CN102064731A - 应用于超声波马达的单极具零电流切换的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路，包括：一降升压转换器及一具零电流切换的共振换流器。本发明的驱动电路整合降升压转换器及共振换流器为单级结构，以共用一个主动开关及一触发信号，达到简化电路的效果和减少一级的切换损失。并且该降升压转换器操作于不连续导通模式(DCM)下，可使电路得到高功率因数，并且使该主动开关达到零电流切换(ZCS)，可大幅降低切换损失。在本发明的驱动电路中，该降升压转换器与共振换流器不存在功率的交互作用，使得两个电路可以独立分析。因此，本发明的驱动电路其电路简单、切换损失低，并且制作成本低，具有商品化的竞争力。

Description

应用于超声波马达的单极具零电流切换的驱动电路

技术领域

本发明是关于一种单级具零电压切换的驱动电路，详言之，是关于一种应用于超声波马达的单级具零电压切换的驱动电路。

背景技术

参考图1，其显示现有降升压式功因修正电路的电路示意图。现有降升压式功因修正电路10包括一整流电路11、一主动开关12、一电感器13、一个二极管14及一电容器15。其中，使用功率元件MOSFET作为主动开关12，并由一控制电路17产生触发信号(v_gs)驱动该主动开关12做高频切换。为了得到高功因，设计电感器13的电流工作于非连续导通模式(Discontinous-Conduction mode；DCM)，且主动开关12的切换频率与导通率在整个交流电源电压的周期内，皆保持固定。

参考图2，其显示电感电流与触发信号的波形示意图。其中，d_r与T_s分别为主动开关12的导通率及切换周期，其工作原理说明如下：

输入的交流电压，如下方程式(1)所示。

v_s＝V_msin(2πft)    (1)

其中f为交流电源电压频率，V_m为交流电压峰值。在实际的设计中，主动开关12的切换频率f_s远大于交流电源频率f_o在此假设条件下，在每一高频切换周期内，整流后的电压(v_rec)可以看成一固定值。

在0≤t≤d_rT_s时，电感电流(i_p呈线性上升，其数学表示式如下：

$i_p\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{rec}}\left(t\right)}{L_p}t$ 0≤t≤d_rT_s        (2)

当t＝d_rT_s，电感电流到达每一切换周期的最高值，电感器13的峰值电流可表示如下：

$I_{p,\mathrm{peak}}\left(t\right)=\frac{V_m\left|\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\right|}{L_p}{d}_r{T}_s---\left(3\right)$

在d_rT_s≤t＜T_s时，主动开关12关闭，电感电流流经飞轮二极管14对直流链电容器15充电，电感电流开始线性下降，由于电感器13工作于(DCM)，因此电感电流会在下一个切换周期前下降至零，此时电感电流可表示如下：

$i_p\left(t\right)=-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{L_p}(t-d_r{T}_s)+I_{p,\mathrm{peak}\left(t\right)}$ d_rT_s≤t＜T_s    (4)

其中，V_dc为直流链电压。

输入电流只有在电感电流上升的期间才会流经主动开关12，开关电流(输入电流)呈现锯齿波，所以每个切换周期的输入电流平均值可以表示如下：

$i_{\mathrm{in},\mathrm{avg}}\left(t\right)=\frac{d_r{T}_s\·I_{p,\mathrm{peak}}\left(t\right)}{2T_s}=\frac{V_m{d}_r^2{T}_s}{2L_p}\left|\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\right|---\left(5\right)$

由(5)式得知，如果在每一输入电源周期内，将主动开关12的导通率d_r与开关切换周期固定，则其平均电流只和输入电压有关，只需在输入端加上一小滤波电容来消除高频成分，则输入电流将为正弦波，而平均输入电流可表示如下：

$i_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{V_m{d}_r^2{T}_s}{2L_p}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)---\left(6\right)$

