超聲功率源功放模塊的設計與研究

摘要：目前，水污染日益嚴重，新型水處理技術愈發(fā)得到重視，其中超聲水處理技術操作簡單、降解速度快、不產(chǎn)生二次污染，極具發(fā)展?jié)摿ΑｋS著超聲工程材料以及電力電子技術的發(fā)展，超聲水處理過程中用來驅(qū)動換能器高效工作的功率源正朝著智能化、數(shù)字化和高可靠性的方向發(fā)展。超聲功率源系統(tǒng)分為功率放大、匹配網(wǎng)絡和系統(tǒng)控制3個模塊，現(xiàn)對采用D類功放形式的功率放大模塊的設計進行簡單研究，主要包括主回路拓撲結(jié)構設計、開關管選型、驅(qū)動電路和電源電路設計。

關鍵詞：水污染;超聲功率源;功率放大;驅(qū)動電路

0 ? ?引言

功率放大電路是一種能量轉(zhuǎn)換電路。高頻功率放大器的主要功能是在允許的失真范圍內(nèi)放大高頻信號，為負載提供盡可能大的功率。功率放大不僅要實現(xiàn)對前級產(chǎn)生的高頻信號的放大，放在整個超聲功率源系統(tǒng)中還需考慮到要和后級的匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)阻抗匹配。因此，功率放大模塊的設計對于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作有著重要意義。

1 ? ?功率放大的工作原理

常見的模擬放大電路有A類、AB類、B類、C類、D類功放電路，各種功放電路的特點及比較如表1所示。

A類、AB類和B類放大器在非線性失真和實際功率方面存在著部分缺陷，C類放大器輸出波形嚴重變形，D類放大器的優(yōu)勢比較明顯。

D類功率放大器功放管工作在開關狀態(tài)，理想情況下，導通時內(nèi)阻為零，功放管沒有功率損耗，截止時，內(nèi)阻無窮大，電流又為零。D類功率放大器的開關原理能夠?qū)⒚}沖控制信號放大，具有效率高的特點，而且體積和重量相對同功率的線性放大器大為減少。對用于水處理的超聲電功率源，D類功放滿足了其高功、高效、高頻、寬帶、智能的要求，已成為目前使用最為普遍的方式。本設計功率放大電路亦選擇了D類放大形式。

2 ? ?功放電路拓撲結(jié)構與功率開關管的選擇

D類功放主回路常見的3種電路形式為半橋式、推挽式和全橋式。

（1）半橋逆變電路結(jié)構簡單，成本低，相對推挽式逆變電路，開關管耐壓要求可以降低為一半，但輸出功率更大;相對全橋逆變電路，耐壓要求一樣。其缺點是電源利用率較低，會出現(xiàn)半導通區(qū)，開關損耗大;為避免兩管直通，需加入死區(qū)控制。

（2）推挽式逆變電路與半橋逆變電路類似，其缺點是輸出端需要原邊帶有中心抽頭的變壓器，開關管比全橋電路少用了一半，但器件承受電壓也增加了一倍，適用于原邊電壓比較低的場合，在220 V交流設備中一般很少使用。

（3）全橋逆變電路需4個開關管，兩組開關管輪流導通。優(yōu)點是電路參數(shù)比較對稱，輸出的線性度比較好，輸出功率大，適合于輸入電壓比較高的場合，功率管通過的電流小，可采用成本較低的功率管，工作效率高，開關管耐壓要求低。缺點是功率損耗比較大，驅(qū)動電路較復雜，會出現(xiàn)半導通區(qū)，可能出現(xiàn)上下管直通狀態(tài)，需要死區(qū)控制。

本設計逆變主回路輸入電源由220 V市電直接整流濾波得到，考慮到工程實際，本系統(tǒng)選擇既便于擴展、成本較低，又能實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求的半橋式逆變回路為功放主回路。

關于功率開關管的選擇，半橋逆變主回路需選用N溝道的MOSFET。根據(jù)本設計要求，結(jié)合市場上功放管的供應情況，本系統(tǒng)最終選用MOSFET管功率開關IRFP460。

3 ? ?驅(qū)動電路的設計

本系統(tǒng)中IRFP460對柵極驅(qū)動的要求主要有：

（1）開關速度需要足夠快。

（2）為避免IRFP460誤導通，在關斷時，需提供一定的負偏電壓提高其抗干擾能力。

（3）為保證IRFP460的可靠開通，應使驅(qū)動電壓高于IRFP460的開啟電壓，通常取10～15 V。

本設計采用SG3525芯片來產(chǎn)生頻率為10～500 kHz的PWM信號，如圖1所示。

MOSFET管的導通電壓是10～15 V，但是從SG3525出來的信號電壓峰值很小，因此在SG3525后端加入一個乙類互補功率橋式放大電路，將前級的信號放大到12 V，并保持頻率不變，得到一個±12 V的PWM波，最后通過脈沖變壓器分成兩路加到兩個MOSFET管上。乙類互補功率放大電路及波形如圖2所示。

本設計采用的是橋式電路，具體電路如圖3所示。

因為SG3525需要12 V穩(wěn)壓電源供電，并且在放大電路中也需要12 V的電源。為此，設計了一個12 V和5 V的穩(wěn)壓電源，其電路如圖4所示。

4 ? ?功放逆變主回路電源設計

逆變主回路直流電源由220 V工頻交流市電經(jīng)整流濾波后得到，大約為300 V，原理如圖5所示。設計時主要應考慮整流橋的選擇。

整流橋額定電流經(jīng)計算應為輸出電流的3～10倍。選擇常用整流橋GBU2510，其額定電壓為1 000 V，正向連續(xù)電流是25 A，能夠滿足電路要求。在設計中還加入了保險絲，其額定電流是4 A，防止因電路的短路而燒壞元器件。

5 ? ?功放逆變主回路電路設計

由上分析可知，本系統(tǒng)功放逆變主回路為半橋形式，選擇變壓器隔離（一路輸入、兩路輸出），功放逆變主回路實際應用電路如圖6所示。

R101和R102的作用是抑制驅(qū)動時的浪涌電流和誤觸發(fā)，一般取值較小，本設計取值是22 Ω的繞線電阻，且實際電路中應盡量靠近柵極。R105和R106主要作用是防止靜電損壞MOSFET管，常取10 kΩ或5.1 kΩ阻值電阻。另外，MOSFET管應保證足夠的散熱，可使用散熱片及散熱風扇，復雜點可加上溫度保護電路。實際工作時，應先對驅(qū)動電路加電，后對主電路加電。

6 ? ?結(jié)語

超聲功率源是超聲水處理系統(tǒng)的核心設備，一臺性能穩(wěn)定、智能化的超聲功率源對提高廢水處理效率、解決實際廢水處理難題具有十分重要的意義。本次著重分析了超聲功率源功率放大模塊及其驅(qū)動電路的設計，對廣大的科技工作者而言，對超聲水處理的機理研究和參數(shù)優(yōu)化，能進一步提高處理效率，降低能耗，使這一新型水處理技術在實際廢水處理中得以廣泛使用，還有很多工作要做。

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收稿日期：2021-04-12

作者簡介：季清（1990—），男，江蘇靖江人，助理工程師，從事計量工作。