[精品论文]200KHZ水处理超声功放电路设计

[精品 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]200KHZ水处理超声功放电路设计 课件 超市陈列培训课件免费下载搭石ppt课件免费下载公安保密教育课件下载病媒生物防治课件 可下载高中数学必修四课件打包下载 之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 本科毕业设计论文 课题名称 200kHz水处理超声功放电路设计 任务书 ?、毕业设计(论文)题目: 200kHz水处理超声功放电路设计 ?、毕业设计(论文)工作内容(从综合运用知识、研究 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计、研究方法和 手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明): 1毕业设计目标: (1)培养综合运用知识，独立开展工程实践的能力; (2)学会新器件的使用; (3)掌握功率放大电路的原理及其电路调试; (4)掌握模拟电路的相关知识，protel电路板设计及PCB制作技术 。 2研究方法及手段应用: (1) 查阅相关论文资料，并与以往知识相结合，融会贯通; 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 (2) 向有经验的同学请教; (3) 自己多动手，多实践。 3毕业设计预期效果: (1)实现推动变压器的四路无失真波形传输; (2)实现功率放大电路对换能器的驱动 4平台硬件设计及软件实现: 设计系统平台的基本架构，应用protel设计硬件电路及PCB制版 5熟悉查找资料的方法，掌握研究总结和论文的基本写作要领，学会用多媒体课 件言简意赅的报告研究进展。 ?、进度安排: 07年12月10日,12月30日:安排设计任务，明确研究目标，制订研究计划; 07年12月31日,08年1月20日:查阅相关资料，技能训练，熟悉总体结构; 2月25日,3月16日:硬件设计，完成功率放大电路的设计与调试; 3月17日,4月6日:硬件设计，完成变压器的设计与调试; 4月7日,4月27日:迎接毕业设计中期检查，阶段性成果报告; 4月28日,5月18日:整体系统调试 ; 5月19日,6月8日:总结研究成果，撰写毕业论文，通过毕业论文答辩。 ?、主要参考资料: [1] 冯若. 超声 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [M]. 南京:南京大学出版社, 1999 [2] 张占松、蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社.2005 [3]陈劲松. PWM技术在音频放大器中的应用[J] 湖北汽车工业学院学 报,2003.17(3):35-39 [4]张世莉、黄开军、梁剑波. 一种高效率全桥功率放大器的设计[J] 微电子 学.2004.34(2):158-160 [5]李祥臣 通用模拟电路[M].北京:中国计量出版社.2001 指导教师: 朱昌平 ， 2007 年 12月 15日 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 学生姓名:曾晓阳 (学号:20042010 签名: ) ， 专业年级:通信工程2004级 系负责人审核意见(从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核): 系负责人: ， 2007 年 12 月 20 日 摘 要 课题来源于国家大学生创新计划项目——超声、臭氧联合污水处理，本文研究的内容是其中子课题之一。 论文主要设计了用于水处理中超声驱动电路的功率放大电路，实现了对100kHz,300kHz方波的功率放大，输出最大功率为100W左右。 论文深入分析了适用于该大功率驱动电路中开关功率放大器的工作原理。以单相全桥电路为拓扑主回路，根据电路中对频率、功率等参数的要求和通过对不同调制方式的比较。本设计最终采用PDM调制方式，并且选择频率特性高的MOSFET，缩短开断时间，减少了不必要的损耗，提高功率开关管的利用率。 论文根据驱动电路的原理，选择耦合驱动式进行驱动隔离，增强负载驱动能力，提供大电流，并且可以通过自制变压器进行隔离缓冲，实现信号的无失真传输，满足MOSFET开启电压的条件。最终通过系统调试，实现了对压电超声换能器的驱动，验证本文所选方案的正确性和可行性。 论文还分析了LC滤波电路，简单介绍了单级LC滤波器推算原理，并且结合换能器的复杂特性对网络匹配问题进行展望。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 关键词:开关功率放大器;PDM;H桥电路;变压器 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 Abstract The study described in this paper rooted in a project ultrasonic、 he project was supported by Innovated plan of ozone sewage treatment. T National University Students. This paper is one of its neutron topics. The paper has mainly designed power amplified circuit being used for the water treatment drive ultrasonic transducer, it has realized the power amplification being frequency from 100kHz to 300kHz square, the maximum power output is nearly 100W. In the first place, paper has deeply analyzed the principle for the switching power amplifier which was suitable for the high efficiency driving circuit. The paper has taken single-phase bridge inverter circuit as the topology main circuit. Through the different modulation system's comparison and the parameter of the frequency and power, the paper used the PDM modulation. And according to the circuit value, the paper has chosen MOSFET of the high frequency in order to reduce the on-off time, to increase the utilization, to reduce the nonessential loss. According to the principle of driving circuit, the paper has used coupling actuation type for carrying on the actuation isolation. It has good capable of driving force and also provides enough electric current. Then through the self-made transformer, it can realize the isolation and the transmission of the non-distorted signal. All of these, it will be benefit for the demand of MOSFET switch voltage. At last, the whole system has been debugged and was able to drive transducer. The design scheme is proven to be the valid and feasible. The paper also has analyzed the LC wave filter and simply introduced the principle of single stage LC filter. Then from the complex characteristic of ultrasonic transducer the relationship of electrics resistor and ultrasonic frequency combining with changer matching, we will have more to do in the future. Keywords:Switching power amplifier; PDM; H-bridge; Transformer 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 目录 第一章 绪论........................................................ 1 1.1 课题简介 ................................................... 