由(6)式得知输入电流追随输入电压波形且同相位，不仅可以达到高功因，输入电流的总谐波失真亦抑制到很小。在一个交流电源电压频率周期下，其输出功率为：

$P_{\mathrm{in}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{V}_m\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\·i_{\mathrm{in}}\left(t\right)d\left(2\mathrm{\πft}\right)=\frac{V_m^2}{4L_p}{d}_r^2{T}_s---\left(7\right)$

当储能电感的电压对时间的积分小于零时，降升压式功因修正电路工作于不连续电流模式。

V_m|sin(2πft)|·d_rT_s+V_dc·(1-d_r)T_s≤0    (8)

由(8)式，降升压式功因修正电路若能于输入电压峰值时工作于(DCM)，即可确保于输入电压的任何值都能工作(DCM)，因此直流链电压(V_dc)必须足够高并且满足下式：

V_dc≥V_m·d_r/(1-d_r)        (9)

参考图3，其显示现有驱动电路的电路示意图。现有驱动电路20包括一低通滤波器21、一整流器22、一降升压转换器35及E类共振换流器36。其中，该降升压转换器35包括一第一二极管23、一第二二极管24、一第一电感器25、一第一电容器26、一主动开关27。该E类共振换流器36包括第一电容器26、主动开关27、一第二电容器28、一第二电感器29、一第三电感器31、一第三电容器32。该降升压转换器35与该E类共振换流器36共用该第一电容器26及该主动开关27。

该现有驱动电路20系在1995年由Ed Deng和Slobodan

提出将降升压转换器35和E类共振换流器36做整合，具有电路架构简单与良好电路性能优点。但这样的电路架构会使得降升压转换器35与E类共振换流器36存在着能量的交互作用，输入功率并不是全部经由降升压转换器35传递给后级的E类共振换流器36，部分能量会直接由输入端输送至E类共振换流器36，使得降升压转换器35无法有效达到功因修正(PFC)的目的。

另外，参考先前有关此类研究，如元智大学电机工程学系九十四年七月“基因演算法控制的线性压电陶瓷马达驱动系统”，且该论文取得中国台湾发明第I271024号专利，该专利的电路架构为使用LC电流源并联共振产生交流电压供应LLCC共振电路，利用LLCC共振技术取得驱动马达电压的LC六阶共振换流器。此方式最大的缺点就是电路非常复杂，相对的增加控制部份的困难度，而且制作成本提高许多。因此缺乏商品化的价值。

因此，有必要提供一种创新且具进步性的应用于超声波马达的单级具零电压切换的驱动电路，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路，其包括：一降升压转换器及一具零电流切换的共振换流器。该降升压转换器接收一输入电压，降升压转换器包括一第一二极管、一第一电感器、一第一电容器及一主动开关，该降升压转换器操作于不连续导通模式，于该主动开关的触发信号的触发脉波周期前，该第一电感器的电流下降至零。该具零电流切换的共振换流器连接该降升压转换器，该共振换流器包括一第二电感器、二个阻隔二极管、一第二二极管、一第二电容器及一共振电路，二个阻隔二极管用以阻隔该降升压转换器与该共振换流器功率交互作用，该共振换流器产生一高频交流电压，以驱动超声波马达。

本发明的驱动电路整合降升压转换器及共振换流器为单级结构，以共用一个主动开关及一触发信号，达到简化电路的效果和减少一级的切换损失。并且该降升压转换器操作于不连续导通模式(DCM)下，可使电路得到高功率因数，并且使该主动开关达到零电流切换(ZCS)，可大幅降低切换损失。在本发明之驱动电路中，该降升压转换器与共振换流器不存在功率的交互作用，使得两个电路可以独立分析。另外，由于该主动开关的一端与地共接，使本发明的驱动电路没有隔离的问题，也使电路复杂度和成本降低。因此，本发明之驱动电路其电路简单、切换损失低，并且制作成本低，具有商品化的竞争力。

