超声功率源功放模块的设计与研究

摘要：目前，水污染日益严重，新型水处理技术愈发得到重视，其中超声水处理技术操作简单、降解速度快、不产生二次污染，极具发展潜力。随着超声工程材料以及电力电子技术的发展，超声水处理过程中用来驱动换能器高效工作的功率源正朝着智能化、数字化和高可靠性的方向发展。超声功率源系统分为功率放大、匹配网络和系统控制3个模块，现对采用D类功放形式的功率放大模块的设计进行简单研究，主要包括主回路拓扑结构设计、开关管选型、驱动电路和电源电路设计。

关键词：水污染;超声功率源;功率放大;驱动电路

0    引言

功率放大电路是一种能量转换电路。高频功率放大器的主要功能是在允许的失真范围内放大高频信号，为负载提供尽可能大的功率。功率放大不仅要实现对前级产生的高频信号的放大，放在整个超声功率源系统中还需考虑到要和后级的匹配网络实现阻抗匹配。因此，功率放大模块的设计对于系统的稳定工作有着重要意义。

1    功率放大的工作原理

常见的模拟放大电路有A类、AB类、B类、C类、D类功放电路，各种功放电路的特点及比较如表1所示。

A类、AB类和B类放大器在非线性失真和实际功率方面存在着部分缺陷，C类放大器输出波形严重变形，D类放大器的优势比较明显。

D类功率放大器功放管工作在开关状态，理想情况下，导通时内阻为零，功放管没有功率损耗，截止时，内阻无穷大，电流又为零。D类功率放大器的开关原理能够将脉冲控制信号放大，具有效率高的特点，而且体积和重量相对同功率的线性放大器大为减少。对用于水处理的超声电功率源，D类功放满足了其高功、高效、高频、宽带、智能的要求，已成为目前使用最为普遍的方式。本设计功率放大电路亦选择了D类放大形式。

2    功放电路拓扑结构与功率开关管的选择

D类功放主回路常见的3种电路形式为半桥式、推挽式和全桥式。

（1）半桥逆变电路结构简单，成本低，相对推挽式逆变电路，开关管耐压要求可以降低为一半，但输出功率更大;相对全桥逆变电路，耐压要求一样。其缺点是电源利用率较低，会出现半导通区，开关损耗大;为避免两管直通，需加入死区控制。

（2）推挽式逆变电路与半桥逆变电路类似，其缺点是输出端需要原边带有中心抽头的变压器，开关管比全桥电路少用了一半，但器件承受电压也增加了一倍，适用于原边电压比较低的场合，在220 V交流设备中一般很少使用。

（3）全桥逆变电路需4个开关管，两组开关管轮流导通。优点是电路参数比较对称，输出的线性度比较好，输出功率大，适合于输入电压比较高的场合，功率管通过的电流小，可采用成本较低的功率管，工作效率高，开关管耐压要求低。缺点是功率损耗比较大，驱动电路较复杂，会出现半导通区，可能出现上下管直通状态，需要死区控制。

本设计逆变主回路输入电源由220 V市电直接整流滤波得到，考虑到工程实际，本系统选择既便于扩展、成本较低，又能实现系统功能要求的半桥式逆变回路为功放主回路。

关于功率开关管的选择，半桥逆变主回路需选用N沟道的MOSFET。根据本设计要求，结合市场上功放管的供应情况，本系统最终选用MOSFET管功率开关IRFP460。

3    驱动电路的设计

本系统中IRFP460对栅极驱动的要求主要有：

（1）开关速度需要足够快。

（2）为避免IRFP460误导通，在关断时，需提供一定的负偏电压提高其抗干扰能力。

（3）为保证IRFP460的可靠开通，应使驱动电压高于IRFP460的开启电压，通常取10～15 V。

本设计采用SG3525芯片来产生频率为10～500 kHz的PWM信号，如图1所示。

MOSFET管的导通电压是10～15 V，但是从SG3525出来的信号电压峰值很小，因此在SG3525后端加入一个乙类互补功率桥式放大电路，将前级的信号放大到12 V，并保持频率不变，得到一个±12 V的PWM波，最后通过脉冲变压器分成两路加到两个MOSFET管上。乙类互补功率放大电路及波形如图2所示。

本设计采用的是桥式电路，具体电路如图3所示。

因为SG3525需要12 V稳压电源供电，并且在放大电路中也需要12 V的电源。为此，设计了一个12 V和5 V的稳压电源，其电路如图4所示。

4    功放逆变主回路电源设计

逆变主回路直流电源由220 V工频交流市电经整流滤波后得到，大约为300 V，原理如图5所示。设计时主要应考虑整流桥的选择。

整流桥额定电流经计算应为输出电流的3～10倍。选择常用整流桥GBU2510，其额定电压为1 000 V，正向连续电流是25 A，能够满足电路要求。在设计中还加入了保险丝，其额定电流是4 A，防止因电路的短路而烧坏元器件。

5    功放逆变主回路电路设计

由上分析可知，本系统功放逆变主回路为半桥形式，选择变压器隔离（一路输入、两路输出），功放逆变主回路实际应用电路如图6所示。

R101和R102的作用是抑制驱动时的浪涌电流和误触发，一般取值较小，本设计取值是22 Ω的绕线电阻，且实际电路中应尽量靠近栅极。R105和R106主要作用是防止静电损坏MOSFET管，常取10 kΩ或5.1 kΩ阻值电阻。另外，MOSFET管应保证足够的散热，可使用散热片及散热风扇，复杂点可加上温度保护电路。实际工作时，应先对驱动电路加电，后对主电路加电。

6    结语

超声功率源是超声水处理系统的核心设备，一台性能稳定、智能化的超声功率源对提高废水处理效率、解决实际废水处理难题具有十分重要的意义。本次着重分析了超声功率源功率放大模块及其驱动电路的设计，对广大的科技工作者而言，对超声水处理的机理研究和参数优化，能进一步提高处理效率，降低能耗，使這一新型水处理技术在实际废水处理中得以广泛使用，还有很多工作要做。

[参考文献]

[1] 畅福善.智能大功率超声波电源的设计[J].运城学院学报，2009，27（2）：33-34.

[2] 陈新国，程耕国.D类功放的设计与分析[J].电子元件与材料，2004，23（2）：28-30.

[3] 康华光.电子技术基础：模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

收稿日期：2021-04-12

作者简介：季清（1990—），男，江苏靖江人，助理工程师，从事计量工作。