1 1.1.1 课题背景.............................................. 1 1.1.2 课题来源及研究意义.................................... 1 1.2 超声水处理对功放的要求 ..................................... 2 1.3 论文的结构及研究内容 ....................................... 2 第二章 功率放大器的工作原理........................................ 4 2.1 D类放大器的介绍............................................ 4 2.1.1 常见的功率放大器...................................... 4 2.1.2 D类放大器 ............................................ 4 2.1.3 D类放大器工作原理 .................................... 5 2.2 开关功率放大器的调制原理 ................................... 6 2.2.1 PWM调制分析 .......................................... 6 2.2.2 PDM调制分析 .......................................... 7 2.2.3 功放电路的工作方式.................................... 8 功放电路的效率 ............................................. 8 2.3 2.4 本章小结 .................................................. 10 第三章 功率放大器逆变主回路设计................................... 12 3.1 主回路结构 ................................................ 12 3.1.1 推挽式电路........................................... 12 3.1.2 半桥式电路........................................... 12 3.1.3 全桥式电路........................................... 12 3.2 功率开关管的选择 .......................................... 14 3.2.1 整体概述............................................. 14 3.2.2 MOSFET的选择 ........................................ 15 3.2.3 芯片IRF840B ......................................... 18 3.3 本章小结 .................................................. 20 第四章 H桥驱动电路的设计 ......................................... 21 4.1 H桥前级驱动电路........................................... 21 4.1.1 驱动方案的选择....................................... 21 4.1.2 驱动芯片的选择....................................... 22 4.1.3 芯片TPS2811 ......................................... 23 4.2 H桥推动变压器的设计....................................... 25 4.2.1 设计的要点........................................... 25 4.2.2 变压器的绕制......................................... 26 4.3 本章小节 .................................................. 28 第五章 LC滤波电路的设计分析 ...................................... 29 5.1 滤波器的分类 .............................................. 29 5.2 LC滤波电路的设计分析...................................... 29 5.2.1 设计LC滤波电路的一般要求............................ 29 5.2.2 单级LC滤波器的分析.................................. 30 5.2.3 H桥滤波电路的分析 ................................... 31 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 第六章 全文总结与展望............................................. 33 致谢............................................. 错误～未定义书签。35 参考文献........................................................... 36 附录一 系统硬件电路图.............................................. 38 附录二 实物图...................................................... 39 附录三 翻译........................................................ 40 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 第一章 绪论 1.1 课题简介 1.1.1 课题背景 近年来，全球的环境问题日趋严峻，“三废”问题特别是工业废水被大量直接和超标排放到自然界中，以及太湖、巢湖等湖泊的蓝藻泛滥给人类造成了巨大的经济损失，严重威胁着人类的生存环境。传统的废水处理方法有很多，例如:微电解法，反渗透系统，微生物絮凝剂法，活性炭吸附，臭氧氧化和超滤法等等。其中，对含有有机污染物的废水进行处理是处理中的重要技术环节，但是运用传统的物理、生化或化学氧化法，处理周期普遍较长，降解效率较低。 声化学是超声学与化学紧密结合的产物，是一门新兴的交叉学科，在开创安全、廉价及无污染的“绿色”化学工业的探索中崭露头角。功率超声是以物理、电子、机械振动、材料等学科为基础的现代高新技术之一,它是以能量使物体或物性变化的功率应用，在国民经济中它对提高产品质量，降低生产成本、提高生 [1]产效率、防止环境污染等具有特殊潜力。与其他处理技术比较，常常能大幅度地提高处理速度，提高处理质量和完成一般技术所不能完成的处理工作，因此， 功率超声作为废水处理的一种新兴手段已经受到广泛的关注，其降解条件温和，降解速率快，可以单独或与其他水处理技术联合使用，尤其是对工业废水中的有 [2-5]毒有害有机物的降解和蓝藻污染水体的灭杀效果非常显著。 1.1.2 课题来源及研究意义 大功率超声处理是通过超声能量对物质的作用来改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术。基于实验室已经申请的国家大学生创新计划项目——超声、臭氧联合污水处理，这就需要将功率超声电源的激励信号通过设计的功放电路，目的是能够使信号大功率输出，高效的驱动换能器，达到处理污水的效果。 本课题的研究意义在于:由于实验平台的缺乏，特别是大功率超声电源、功率放大器的缺乏给实验人员带来了很大的不便，严重影响了超声水处理的研究进程。为了能够深入研究超声水处理的机理，找出处理中的最优化参数，降低处理成本，还需要物理、化学、计算机、电子和通信等相关专业工作者紧密配合，充课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 分利用各专业已有的成果，争取早日实现超声水处理技术的大规模应用。在整个课题研究过程中，论文围绕大功率这主线，以大容量、声场分布均匀的声化学反应器为应用背景,因此本课题在声化学工业推广的进程中起到一定的促进作用。 1.2 超声水处理对功放的要求 超声水处理实验就是利用功率超声换能器产生的超声波对废水中有机污染物或蓝藻进行降解，其基本原理框图如图1.2.1所示。功放电路的设计任务就是将信号发生器产生的信号尽量不失真地放大到适合驱动超声换能器的功率信号。 