附图说明

图1显示现有降升压式功因修正电路的电路示意图；

图2显示电感电流与触发信号的波形示意图；

图3显示现有驱动电路的电路示意图；

图4显示本发明应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路的方块示意图；

图5显示本发明应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路的电路示意图；及

图6显示各工作模式与电路上各电压电流理论波形图。

附图标号

10现有降升压式功因修正电路

11整流电路

12主动开关

13电感器

14二极管

15电容器

16负载

17控制电路

20现有驱动电路

21低通滤波器

22整流器

23第一二极管

24第二二极管

25第一电感器

26第一电容器

27主动开关

28第二电容器

29第二电感器

31第三电感器

32第三电容器

35降升压转换器

36E类共振换流器

40本发明单级具零电流切换的驱动电路

41低通滤波器

42桥式整流器

43降升压转换器

44具零电流切换的共振换流器

45超声波马达

46控制器

411滤波电感器

412滤波电容器

431第一二极管

432第一电感器

433第一电容器

434主动开关

441第二电感器

442第一阻隔二极管

443第二个阻隔二极管

444第二二极管

445第二电容器

446共振电路

447第三电感器

448第三电容器

451电容性负载

452电阻性负载

具体实施方式

参考图4，其显示本发明应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路的方块示意图。参考图5，其显示本发明应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路的电路示意图。配合参考图4及图5，本发明应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路40包括：一低通滤波器41、一桥式整流器42、一降升压转换器43及一具零电流切换的共振换流器44。该低通滤波器41包括一滤波电感器411及一滤波电容器412，该桥式整流器42包括四个整流二极管，该低通滤波器41及该桥式整流器42用以将一交流电源滤波整流为一直流输入电压(v_rec)，输入至该降升压转换器43。

该降升压转换器43接收该直流输入电压(v_rec)，该降升压转换器43包括一第一二极管431、一第一电感器432、一第一电容器433及一主动开关434。该降升压转换器操作于不连续导通模式(DCM)，于该主动开关434之触发信号的触发脉波周期前，该第一电感器432的电流(i_p)下降至零。

在本实施例中，该第一二极管431及该第一电感器432连接至该直流输入电源(v_rec)的一负端，该第一电容器433之两端分别连接至该第一二极管431及该第一电感器432，该主动开关434连接至该第一电容器433及该第一电感器432。该第一二极管431为飞轮二极管。

该具零电流切换的共振换流器44连接该降升压转换器43，该共振换流器44包括：一第二电感器441，二个阻隔二极管442、443，一第二二极管444，一第二电容器445及一共振电路446。二个阻隔二极管442、443用以阻隔该降升压转换器43与该共振换流器44功率交互作用，该共振换流器44产生一高频交流电压，以驱动超声波马达45。

在本实施例中，该具零电流切换的共振换流器44另包括：该第一电容器433及该主动开关434，亦即该降升压转换器43与该共振换流器44共用该第一电容器433及该主动开关434，该主动开关434为零电流切换(ZCS)，其中二个阻隔二极管442、443包括一第一阻隔二极管442及一第二个阻隔二极管443，该第一阻隔二极管442连接至该直流输入电源(v_rec)的一正端，该第二个阻隔二极管443连接该第一阻隔二极管442，该第二电感器441的两端分别连接该第二个阻隔二极管443及该第一电容器433，该主动开关434连接该第一阻隔二极管442及该第二个阻隔二极管443，该第二二极管444连接该第二个阻隔二极管443及该第二电感器441，该第二二极管444与该第二电容器445并联连接。该共振电路446连接该第二电容器445。该第二二极管444系为飞轮二极管。

在本实施例中，该共振电路446包括一第三电感器447及一第三电容器448，该共振电路446的共振频率为70kHz。超声波马达45以一电容性负载451及一电阻性负载452来表示。本发明的驱动电路40另包括一控制器46，用以提供该主动开关434的触发信号。

