1 引 言
大功率超聲波裝置除用于工業(yè)清洗外，還在醫(yī)療、軍事、石油換能器技術，以及海洋探測與開發(fā)、減噪防振系統(tǒng)、智能機器人、波動采油等高技術領域有著廣泛的應用前景[1]。超聲波裝置由超聲波電源">逆變電源和換能器組成。近年來，由于新型稀土功能材料的開發(fā)和研制成功，使制造大功率超聲波換能器成為可能，但與之配套的高頻正弦電源">逆變電源產品尚為少見。目前，市場上的大功率正弦逆變電源均為采用IGBT制成的中低頻產品[2]，而高頻逆變電源大多數(shù)是方波電源或占空比可調的脈沖逆變電源。因此，高頻大功率正弦逆變電源已成為超聲波應用的瓶頸，使得對該電源的研制已成為急待解決的問題。這里，應用混合脈寬調制(Hybrid Pulse Width Modulation，HPWM)控制技術，采用MOSFET并聯(lián)運行方式，應用單片機組成智能控制系統(tǒng)，對高性能、大功率正弦超聲波逆變電源的研制進行了研究。
2 系統(tǒng)構成
用于高性能、大功率正弦超聲波的逆變電源，其頻率為25kHz，功率為4.5kW。電壓要求在0～200V之間可調，頻率要求在10～25kHz之間可調。
2.1 方案的設計
圖1示出該
逆變電源的系統(tǒng)硬件構成框圖[3]。它由AC/DC和DC/AC兩大部分組成。包含有交-直-交主電路、驅動電路、單片機控制系統(tǒng)、低通濾波器、顯示及保護等主要環(huán)節(jié)。
主電路由220V市電直接供電。單相交流電壓經晶閘管恒流恒壓控制模塊將交流轉換為直流，為逆變器提供恒定的直流電壓。
為了使逆變能得到性能和波形比較好的正弦輸出，需要有較大的載波比。由于其載波信號將達400～600kHz，因此只能選用MOSFET作為開關器件。但是，MOSFET的輸出功率較小，為了增大輸出功率，可采用MOSFET并聯(lián)運行的方式來解決高頻與大功率間的矛盾。
逆變部分采用頻率恒定的三角載波信號與輸入的正弦波進行異步調制?？刂品绞讲捎肏PWM技術.將直流電壓逆變成一系列等幅的脈沖信號。其脈沖信號的幅度和脈寬始終與調制正弦波成正比。這些脈沖信號經低通濾波器將高頻載波信號濾除后.即可得到與調制波同頻的正弦波輸出。因此只要改變輸入的調制波，就可容易地實現(xiàn)幅度可調的變頻正弦波輸出。
2.2 單片機控制系統(tǒng)
該電源采用專為控制逆變器設計的80C196MC單片機作為逆變的控制核心[4，5]。80C196MC單片機內部的波形發(fā)生器WFG，占用CPU時間非常短.可由P6口直接輸出4路PWM信號用于逆變器的驅動。由80C196MC和EPROM2764構成最小微機系統(tǒng).將完成超聲波頻率和電壓大小的給定.以及載波頻率的設定，并模擬輸出單極性正弦波恒幅脈寬調制HPWM信號?？蓪崿F(xiàn)電壓幅度和頻率的顯示.以及電源的保護控制。
2.3 逆變主電路及HPWM控制方式
在高頻下運行時，功率管的開關損耗極大.器件易于損壞，限制了功率的提高。該電源的關鍵技術難題是在高頻條件下，如何得到大功率的變頻正弦波輸出。即逆變器的難點是如何降低開關管的開關損耗，使du/dt及di/dt應力大為下降，以實現(xiàn)高頻逆變。為了達到這些目的。逆變主電路采用了易于實現(xiàn)軟開關技術的單相全橋拓撲結構.在控制方式中采用了HPWM控制方式。圖2示出逆變器的主電路拓撲。圖3示出4個開關管的驅動信號及逆變器的輸出信號。
HPWM控制方式的實質仍屬于單極性SPWM控制方式。逆變橋輸出端得到的是三態(tài)輸出電壓波、形。在輸出電壓的正半周，正弦調制波與三角載波交/截產生的脈沖信號控制VS1和VS3橋臂高頻互補通斷;控制VS2和VS4橋臂低頻互補通斷，即VS2關斷，VS4導通。在輸出電壓的負半周，兩橋臂的工作狀態(tài)互換。VS1一直關斷，VS3一直導通，VS2和VS4高頻調制工作。HPWM控制方式中總有兩個功率管工作在低頻情況下，在總體上減少了開關損耗，這對于在高頻下提高功率是極為有利的。與一般的SPWM控制方式相比。HPWM方式下兩個橋臂交替工作于低頻和高頻狀態(tài)，使兩個橋臂工作對稱，功率管工作狀態(tài)均衡，這將延長功率管的使用壽命，使整個電路的可靠性增加，具有電壓利用率高，諧波含量小，開關損耗低的優(yōu)點。由于每個開關管都并聯(lián)了電容，在濾波電感參數(shù)選擇適當?shù)那闆r下，電路很容易實現(xiàn)開關管的零電壓通斷(ZVS)，使du/dt及di/dt應力大為下降，完全可以實現(xiàn)高頻大功率逆變。
2.4 驅動電路
開關管的驅動電路可采用最新的LM5111驅動器。它采用SOIC-8腳封裝，并為輸入和輸出級提供獨立的接地及參考電壓管腳，以便支持采用分開供電設計的門極驅動配置。LM5111芯片的峰值輸出電流高達5A，LM5111的兩條5A電流驅動通道可各自獨立，也可并行連接，將峰值輸出驅動電流提高至10A，以便能以極高的效率驅動極大的功率MOSFET。 LM5111的工作頻率高達1MHz，其開通、關斷延遲小，分別為12ns和14ns。完全能滿足該電源的要求。
3 軟件實現(xiàn)
3.1 主程序
圖4示出主程序流程圖。它包含初始化子程序、HPWM信號產生子程序、鍵盤掃描和顯示子程序。初始化子程序中，80C196MC對堆棧地址及載波頻率等參數(shù)進行初始化，并對單片機本身的各個I/O端口、中斷及波形發(fā)生器等設定工作方式?？赏ㄟ^鍵盤給定所需輸出的正弦波頻率，由顯示程序進行顯示。顯示子程序可對電壓信號進行定時采樣，A/D轉換后，動態(tài)、分時顯示正弦波的頻率和幅度值。
3.2 HPWM信號產生子程序
HPWM是由正弦調制波與等幅的三角載波相比較產生的。波形發(fā)生器在中心對準方式下，WG—COUNTER的計數(shù)過程形成了一個虛擬的三角波載波。正弦調制波可通過查表方法實現(xiàn)。由于輸出HPWM波具有對稱性，因此只需建立0