图1.2.1 超声水处理实验框图 通过前期试验研究，确定超声水处理换能器对开关功放电路的参数要求如下: 1、输出功率:0,100W可调，其步进为6W; 2、频带宽度:100kHz,300kHz; 1.3 论文的结构及研究内容 本次设计围绕功率放大器进行了多方面的研究，通过对D类放大器原理的分析比较，再根据电路参数所要求的频率，功率对不同调制方式进行了分析，重点探讨了PDM调制技术，最终综合电路的实际情况采用新型的功率放大器。通过如图1.3.1所示的系统框图，对整个系统进行了调试，实验结果证明本研究课题的理论正确性，达到了预期效果。 驱动电路及 H桥电路匹配网络换能器 推动变压器 图1.3.1 系统框图 由系统框图可知整个电路设计系统的流程。首先满足换能器所需要的频率、功率，然后进行选择功放电路中所需的开关工作原理，逆变电路的主回路工作形课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 式以及相应的滤波电路、匹配网络，最后根据整个H桥电路来确定驱动电路以及前后级的隔离方式。最终进行系统的整体调试，达到所需要的效果。 本论文共分六章，其具体研究内容如下: 第一章是提出了研究超声水处理功率放大器的必要性，并对超声水处理实验对功率放大器的要求作了简单说明，并进行简单的整体系统描述。 第二章是对功放电路工作原理的比较分析，再根据电路中实际所给的参数，对原有的D类放大器进行改进，选用PDM调制的工作方式。 第三章是根据设计电路的要求以及各个参数的对比，对逆变主回路结构进行 ，并且根据所确定H桥电路进行功率开关管的选择。 了设计 第四章简单地阐释驱动电路设计的重要性，自制符合电路要求的变压器。 第五章对功放电路中LC滤波进行理论分析，明确以后需要继续完善的目标。 第六章为全文总结与展望。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 第二章 功率放大器的工作原理 2.1 D类放大器的介绍 2.1.1 常见的功率放大器 功率放大器应用于各种需要大输出功率的电子线路中，其实质是一种能量转 [6-8]换电路。线性功率放大器按信号导通角的大小可以分为A，B，AB，C四类。 0A类放大器导通角为360，偏置点位于线性放大区的中部。它的特点是非线性失真小。由于存在较大的静态电流，管耗是一个恒定值，故集电极或漏极效率低，其理论最大值为50,，通常只有30,,40,。 0B类放大器导通角为180，偏置点位于线性放大区的底部。由于导通角仅有 0180，相对于A类功放，失真较大，但效率提高，其集电极效率的理论最大值为78.5,。 如果给B类放大器加上少许偏置，使其工作点上移，则构成AB类放大器，由于AB类放大器增加了两个消除交越区的二极管，可以使两只晶体管在同一时刻导通，从而克服交越失真，性能有所改善。它的实际效率可达到60,,70,，失真度较B类小。 0C类放大器导通角小于180，电路中一定包含有既起滤波作用又起阻抗匹配作用的输出调谐回路，同时基极(或栅极)馈电(偏置)电路、集电极(或漏极)馈电(偏置)电路有特殊要求。它的效率比较高，但是使用频率范围有限制。主要应用在高频(窄带)场合。 由A, B,AB,C类放大器的特性可知，这几种模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入信号的大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能，并且影响放大器的效率的主要因素是无信号时的直流损耗。 2.1.2 D类放大器 D类放大器是一种完全不同的放大器，它并不是什么放大器工作点的选择。而 [9]完全采用了和模拟放大器绝然不同的技术。D类放大器是采用脉宽调制(PWM)原理设计，其功放管工作在开关状态。在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗;而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 2有功率损耗。它在实际的工作中的功率消耗主要由两部分构成:转换损耗和IR损耗。转换损耗如图2.1.1所示: 图2.1.1 转换损耗的产生 当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管如果采用的是金属氧化物半导体场效 2应晶体管(MOSFET管)，它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以IR损耗相对来说还是很小的。当达到最大额定功率时，D类放大器的效率在80,到90,的范围内。基于上述分析可以选择利用开关放大的原理进行电路的设计。 2.1.3 D类放大器工作原理 [10]D类放大器的电路共分为三级:输入开关级、功率放大级以及输出滤波级。 1、输入开关级 D类放大器工作在开关状态下可以采用脉宽调制(PWM)模式。如图2.1.2所示的比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平;反之则输出为高电平。 +VCC 正弦波 示波器 比较器 三角波 -VCC 图2.1.2 利用比较器实现的PWM 2、功率放大级 比较器的输出与功率放大电路相连，功放电路采用MOSFET，具有较快响应时间。D类放大器需要两只MOSFET，可在较短的时间内工作于完全导通或截止状态。当一只MOSFET导通时，其管压降很低;而当其截止时，通过管子的电流为零。两只MOSFET交替工作在导通和截止状态的开关速度非常快，因而效率极高。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 3、输出滤波级 信号经过功放级之后通过一个LC低通滤波器,可以将PWM信号复原为具有一定失真的模拟信号，与滤波器相连的则是负载。一般的负载是音响设备。 简而言之，D类放大器由3个主要部分组成:输入开关级、功率放大电路以及低通滤波器，这些连接在一起就构成了如图2.1.3所示的D类放大器。 S PMOS正弦波+VCCGViDV2V3Vo D比较器负载 V1G NMOS三角波S-VCC 图2.1.3 D类放大器的基本模型 由上述分析易知，D类放大器的开关原理能够将控制信号放大，可是由于电路中的频率参数是100kHz,300kHz，在机械波中属于高频段，这类电路结构只能用于低压低频的信号，根本不能满足电路中所要的高压高频的要求。由图2.1.3可知这种D类放大器需要提供双电源才能工作，在实现上比较复杂，并且不能保证电路的稳定性 。因此在开关工作的原理上，电路的设计需要进行改进，进行新的电路组合，并且寻找新的调制方式，才能保证换能器的有效驱动以及满足电路的设计要求。 2.2 开关功率放大器的调制原理 2.2.1 PWM调制分析 PWM(脉冲宽度调制)是一种通过脉冲频率固定，用输入信号去调制脉冲宽 [11-12]度的方式。 1、从能量的角度来看，在每个时间内，正弦波与所对应的脉宽波所包含,t 的能量等，这样调制后得到的脉宽调制波作用在一个惯性系统(RLC)后，其效果与响应的正弦波相同。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 2、从频域角度分析，三角波经过调制得到典型的正弦脉宽调制波形: 正弦波 三角波 u in t u out 图2.2.1 SPWM法的工作原理 t 采样控制理论中的一个重要结论:两个冲量相等而形状不同的窄脉冲加到惯性环节上(比如LC低通滤波器)其效果是相同的。正弦脉宽调制SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。图2.2.1为SPWM法的工作原理，它是利用三角载波电压与正弦信号波电压相比较，来调节各分段矩形脉冲的宽度。 2.2.2 PDM调制分析 PDM(脉冲密度调制)是一种脉冲宽度固定，用输入信号去调制脉冲频率的 [13]方式。就是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率。其控制原理如图2.2.2所示。 图2.2.2 PDM控制原理图 这种控制方法的基本思路是:假设总共有N个调功单位，在其中M个调功单位里逆变器向负载输出功率;而剩下的N,M个单位内逆变器停止工作，负载能量以自然振荡形式逐渐衰减，不过通过选择高性能的开关管能够降低电路中能量衰减的时间。输出的脉冲密度为M/N，这样输出功率跟脉冲密度就紧密联系起来了。因此通过改变脉冲密度即占空比就可改变输出功率，并且结合后续电路的匹课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 配网络能够达到电路最大功率的输出。PDM调制方式主要优点就是适合高频情况工作，且输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实现数字化控制，比较适合于开环工作场合。 在本次设计电路中，若驱动换能器的高频信号经过SPWM调制，根据采样定理可知，fc?2fs，在实际应用中为提高电路准确性，往往要求fc?15fs,这样当开关管导通时，频率越高，管子越热，并且呈指数级增长。当增长到一定的时候，管子就会被烧毁，那么整个功放电路就不能正常工作，并且有极高的危险性。 2.2.3 功放电路的工作方式 基于D类功放开关电路的原理，利用PDM调制的思路，将由前级AVR单片机所提供的两种不同频率的波形进行调制(如图2.2.3所示)，然后将两路同频反相的信号通过驱动隔离电路，推动全桥电路，并且通过LC滤波及匹配电路，最终达到驱动换能器的目的，(如图2.2.4所示)。 