为了方便分析将图5的电路，做以下假设：

(1)所有开关元件皆为理想，导通状态视为短路，截止状态视为开路。

(2)该第一电容器433为一直流链电容，该第一电容器433与该第二电感器441非常大，可以将该第一电容器433的电压V_dc和该第二电感器441的直流电流I_dc视为直流电压源及直流电流源。

(3)电源频率远小于主动开关434的切换频率(f_s)。因此，在每一个高频工作周期内，输入电压可视为定值。

(4)共振电路446的品质因数Q_L足够高，将流经第三电感器447及第三电容器448的共振电流i_r视为正弦波。

为提高电路的效率及改善功率因数，本发明将降升压转换器设计操作在不连续导通模式(DCM)，亦即在下一个触发信号的脉波周期前，第一电感器432的电流(i_p)必须下降至零。并且，由于该第二二极管444为飞轮二极管，当主动开关434在导通时，第二电容器446的电压v_c1等于-0.7V，所以储存在第二电容器446上的能量几乎为零，让主动开关434可以达到零电流切换(ZCS)，使之导通损失为最小。

依据上述的假设条件，在一个高频的周期内，根据开关元件的导通状态，此电路分析共可分为五个工作模式。参考图6，其显示各工作模式与电路上各电压电流理论波形图。请配合参考图5及图6，详细说明五个工作模式如下。

a.工作模式I{t₀＜t＜t₁}

在进入模式I之前，直流电流I_dc与共振电流(i_r)差值为负值，(I_dc-i_r)电流流过该第二二极管444。当该主动开关434的触发信号(v_gs)由低准位变为高准位时，该主动开关434导通，此时进入工作模式I。由于主动开关434导通，交流电源经桥式整流器42整流后的直流输入电压(v_rec)跨在该第一电感器432上，该第一电感器432用以储能，由于该第一电感器432的电流设计操作于不连续导通模式(DCM)，所以该第一电感器432的电流(i_p)会从零开始线性上升，若在导通率固定下，该第一电感器432的电流(i_p)上升斜率与整流后的直流输入电压(v_rec)成正比，而流经该主动开关434的电流(i_s)等于该第一电感器432的电流(i_p)。同时(I_dc-i_r)差值依然是负值，而部份电流流经该第二二极管444。当(I_dc-i_r)变为正值时，该第二二极管444截止，此时进入工作模式II。

b.工作模式II{t₁＜t＜t₂}

进入工作模式II时，此时触发信号(v_gs)依然为高准位，电感电流(i_p)持续线性上升。(I_dc-i_r)为正值，经由第二个阻隔二极管443流向主动开关434。直到触发信号(v_gs)转变为低准位时，此时主动开关434截止，该第一电感器432的电流(i_p)到达峰值，此时进入工作模式III。

c.工作模式III{t₂＜t＜t₃}

进入工作模式III，主动开关434截止，而该第一电感器432的电流(i_p)经由该第一二极管431对第一电容器433充电，而第一电容器433的电压(V_dc)跨于第一电感器432上，第一电感器432的电流(i_p)开始线性下降，由于该第一电感器432的电流(i_p)的峰值与直流输入电压(v_rec)成正比关系，该第一电感器432的电流(i_p)下降到零的时间随着直流输入电压(v_rec)大小而变动。而电流(I_dc-i_r)原本流向主动开关434，转而流入第二电容器445，使第二电容器445充电，第二电容器445的电压(v_c1)由零渐渐上升。

d.模式IV{t₃＜t＜t₄}

在此工作模式中，第二电容器445的电压(v_c1)于(I_dc-i_r)等于零时到达最高值，此后(I_dc-i_r)由正值变为负值，第二电容器445开始放电，此时第二电容器445的电压(v_c1)开始下降。当第二电容器445的电压(v_c1)下降至-0.7V时，该第二二极管444导通，原本流经第二电容器445的电流(I_dc-i_r)转流过该第二二极管444导通，此时进入工作模式V。

