0.4；T为方波周期；ΔB为磁通密度变化量，取值0.32 T.

图7 设计实物图

计算得N11=N12=3.174≈4，原边绕组匝数为4匝.考虑到变压器起到隔离逆变的作用，同时需要提高耦合度，副边取与原边相同匝数4匝.

3 实验结果

经过理论分析与实验仿真，搭建实验电路，设计实物图如图7所示.图8为系统加入补偿前的阶跃响应图，图9为系统加入补偿后的阶跃响应图.对比图8、图9可以看出，系统超调量降至37%，经过控制电路补偿后，电路响应更加快速，稳定性更好.

图8 校正前阶跃响应

图9 校正后阶跃响应

电路在常温25 ℃，湿度48%(常湿)且无震动和电磁干扰的环境下对离体新鲜猪肉组织进行多次测试.在每个特定档位下，轻微改变直流输入电压模拟电压扰动，并调节功率负载大小，记录输出电压及纹波电压数据，经过处理得到结果如表1和图10所示.可以看出，经过电压反馈调节，每个档位输出电压稳定，电压纹波小，输出平均效率较高，满载效率达到90%以上，相比效率在85%以下及输出功率较低的传统设备，本电路性能更优越.

表1 整机测试结果

消融效果图如图11所示.功率在40～100W条件下，手术电刀最慢在4s内可以产生直径约1cm的坏死组织，速度较快，具有较好的效果.

图10 纹波、效率曲线

图11 消融效果图

4 结束语

本文针对国内现有消融设备存在的问题，设计了基于Buck和推挽逆变级联结构的电路.电路可实现稳定的宽范围电压输出，进一步提升了输出效率.为验证方案可行性，研制了样机，经过对样机各项进行了测试，达到了预期指标，对医学辅助治疗具有一定的帮助.

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[7]杨航，刘凌，阎治安，等．双闭环Buck变换器系统模糊PID控制[J]．西安交通大学学报，2016，50(4)：35-40．

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Design of High-frequency Inverter with Wide Output Range

ZHOU Ningsha, YU Liyang

(InstituteofMicroelectronicsCAD,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

In order to meet the need for high-frequency controlled power equipment in the field of surgical ablation, it puts forward the design scheme based on Buck and post push-pull inverter cascade. The input voltage decreases to the setting value after the voltage reduction of Buck circuit, and then to obtain the required high frequency alternating current by the push-pull inverter circuit. The controlling unit of compensation and the high frequency transformer are designed according to the scheme. The model machine is finally developed, the test results show that the circuit response is fast and the output voltage ripple is lower than 100 mV, and the adjustable range of the voltage is 0-160 V and the maximum power output is 150 W, it verifies the feasibility of the scheme.

Buck; push-pull inverter; compensation; high frequency transformer

2016-07-21

浙江省重大科技专项计划资助项目(2014C03017)

周凝沙(1990-)，男，浙江慈溪人，硕士研究生，电子科学与技术．通信作者：余厉阳副教授，E-mail:yuliyang@hdu.edu.cn.

TM464

A

1001-9146(2017)02-0010-05