200KHz 相与 200Hz 图2.2.3 波形调制 驱动LC滤H桥隔离波及负载电路电路匹配 图2.2.4 信号传输整体框图 2.3 功放电路的效率 和通常采用的AB类放大器相比，D类放大器有很高的效率。而且，D类放大器可以在很小的输出功率时就可以达到很高的效率，或者说D类放大器的效率差不多是和输入信号的大小无关，而不像在AB类放大器中只有在很高的输出功率 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 [14]时才能达到比较高的效率。 D类放大器之所以能够获得很高的效率,是因为它的输出级完全工作于开关状态。对于理想的开关，它的效率可以达到100,。但是由于晶体管并不是一个理想的开关，所以在截止时电阻并不是无限大，而在导通时其电阻也不等于0。由于其负载扬声器的电阻很低，晶体管的漏电流又很小，所以在截止时晶体管的损耗可以忽略不计。因而只要考虑在晶体管导通时的损耗。这时D类放大器的效率实际上是由晶体管导通时的内阻和负载电阻的比值有关。假定负载电阻为RL，而晶体管导通时的内阻为Ron，那么D类放大器的效率就可以用下式表示: η,RL/(2Ron + RL) 图2.3.1 导通时的等效电路 如果负载电阻为4 欧姆，晶体管的导通电阻为0.1欧姆，那么D类放大器的效率为95,。如果晶体管的电阻变成0.3 欧姆，那么效率就降低为87,。所以晶体管的饱和电阻对于D类放大器的效率起着重要的作用。对于大功率的D类放大器就必须仔细设计或挑选末级功率晶体管。而晶体管的饱和电阻也和芯片的温度有关。当芯片的温度从25度增加到125度时，它的饱和电阻就会增加一倍。在末级放大器中通常采用开关型N沟FET大功率晶体管。除了晶体管的导通电阻外，还有偏置电流、输入电容充电、和切换电流都会消耗功率。所以D类放大器的效率还应该把这些损耗都计算在内。E,Pout/(Pout +Pd1 + Pd2 + Pd3 + … )它的开关损耗由开关所需的能耗和开关频率的乘积决定。 另一个问题是输出晶体管之间开关特性的匹配。例如，如果一个NMOS器件的开启比其对应PMOS的关闭快的多，两种器件的“通”时期就可能在信号边缘出现短时间的重叠。在两种器件都导通的情况下，供电电源本质上是短路的，导致功率效率降低，热耗散增加，并且可能降低供电电压，这将使输出信号失真。不论如何，D类放大器的效率要比常用的AB类放大器的效率高很多，尤其是它可以在所有不同的输出功率下都能保持很高的效率。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 图2.3.2中给出了D类放大器和AB类放大器在不同的输出功率时的效率。由图中可以看出，D类放大器可以在2W到20W的输出功率范围内都能保持85,以上的效率。而AB类放大器只能在输出功率较大时，才能有比较高的效率。因为大多数实际应用情况下，放大器的输出功率都是处在较低的情况，因此D类放大器的平均效率大约要比AB类放大器高3,4倍。而不是普通人认为的只提高了10,15,。 图2.3.2 D类放大器和AB类放大器在不同的输出功率时的效率 在本设计电路中虽然采用改进型的D类放大器，利用PDM调制方式，但是在此设计电路中，计算效率的方法并没有改变。 2.4 本章小结 本章首先通过对放大器的分析与比较，易知在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。在这种情况下，即使是最有效的线性输出级，输出级功耗也很大。而D类功放并不是根据放大器工作点的选择，只要其完全工作于开关状态，这样的明显区别使D类放大器的开关原理在许多应用中具有显著的优势。 通过功放电路中的频率、功率，电源电压等参数要求进行分析，常规的D类放大器的原理并不能满足设计需求。因此在本次功放电路设计中，则将音频信号中常规的功放模式进行改进，转而应用于高压高频的功放电路。通过对不同调制方式利弊的比较，最终选择PDM调制方式。PDM的调制方式不需要对信号进行 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 采样，因此可以扩大电路的工作频率范围，转为引用到更多的领域中。同时频率的降低又能够减少MOSFET的热损耗，保证了电路的工作安全性。 这部分是属于整体设计中的核心环节，因为只有对功放电路工作原理进行了分析，才能选择合理的逆变主回路。同时才能确定前级的驱动电路以及后级的LC滤波电路。只要通过匹配网络，就能高效地实现驱动换能器工作的功能。课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 第三章 功率放大器逆变主回路设计 3.1 主回路结构 在确定功放电路基本工作原理的基础上，这就需要设计出高效的逆变主回路，将直流信号转换成交流的正弦信号，驱动换能器工作。一般的主回路分成三 [15-18]种:推挽式、半桥式和全桥式电路。 3.1.1 推挽式电路 推挽式电路是由负载和功率开关管Q1、Q2组成，如图3.1.1所示。在线圈电流小于参考电流时，Q1导通、Q2关断，线圈电流上升;当线圈电流大于参考电流时，Q1关断、Q2导通，线圈电流减少。这样就可以通过控制Q1和Q2的导通与关断，使线圈中的电流达到给定值。 +1/2VdcVdc Q1D1Q1 Load Q2 D2LoadQ2 -1/2Vdc图3.1.1 推挽式电路 图3.1.2 半桥式电路 3.1.2 半桥式电路 半桥式电路是由负载，功率开关管Q1、Q2和续流二极管D1、D2组成，如图3.1.2 所示。当线圈电流小于参考电流时，Q1、Q2导通，线圈电流上升;当线圈电流大于参考电流时，Q1、Q2关断，D1、D2续流，线圈电流减少。这样可以通过Q1、Q2的开关和D1、D2的续流，使线圈中的电流达到给定值。 3.1.3 全桥式电路 全桥电路是由负载，功率开关管Q1,Q4以及续流二极管D1,D4组成，如图3.1.3所示。如果所需电流方向与图示i方向一致，在线圈电流小于参考电流时，Q1、Q4导通，线圈电流上升;当线圈电流大于参考电流时，D2，D3导通，线圈电流减少。这样就可以通过Q1、D2、D3、Q4的导通和关断，使线圈中的电流达到给课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 定值。同理，当所需电流方向与图示i方向相反时，电路通过Dl、Q2、Q3、D4的导通和关断，使线圈中的电流达到给定值。 Vdc Q1Q2D1D2 i Load Q3Q4D3D4 图3.1.3 全桥式电路 通过三种不同形式电路的比较分析，易知其共同点在于均由对MOSFET的开断状态来实现信号的传输，并且对于信号的频率没有太多的限制。这三种电路均需要前级驱动电路来避免逆变主回路中MOSFET的直通。通过电流对场效应管不同的推、拉方式实现逆变电路的转换，最终通过电路中功率放大实现驱动后级负载的目的。 推挽式和半桥式电路由于结构的不对称性，往往只能实现电流单方向的流动，降低了整个电路的效率。推挽式没有续流二极管，放电回路则需要通过线圈自身的消耗来放电的，因此放电时间比较长，开关频率就比较低，功率放大器频带就比较窄。半桥式电路当输入的信号相位会发生变化时，则不能很好实现电流的推拉方式，并且半桥式电路工作需要双电源，这是比较复杂化的过程，可能会需要进行双电源的设计，并且考虑双电源与整个功放电路的隔离。 在本次电路的设计中，由图3.1.3可知，当Q1导通时，Q4也迅速导通，由于全桥式电路的对称结构，当Q1，Q4关断时，Q2、Q3迅速导通，实现电流的推、拉两种方式，并且在全桥电路中使用的是单电源，并不需要考虑电路之间的隔离问题，简单方便。基于这样的原理，在功放电路的设计中会选择全桥式电路，并且利于以后更多MOSFET管的扩展，能够提高电路的功率。 由于H桥电路结构的对称性，这就需要两组同频反相的信号(如图3.1.4所示)同时传输给H桥电路，当一组对称的MOSFET关断时，由于信号的同频反相能够迅速将另一组对称的MOSFET导通，这样不会引起Q1，Q3或者Q2、Q4不对称管会同时导通的危险，不会引起电路的短路保证了电路的安全性，也提高了电路的稳定性。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 (a)Q1、Q3的同频反相波形 (b)Q1、Q4的同频同相波形 图3.1.4 H桥电路的输入波形 3.2 功率开关管的选择 3.2.1 整体概述 用于功率变换装置逆变电路的电力电子器件种类很多，有晶闸管，GTR，功率MOSFET，IGBT，MGT等等。目前，电力开关器件按驱动方式可以分为电流控制型和电压控制型两种。 1、电流控制型 器件主要包括GTR，SCR等，其主要特点有电流控制型器件体内有自由电子和空穴两种载流子导电，又称为双极性器件(少子器件)。当器件山导通转向阻断时，两种载流子在复合过程中产生热量，使器件的结温升高，限制了工作频率的提高。因此，电流控制型器件的工作频率比电压控制型器件低;电流控制型器件具有电导调制效应，所以导通压降低，导通损耗小;电流控制型器件的控制极输入阻抗较低，所需的控制电流和控制功率都比较大。 2、电压控制型 器件是目前应用比较多的器件，它主要包括功率MOSFET，SIT， SITH，IGBT，MCT和MGT等。电压控制型器件的主要特点有:电压控制型器件体内只有一种载流子导电，没有少数载流子的注入和存储，所以又称为单极性器件(多子器件)。在开关过程中，电压控制型器件就不存在双极性器件的两种载流子复合的问题，因此，开关频率可以很高。 在本次设计电路中，由于电路参数开关频率很高，则应选择电压控制型的器件。