e.工作模式V{t₄＜t＜t₅}

此工作模式中，触发信号(v_gs)依然为低准位，(I_dc-i_r)流过该第二二极管444，直到触发信号(v_gs)由低准位变为高准位时，此时由于降升压转换器操作于不连续导通模式(DCM)，该第一电感器432的电流为零，且(I_dc-i_r)流过该第二二极管444，不流经该主动开关434，故主动开关434可以达到零电流切换(ZCS)效果，以降低切换损失，并且提高电路整体转换效率。电路进入下一个高频周期工作模式I，持续循环上述工作模式I～V的动作。

本发明的驱动电路整合降升压转换器及共振换流器为单级结构，以共用一个主动开关及一触发信号，达到简化电路的效果和减少一级的切换损失。并且该降升压转换器操作于不连续导通模式(DCM)下，可使电路得到高功率因数，并且使该主动开关达到零电流切换(ZCS)，可大幅降低切换损失。在本发明之驱动电路中，该降升压转换器与共振换流器不存在功率的交互作用，使得两个电路可以独立分析。另外，由于该主动开关的一端与地共接，使本发明之驱动电路没有隔离的问题，也使电路复杂度和成本降低。因此，本发明之驱动电路其电路简单、切换损失低，并且制作成本低，具有商品化的竞争力。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非限制本发明。因此，习于此技术的人士对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如权利要求书范围所列。

Claims (7)

1.一种应用于超声波马达的单级具零电流切换的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：

一降升压转换器，接收一输入电压，所述降升压转换器包括一第一二极管、一第一电感器、一第一电容器及一主动开关，所述降升压转换器操作于不连续导通模式，于所述主动开关的触发信号的触发脉波周期前，所述第一电感器的电流下降至零；及

一具零电流切换的共振换流器，连接所述降升压转换器，所述共振换流器包括一第二电感器、二个阻隔二极管、一第二二极管、一第二电容器及一共振电路，二个阻隔二极管用以阻隔所述降升压转换器与所述共振换流器功率交互作用，所述共振换流器产生一高频交流电压，以驱动超声波马达。

2.权利要求1所述的驱动电路，特征在于，所述驱动电路另包括一低通滤波器及一桥式整流器，其中所述低通滤波器包括一滤波电感器及一滤波电容器，所述桥式整流器包括四个整流二极管，所述低通滤波器及所述式整流器用以将一交流电源滤波整流为一直流输入电压，输入至所述降升压转换器。

3.权利要求2所述的驱动电路，特征在于，所述第一二极管及所述第一电感器连接至所述直流输入电源的一负端，所述第一电容器连接至所述第一二极管及所述第一电感器，所述主动开关连接至所述第一电容器及所述第一电感器。

4.权利要求3所述的驱动电路，特征在于，所述具零电流切换的共振换流器另包括：

所述第一电容器及所述主动开关，所述降升压转换器与所述共振换流器共用所述第一电容器及所述主动开关，所述主动开关为零电流切换，其中二个阻隔二极管包括一第一阻隔二极管及一第二个阻隔二极管，所述第一阻隔二极管连接至所述直流输入电源的一正端，所述第二个阻隔二极管连接所述第一阻隔二极管，所述第二电感器连接所述第二个阻隔二极管，所述主动开关连接所述第一阻隔二极管及所述第二个阻隔二极管，所述第二二极管连接所述第二个阻隔二极管及所述第二电感器，所述第二二极管与所述第二电容器并联连接，所述共振电路连接所述第二电容器。

5.权利要求1所述的驱动电路，特征在于，所述共振电路包括一第三电感器及一第三电容器，所述共振电路的共振频率为70kHz。

6.权利要求1所述的驱动电路，特征在于，所述驱动电路另包括一控制器，用以提供所述主动开关的触发信号。

7.权利要求1所述的驱动电路，特征在于，所述第一二极管及所述第二二极管为飞轮二极管。

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