在众多的电压控制器件中，功率MOSFET驱动容易，没有二次击穿现象，热稳定性好，安全工作区(SOA)大，开关速度快，开关损耗小，就目前MOSFET的制造课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 水平，在高频中小功率范围，尤其在高电压小电流或低电压大电流应用场合，MOSFET具有很高的性能价格比，值得优先选用。在本次功放电路的设计中，根据需要以及市场的有利提供选择的是MOSFET，因此本次设计的H桥电路(如图3.2.1所示)。 E+C0 E- 473/630V Q1Q2T1.3R5T1.10R7 IRF840IRF8404747 C6 255/250V R1R3 0.47/5w0.47/5wC5 T1.4J3J4T1.9 Q4Q3T1.6R6T1.7R8 IRF840IRF8404747 R2R4 0.47/5w0.47/5w T1.5T1.8 E- 图3.2.1 H桥电路 3.2.2 MOSFET的选择 [19-22]MOSFET有两大类型:N 沟道和P沟道。当在N 沟道MOSFET 的栅极和源极间加上大于开启电压的正电压时，其开关导通。导通时，电流可经开关从漏极流向源极，而漏极和源极之间存在一个内阻，称为导通电阻RDS(ON)。当导通电阻越小，则在开关电路中的损耗越小。当源极和栅极间的电压为小于开启电压时，开关关断，电流停止通过器件。虽然这时器件已经关断，但是仍然会有微小电流存在即漏电流IDSS。 1、 确定N沟道还是P沟道 首先是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET，如图3.2.2所示。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 图3.2.2 N型管和P型管的MOSFET符号 在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该 沟道MOSFET，这是出于MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N 对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。对于上述的分析是相对于一个MOSFET而言，而本次电路设计中如图3.2.2时，由于是由四个功率开关管构成的H桥电路，当电源电压接通时，对于Q1而言G端的电压必须高于S端，则等同于一端接地，则根据电路的设计要求，应该选择的是N沟道的MOSFET。 2、确定所需的额定电压 只有额定电压大于干线电压或总线电压，这样才能提供足够的保护，MOSFET才不会失效。当选择MOSFET时，必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压即最大V并且这个电压会随温度而变化，则需要有足够DS 的余量覆盖变化范围，以保电路的安全性。在本次设计电路中，功放电路中的电源是由市电进行整流，提高了抗干扰性。由于电源的稳定性决定了H桥的稳定性，因此通过这样的方式提供的电源能够提高整个功放电路的稳定性。同时通过整流输出的交流电压的幅值与市电存在这样的关系即Vo=Vi，则两端电压为320V。2 同时由于输入波形的幅度高，则V的值较大，也需要高的耐压值。 GS 3、确定额定电流 额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，在设计电路时必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，此时需要考虑两种电流情况连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过器件;脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。在本次设计中，根据所要求的输出功率100W，已知的DC320V进行估算，并且要求额定电流是平均电流的两倍，在本次电路中大概是1A左右。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 4、确定导通损耗 在实际情况下，MOSFET并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的RDS(ON)所确定，并随温度而显著变化。由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高，RDS(ON)就会越小;反之R DS(ON)就会越高，如图3.2.3所示。 图3.2.3 I-V(低值)特性 DDS 曲线组VGS是参变量，VGS不同，曲线斜率发生变化，其斜率的倒数就是漏源之间的导通电阻RDS(ON)，标志导通电阻一般是指VGS=0时的RDS(ON);开路电阻实指VGS开路，ID为截止状态时的RDS。这就需要选择时进行折中处理。 5、确定开关性能 影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/ 漏极、栅极/ 源极及漏极/ 源极电容，这些极间电容是影响其开关频率的主要因素。三个极间电容如图3.2.4所示，三个极间电容与输入电容C、输出电容C和反馈issoss电容C关系为 C=C+C Coss=C+C C=C rssissGSGDDSGDrssGD 图3.2.4 MOSFET的极间电容等效图 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 在每次开关时都要对它们充电，MOSFET的开关速度因此被降低，器件效率也下降。栅极电荷(C)对开关性能的影响最大，因此往往需要在前级加上驱动电GS 路，并且由Ciss的容值决定了前级驱动芯片的选择。 图3.2.5 MOSFET的开通和关断过程 功率MOSFET工作在四个状态，如图3.2.5所示，开通延迟阶段(t0,t1)U从零GS上升到门限电压U,而U和I保持不变，接着逐渐开通阶段(t1,t2)。t1时刻UthDSDGS达到门限电压U, I开始缓慢增加,至t2时刻, I达到最大值，在该阶段, U保持thDDDS不变。密勒平台产生阶段(t2,t3)从t2时刻开始,U开始下降,反向传输电容的密DS 勒效应使得U 出现了一个平台, t3 时刻, U降至MOSFET导通压降。最终完全导GSDS 通阶段(t3,t4)。U继续上升至最终的驱动电压, U 的增大使得MOSFET导通电GSGS 阻RDS(on)减小,但当U超过10 V 后, 对RDS(on)的影响很小。 GS 根据上述的分析，电路设计时一般会将输入信号的电压大于10V，既满足开启电压的要求，也能够减少电路中的损耗。 3.2.3 芯片IRF840B IRF840 MOSFET电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，是单极型晶体管，如图3.2.6所示。电力场效应晶极电流的，它具有两个显著的特点首先是驱动电路简单，驱动功率小;其次是开关速度快，工作频率高，电力MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 (a)内部结构 (b)外部结构 图3.2.6 IRF840B的结构 根据上述的对MOSFET的选择分析，可以得知需要选用N沟道的MOS管进行设计H桥电路。由电路参数的估算，最大额定电压时应该?400V，再由于温度的影响及市场的供求状况选择了最大额定电压为500V。由于当MOSFET工作在功放电路时，温度对管子的影响很明显，所以选择管子时需要认真查阅芯片资料当温度?oo25C时的额定电流。IRF840B在100C时电流为4A左右符合要求。同时从前级驱动电路输出的信号的幅值为12V左右，则需要考虑开启电压是否属于这个范围。 在设计H桥的功放电路时，当信号要从前级传送时，必须开关管能够满足这样的高频信号，并且为了提高整个电路的安全性，保证MOSFET的通断顺序，这必须考虑管子的延时，上升，下降时间。对于电路参数，信号的频率是200KHz左右，而所选用的管子总耗费时间是287uS，能够满足电路的设计要求。 由IRF840B的内部结构图3.2.6(a)可知，这类的MOSFET含有体内二极管，因此在全桥电路中则不在需要另加续流二极管，这样电路结构相对简单。这体内二极管是影响MOSFET的反向恢复时间的。如果反向恢复时间过长，即使MOSFET已经关断，仍然会有电流从D端流向S端，那么本该关断的管子似乎又处于导通状 处于这种状态，而Q4已经导通，那么整个电路则处于短态。例如在本次设计中Q1 路状态。IRF840B的反向恢复时间是390nS。 通过一系列参数的确定，得出IRF840B能够满足电路的设计参数要求，同时要注意在市场上同种型号可能由不同的厂家生产，那么参数的设计就会不一样。为了保证H桥的完全对称，则应该保证这四个MOSFET参数，型号，生产厂家都一致，这样才能确保电路的可靠性。 在焊接MOSFET管之前需要保证其性能良好，不能发生被击穿的情况。因此需要用万用表对管子的G、S进行测量，查看是否短接，这样才能提高电路的安全性。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 在本次设计电路中对开关管工作频率f是200KHz左右，输出的功率是100W左右，电源电压是DC320V左右，根据电路的这些参数要求，最终选用IRF840B的MOSFET作为主电路的开关管，其主要参数如下: 表3.2.1 IRF840主要参数 额定电流 开通时间 Ciss 开通R DSV V DSSGSS 0.8Ω 500V ?30V 8A 287ns 1400pF 3.3 本章小结 本章对开关功放的逆变主回路进行设计，将几种典型电路进行比较分析，最终确定选用全桥电路作为主回路的结构形式。在主回路中对频率高的要求选择了MOSFET型开关功放管，并且鉴于开关功放管的诸多选择条件，选择了开关性能好，频率特性高的IRF840B。 在设计主回路时，在栅极加上保护电阻既可以减少负冲击，又可保证较快的开通时间，在源极加上限流电阻，这类电阻的阻值都很小，能够提供很好的放电回路，保证较快的关断时间。由于通过电流的限制，则需要使用大功率的限流电阻，并且和后级构成匹配网络。 另外根据国际电子协会IEC的标准协议，应该对图3.2.1的H桥电路进行改进，需要在栅极和源级之间加上稳压二极管，否则会出现负尖峰电压，超过MOSFET的V的极限值，烧坏管子。这样就更能保证整个电路的稳定性和安全性。由H桥GS 电路和所选定的芯片就构成本次功放电路的主回路。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 第四章 H桥驱动电路的设计 4.1 H桥前级驱动电路 功率MOSFET对栅极驱动的要求主要有: , 触发脉冲具有足够快的上升和下降速度; , 导通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路， 以提高MOSFET的开关速度; , 为使MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压。为了防 止误导通，在MOSFET截止时最好能提供负的栅源电压; , MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流。MOSFET的极间 电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。为了使开关波形具有足够 的上升和下降速度，驱动电流要具有较大的数值。 4.1.1 驱动方案的选择 在功率变换装置中，由于Ciss的存在, 静态时栅极驱动电流几乎为零, 但在开通和关断动态过程中, 仍需要一定的驱动电流。因此往往需要驱动电路为主回路提供工作电流。根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔 [23-26]离驱动两种方式。 1、直接式驱动 用TTL直接驱动MOSFET，能够对栅极电容进行充电。为了减少开关管的上升和下降的时间，提高电路的工作速度，还可以采用线性运算放大器来构成互补电路。但由于TTL中的一些晶体管，因工作经线性区间，达到饱和有一段较长的时间，使MOSFET的性能不可能达到最佳状态，这种直接驱动往往使电路的工作频率限于25kHz以下。 2、隔离式驱动 隔离式驱动电路不仅能够实现对栅极电容的充电，更能够提高电路的抗干扰性能。隔离驱动电路可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快(脉冲的前沿和后沿)，原、副边的绝缘强度高，dv/dt共模干扰抑制能力强。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 图4.1.1 典型的变压器隔离驱动电路 脉冲变压器隔离是MOSFET和IGBT等电压控型器件驱动电路常用的一种隔离形式, 如图4.1.1所示，由于它具有电路结构简单、不需要提供隔离电源、成本较低, 对脉冲信号无传输延迟等优点, 能够满足驱动电路电气隔离、快速性、较强驱动能力的要求。隔离式驱动电路包括正激变换和全桥变换两种电路拓扑形式。其中,正激变换拓扑单独驱动每个开关管, 而全桥变换拓扑适用于桥式电路同一桥臂两个互补开关管的驱动。 通过两种不同驱动方式的比较，由于MOSFET存在结电容,关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压，因此直接式驱动电路的抗干扰性较差。在本次设计电路中，则需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。因此选择隔离驱动电路。由于电路中所要传输信号的频率是200kHz左右，需要脉冲变压器作为隔离元件才能达到电路的设计要求。在整个功放电路的设计中，正激变换式结构存在假负载防震荡,故该电路损耗较大，并且当脉宽较窄时,由于是贮存的能量减少导致MOSFET栅极的关断速度变慢。因此根据这些特点，在本次设计中选用有隔离变压器的互补驱动电路，既能够实现电路的隔离，又能减少电路中的不必要损耗。 4.1.2 驱动芯片的选择 随着电力电子技术的发展，各种新型的驱动芯片很多，为驱动电路的设计提供了更多设计思路，外围电路的减少，使MOSFET的驱动电路愈来愈简洁，性能也获得到了很大地提高。根据上述的分析，在本次设计电路中选择互补的驱动隔离电路，则就要求选择驱动芯片时，不仅需要满足栅级对驱动电路的要求，而且需要能够要与推动变压器构成互补电路。 对于芯片的选择，要明确芯片是否能够满足电路的设计要求，则需要考虑课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 驱动芯片的动态响应速度，驱动能力，工作频率以及整个芯片的损耗。在本次设计电路中，由于驱动H桥电路对动态响应速度要求较高，要求通断延迟，内部死区以及匹配延迟的时间均在ns级以内。在整个逆变主回路中，电路工作在DC320V左右的条件下并且能够提供MOSFET栅级的驱动电流，因此驱动芯片要有很高的负载能力。在功放电路中，传输信号的最高频率为300kHz，因此驱动芯片的工作频率要高并且要求低功耗，否则会达到无法高效驱动换能器的目的。 根据芯片要求的分析以及市场的供求，在本次设计中最终选择的驱动芯片是TPS2811。 4.1.3 芯片TPS2811 TPS28xx系列是双道高速MOSFET驱动，能够传输2A电流到容性负载。通过使用BICMOS可获得高的转换速度(典型值)14ns。典型的门限转换电压为2/3 VCC和1/3 VCC。固有漏电流在设计中已最小化。TPS2811驱动包含一稳压器，稳压器还可以为其他电路供电，功耗不超过封装要求。 1、 TPS2811的参数 , 低成本、单/双通道、高速MOSFET驱动 , 25ns最大上升/下降，40ns最大传输延迟 , 2A最大输出电流，VCC = 14 V , 4V到14V电源电压，内部稳压器达40V , 工作在–40?到125?范围内 , 高闭锁阻抗 2、TPS2811的结构 1)芯片的内部结构 ( 通过内部结构图(如图4.1.2所示)易知驱动芯片在输入端是利用多个MOSEFET进行信号传输，最终通过由推挽式结构将信号输出。 该芯片是单电源工作，电路结构简单。由于内部多个的MOSFET共同工作，提高了电路的驱动能力。根据芯片输出端的结构以及推动变压器，两者共同构成互补驱动电路，既实现驱动隔离的功能，又能保证H桥电路中MOSFET关断能力不受外界的影响。因此这样的设计减少了极间电容对H桥的影响，提高了输出效率并且后级负载的驱动能力。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 (a)输入端的内部结构 (b)输出端的外部结构 图4.1.2 TPS2811芯片的内部结构 (2)TPS2811的外围电路 D501D50212V1 C512C511R502R503 1041K1K 12V1U5 18reg_inreg_outD504271IN1OUT36J09C513GNDVCC12V1452IN2OUT1 2255/CTTPS28113D5034 12V1 图4.1.3 TPS2811的外围电路结构 根据芯片的内部结构进行简单的外围电路(如图4.1.3所示)设计，由于在本次设计功放电路中并没有使用到该芯片的内部稳压器功能，因此将两端悬空。根据芯片的参数，易知200kHz左右的信号可以通过该芯片，在输入端可以接上拉电阻，保证电路工作的稳定性。电源电压选定常用的12V。在芯片的输出端，芯片的5脚和7脚均接上二极管，当后级发生电流过大或者连接不当的错误时，这些二极管，可以达到保护芯片的目的。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 (a)TPS2811的输入波形 (b)TPS2811的输出波形 图4.1.4 TPS2811的波形 通过芯片TPS2811后，波形进行了相位翻转传输给推动变压器，如图4.1.4所示。由图可知，输出端的波形需要进一步的完善。因此可以需要增加隔直电容C，可以在关断所驱动的管子时提供一个负压,从而加速了功率管的关断,且有较高的抗干扰能力。 4.2 H桥推动变压器的设计 H桥推动变压器的设计是整个功放电路的关键之一，它不仅是对控制电路与功放电路的隔离，兼有储能，限流的作用，减少后级对前级的影响，提高了功放电路的安全性，同时还承担着将从驱动电路得到的两路同频反相信号分成四路无失真的信号传输给后续的全桥电路。 4.2.1 设计的要点 1、损耗 变压器的损耗包括铁损和铜损。铁损是由高频电流的集肤效应以及磁芯的磁滞损耗引起的,铜损是由线圈的纯电阻和电流有效值造成的发热引起的。对于磁滞损耗,由于磁通密度的变化量ΔB与频率成正比, 因此磁滞损耗随着频率增大而增大;对于集肤效应,因交流电流仅集中于导线的表面流动从而造成导线的有效电阻上升,导线直径越细,集肤效应的影响越小。因此,为了降低铁损, 应采用磁滞损耗小的磁芯;为减小集肤效应,同时又满足大电流工作的需要, 2可用更细的导线多股并绕,而不用一根粗导线绕制。对于铜损Pc=Ic×Rc,所以可采用大直径绕线可以减小铜损。 2、漏电感 在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感大, 将引课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 起很高的浪涌电压, 漏极钳位电路的损耗就愈大, 这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的高频变压器, 其漏感量应为次级开路时初级电感量的1%,3%。 3、电磁兼容性 电磁兼容性是指高频变压器既不产生对外界的电磁干扰, 又能承受外界的电磁干扰。 根据电路参数的设计要求，在变压器中所需要传输的信号应是200kHz左右的高频间隙方波信号，这就必然将磁芯材料的选择范围规定在高频功率变压器。对于一个变压器在制作之前需要知道，能够通过变压器的频率，功率、幅度以及次级有几组输出。变压器的磁芯和尺寸决定了所能够通过的频率和功率，在本电路设计中，也决定了能够推动H桥的功率。 高频变压器的设计方法有两种，第一种是先求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积Ae的乘积AP，根据AP值查表;另外一种是几何参数法，在AP法基础上进行改进，是从满足一定电压调整率出发。在本次设计中，使用的是第一种方法，且结合市场的供求状况，最终决定用PQ2-5骨架，EE型铁氧体材料磁芯, 以增加骨架宽度防止漏电感，选用细的铜导丝，两根并绕的方式进行绕制变压器。变压器是用于H桥的推动，则次级应有四路输出波形，最终通过调整气隙实现信号能量的高效传输。如果输入信号被损耗太多，无法超过MOSFET的开启电压，那么整个传输是无效的。通过实践发现，绕制工艺质量的高低对变压器的性能有重要影响。 4.2.2 变压器的绕制 根据本电路对变压器参数的要求，本设计需自制变压器。在绕制变压器的时候，首先要做的便是将示意图(如图4.2.1所示)画出，利于确定各个参数。 3 1高 4高 7 2高 8 10 低 9 图4.2.1 变压器简易示意图 6 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 低 5 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 1、确定原副级的匝数比 匝数比是反映原级与副级之间的量化关系，也就是当信号输入后，要按照一定的参数要求向后级传送。在本次设计电路中，由于信号从TPS2811输出时的幅度是12V左右，而次级的传输信号是供给MOSFET的，所选用的IRF840B的开启电压是10V左右，由此可知推动只要实现波形的传送，而波形并不会发生任何的变化，频率，幅度均不改变。基于这样的考虑，确定匝数比为1:1，就能够很好的满足电路的要求。 2、确定同名端 同名端的含义就是指在同一交变磁通的作用下任一时刻两(或两个以上)绕组中都具有相同电势极性的端头彼此互为同名端。由于H桥电路的要求，电路中需要两组同频反相的波形，因此这就必然要求从变压器中输出的四路波形的相 O位是有差异的，并且刚好是180，这样就需要确定同名端。在绕制时根据同名端，确定线从何端输入以及在变压器中的绕向，例如固定1脚顺时针绕制，那么副级则固定3、7脚，顺时针绕制;固定10、6脚逆时针绕制，这样才能保证输出波形相位的正确性。 3、确定原级与副级的排列 在本次电路设计中，初级只有一路输入信号，而次级有四路输出信号。因此在设计中必须考虑到如何将这五路信号传输线无干扰的排列在变压器中。既要满足信号传输的准确性，又要降低信号之间的相互影响。因此在本设计中选择将一路初级绕制中间既能够提高耦合度，又能够减少不必要的损耗。对于次级选择将两路高电平的相位分开绕制，提高信号传输的有效性，并且在每一路的绕制完成时绕制绝缘胶带，避免传输时信号的相互影响。 4、确定变压器的气隙 当变压器绕制工作完成以后，下一步便是调整磁芯之间的气隙，因为气隙的大小往往会使变压器的性能相差甚远。气隙的调整主要是不让变压器饱和,提高变压器工作中的稳定性，并且存在信号能量传输的效率问题。对于同样的骨架和磁芯的变压器，当气隙不同所实现的信号传输效果不同。通过反复的实验，最终完成的变压器实物如图4.2.2所示. 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 图4.2.2 自制推动变压器实物图 4.3 本章小节 功率MOSFET为单极性器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因而开关速度高，所需的驱动功率小，电路简单，但功率MOSFET的极间电容较大，对于低频信号的影响不大，产生的电流可以忽略不计。但是在本次功放电路设计的高频中，存在一定的电流，因此需要设计驱动电路。 在本章中通过对几种驱动电路的分析，以及根据实际电路中频率，功率，幅度的参数要求，选用耦合式驱动方式。通过集成的驱动芯片、推动变压器共同构成了驱动电路，增大电路电流，提高驱动能力，增强了电路稳定性能。对于驱动电路，在设计时首先要知道由MOSFET的输入电容以及传输信号的频率来决定选择芯片而对于推动变压器的设计，这更是整个电路的关键之一，不仅是隔离，推动负载，而且要实现将两组同频反相的信号同时传送给H桥电路，稳定安全有效地实现功率放大，最终达到驱动换能器的目的。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 第五章 LC滤波电路的设计分析 [27-30]滤波器是开关放大器电路中的重要辅助部件。为了从H桥电路的开关信号中恢复出驱动换能器的正弦波，则需要采用低通滤波电路进行变换。 5.1 滤波器的分类 滤波器可分为很多种，按其结构、放置位置、处理对象等多种方式进行分类，而在本设计电路中，则需要考虑器件以及通带特性。因此按滤波器的选用元器件的不同，可以把滤波器分为两种:有源滤波器和无源滤波器。 所谓有源即由无源元件(一般用R、L和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。有源滤波可以滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95,以上。缺点是通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 而所谓无源滤波指仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器，无源滤波器指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻(调谐滤波)状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路，这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。 按通带特性分类的不同，可以把滤波器分为:低通、高通、带通、带阻、全通。在本次设计电路中，由于所要输出的电压等级高，采用有源滤波会造成电路复杂，成本增大，而采用电路简单的无源滤波器就能够达到滤掉高次谐波目的，并且需要滤除高于300kHz的信号，所以本次电路设计选择无源低通滤波器。 5.2 LC滤波电路的设计分析 5.2.1 设计LC滤波电路的一般要求 , 负载中单次谐波电压和总谐波电压降低到允许范围内;电源中单次谐波电流 和总谐波电流降低到允许范围内; , 输出滤波的电容C中的电流不过分增加开关器件的电流;输入滤波电容C的基 波电流不致过分增大电源的电流; , 滤波电感基波阻抗不大，使负载变化时开关电路输入电压波动不大，负载电 压波动不大; 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 , 滤波器LC电压、电流的V?A值小，成本低。 5.2.2 单级LC滤波器的分析 图5.2.1(a)中Vo是逆变器输出电压，其中基波电压为V01, n次谐波电压为 V0n, 基波电流为I01。n次谐波电流为I0n，负载电压为VLI，基波电流为ILI。串 联滤波器电感为Lo，并联滤波电容为Co。 VoVLVoVL L0L0 R C0C0 R L (a)R负载与滤波电路 (b)RL负载与滤波电路 图5.2.1 单级LC滤波器 当负载为纯阻性R时，滤波器的传递函数为 1RSC0 R，1/SCv10L(),,S 式(5.1) 21vSSoR,，2，12SC,,000SL，0，1/RSC0 1式中，LC滤波器的谐振角频率为 式(5.2) ,,000LC00 L/CL1,0000阻尼系数 式(5.3) ,,,2R2R 频率响应特性由式(5.1)用jω代换S得到 v1L,(j), 式(5.4) 2,,vo,,，j2，12,,00 用相对频率u表示 ，即则式(5.4)为 ,/,u,,/,00 v1L 式(5.5) ,2v,u，j.2,.u，1o 式中， 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 , 式(5.6) u,,,L/(1/,C)00,0 则其幅频特性A(u)和相频特性, 为 ,(u) v1LA(u),,, 式(5.7) 2222v(1,u)，4,uo 2.u,1, 式(5.8) (u),,tan,21,u 由幅频特性和相频特性分析易知，当ω=0时，=1;当ω=?时，则A(u)A(u) 显然，这是低通滤波电路的特性。同时上述分析是在负载为纯阻性R。趋近于0. 当负载为图5.2.1(b)中所示的Z=R+jωL时，可用类似的方法求出的v(j,)/v(j,)L0关系式，并得到相关的幅频特性和相频特性。 一般情况下，一阶滤波器的滤波效果不够好，它的衰减频率只是20dB/十倍频程，若电路要求很高，往往会采用二阶、三阶或者跟高阶次的滤波电路。如图5.2.2.所示。 VoVL L2L3 C3C2R 图5.2.2 二阶LC滤除电路 5.2.3 H桥滤波电路的分析 超声换能器不能看成简单的电阻电感电容性负载，其等效电路见图5.2.3，为了使换能器工作在最佳状态，在换能器与功放电路之间应包含一匹配网络。该网络主要解决两个问题:一是调谐，即采用外加电抗性元件使换能器工作在谐振状态，以减少功率传输中的无功分量;二是变阻，即改变换能器的有功电阻，使之与H桥功放的输出阻抗想接近，以达到最佳功率传输匹配。 本滤波电路的主要任务是从H桥电路的开关信号中恢复出正弦波，该正弦波经过匹配网络后，驱动换能器工作。因此在该电路的设计时要综合考虑后级匹配网络的需求。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 L 压电换能器的等效电路 L1变压器H 桥 R1R0的C0输C1C5出 图5.2.3 H桥的后级电路 由于匹配网络的设计是个相当复杂的过程，因此并没有能够完成这部分的设计，只是对原有的进行了分析，后续的工作拟在本人研究生学习期间继续将其完善。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 第六章 全文总结与展望 本次论文是在国家大学生创新计划——超声、臭氧联合污水处理项目的基础上，为了提出一套方便实用的超声水处理实验用开关功率放大器的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，对电路中的功率放大器工作原理进行分析选择实现高效率的驱动换能器。 开关功率放大器采用开关拓扑结构，其放大工作原理与其它线性功率放大器的工作原理完全不同。线性功率放大器的相移大、效率低、发热量高、体积大成本高等缺点，决定了它不适合应用在高电压、大功率的场合;而开关功率放大器具有输出功率高，转换效率高、相移失真小、体积小、重量轻等优点，在各类波形发生装置、航空电子、通信及数字音响领域有着广泛的应用和前景。本论文研究了开关功率放大器在超声废水处理中的应用，拓展它的应用到了高电压、大电流、大功率的超声频波形发生场合。 本论文对适用于开关功率放大器的工作原理进行了分析研究，在D类放大器原理的基础上，通过全桥电路的主电路结构形式，采用PDM方式进行调制，最终由占空比的调节来实现功率的改变，以便更好地驱动换能器的工作。 本论文的成果在于: , D类放大器一般采用SPWM的调制方式，会局限于小频率的工作范围，本论文 根据电路设计中频率、功率等参数要求，通过方案比较，采用PDM调制方式。 这种改进型的原理既提高电路工作效率，又保证电路安全实用性。 , 通过对三种开关功率放大电路逆变主回路的结构形式的分析及电路中的设 计要求，选用全桥电路作为主回路，避免双电源的复杂，提高了功放电路的 效率。 , 通过所知的理论及电路的频率，电压幅度，功率参数要求，自制了H桥推动 变压器，实现了对输入波形的高效传输，保证了H桥电路的正常工作。 随着电力电子技术和数字信号处理器的不断发展，更高开关频率和更短死区时间的开关功率放大器的出现，将解决死区时间对输出电压的影响。软开关技术与死区补偿措施在开关功率放大器上的应用，使得输出电压的波形更接近理想的输出波形，提高了转换效率，降低了输出失真。 当然，本次的设计在一些方面需要进行完善，一些方面需要进行扩展。相对来说，本课题是一个完整的系统，本人只是做了一部分初期的工作，在研究生期课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 间还需进一步的完善。例如: , 在30kHz,1MHz甚至更高频率范围内提高开关管的工作效率和通过并联更多 的MOSFET提高电路的输出功率。 , 根据压电换能器的阻抗特性，通过频率跟踪电路、LC滤波电路和网络匹配提 高电路性能，来提高超声换能器的电声转化效率，降低水处理过程中的能耗。 , 超声水处理功率放大频率范围在18kHz,1MHz，加上超声水处理属于综合性 很强的新型学科，所以这一频率范围的功率放大器国内涉及的还较少，值得 花更多的时间去分析与研究。 水是生命之源;是风景的点缀;是人们生活生产的根本。在太湖蓝藻爆发后，人们更加意识到水的重要性，但是水污染已经给人类带来了巨大的损失，所以人们需要花费更多的时间与精力去改变这种劣势，广大的科技工作者还有很多工作要做。 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 参考文献 [1]冯若. 超声手册[M]. 南京:南京大学出版社, 1999 [2]Kenji Okitsu, Kazuya Iwasaki, Yoshihiro Yobiko, et al.. 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In the external portion of the circuit, that is, in the load R, the current is assumed to flow from the junction a (which is at a higher potential such that ) to the junction b (which is at a lower potential such that ,,,a1 ). The direction of current flow may be shown either by a hollow arrowhead ,,,b2 or by supplying the current symbol with a double subscript whose first digit identifies the junction at a higher potential and the second the junction at a lower potential. Thus for the circuit of Fig.1 the current I=I ab. a1 REIRsV 2b Fig 1 We shall show that the circuit of Fig.1 containing a source of known e.m.f.E and source resistance Rs may be represented by two types of equivalent circuits. As already stated, the terminal voltage of a load source is lower than the source e.m.f. by an amount equal to the voltage drop across the source resistance: V=-=E-Vs=E-RsI (2.1) ,,12 On the other hand, the voltage across the load resistance R is V=-=RI (2.2) ,,ab Since and ,from Eqs. (2.1) and (2.2) it follow that E-RsI=RI,or ,,,,,,b2a1 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏 E=Rs+RI (2.3) And I=E/(Rs+R). From the last equation we conclude that the current through the source is controlled by both the load resistance and the source resistance. Therefore , in an equivalent circuit diagram the source resistance Rs may be shown connected in series with the load resistance R. This configuration may be called the series equivalent circuit(usually known as the Thevenin equivalent source). Depending on the relative magnitude of the voltages across Rs and R, we can develop two modifications of the series equivalent circuit. In the equivalent circuit of Fig.2.(a),V is controlled by the load current and is decided by the difference between the source e.m.f.E and the voltage drop Vs. If Rs <>R and, for the same voltages across Rs and R ,the current Is<>R 且 Rs 和R 上的电压相同，因此电流 Is<