CN103401530B

CN103401530B - 一种用于超声波电源的阻抗无级匹配网络

Info

Publication number: CN103401530B
Application number: CN201310325958.3A
Authority: CN
Inventors: 杜贵平; 罗杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: CN103401530A

Abstract

本发明涉及一种用于超声波电源的阻抗无级匹配网络及控制方法，阻抗无级匹配网络包括第一晶闸管和第二晶闸管，以及第一电感和第二电感。第一晶闸管的阴极、第二晶闸管的阳极、第一电感的一端相连接；第一晶闸管的阳极、第二晶闸管的阴极、第二电感的一端相连接。第一电感的另一端和第二电感的另一端接于超声波电源主电路逆变输出端，与换能器并联。超声波电源逆变桥输出电压采样信号经过信号处理分别产生与输出电压负向、正向同步的驱动信号分别用于驱动第一晶闸管的门极和第二晶闸管的门极，占空比控制电路可以控制晶闸管导通角的大小，从而调节等效电感的大小，达到频率跟踪微调的效果。

Description

一种用于超声波电源的阻抗无级匹配网络

技术领域

本发明涉及一种用于超声波电源的阻抗无级匹配网络及控制方法。

背景技术

超声波电源通常称为超声波发生源，它的作用是把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。超声波电源的负载是超声换能器，超声换能器存在静态电容，因此，超声换能器在使用时通常必须有相对应的感性匹配网络，来配合超声换能器的工作。

目前，常用的超声波电源匹配网络有单个电感匹配网络和T型匹配网络，通过改变匹配网络中电感的大小可实现谐振频率微调。调节匹配电感大小的传统方法是通过电感投切来实现的，这种方法使得匹配网络中匹配电感的大小精度受到投切电感最小值的限制，并且是有级调节。无法高精度的达到电感匹配和频率跟踪的效果。

发明内容

本发明目的在于公开一种用于超声波电源的阻抗无级匹配网络及控制方法，通过控制第一、第二晶闸管导通角的大小，可以调节接入主电路等效匹配电感的大小，实现匹配电感无级调节，并且通过调节匹配电感的大小可以实现超声波电源逆变桥输出电压、电流同相位的效果。

本发明的目的可采用以下技术方案实现：

一种用于超声波电源的阻抗无级匹配网络，其包括信号处理模块、占空比控制模块、第一晶闸管和第二晶闸管、以及第一电感和第二电感，第一晶闸管的阴极与第二晶闸管的阳极相连接，第一晶闸管的阳极与第二晶闸管的阴极相连接，第一电感的一端与第一晶闸管的阴极和第二晶闸管的阳极相连接；第二电感的一端与第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阴极相连接，第一电感的另一端和第二电感的另一端接于主电路逆变桥输出端，与换能器并联。

所述信号处理模块接收超声波电源主电路逆变桥的输出电压采样信号，产生与逆变桥输出电压负向、正向同步的第一晶闸管驱动信号和第二晶闸管驱动信号。

所述占空比控制模块控制与超声波电源逆变桥输出电压负向、正向同步的第一晶闸管驱动信号和第二晶闸管驱动信号的占空比。

上述用于超声波电源的阻抗无级匹配网络的控制方法是：超声波电源逆变桥输出电压经过降压高频变压器得到的输出电压采样信号，该采样信号经过信号处理模块可以产生与输出电压负向、正向同步的两路驱动信号，分别驱动第一晶闸管的门极和第二晶闸管的门极，占空比控制模块通过控制信号处理模块产生的两路驱动信号的占空比，可以调节第一晶闸管和第二晶闸管的导通角，进而改变第一电感和第二电感接入主电路的等效电感值，以实现匹配网络阻抗无级调节，在换能器谐振频率漂移时，可以采用保持电源输出频率不变，仅调节匹配电感大小的方法使得输出电压、电流同相位，控制更加简单。

本发明与已有技术相比具有以下优点和突出效果：

本发明所提出的超声波电源匹配网络与传统的匹配网络不同，传统的匹配网络有单个电感匹配网络和T型匹配网络，其电感值恒定不可调，已有的可调匹配网络也是通过电感投切的方式，采用的是有级调节，精度受到限制。

本发明所提出的超声波电源匹配网络可以通过调节晶闸管导通角的方式达到等效电感连续可调的目的，采用无级调节，精度更高。并且在换能器谐振频率漂移时，可以采用保持电源输出频率不变，仅调节匹配电感大小的方法使得电源输出电压、电流同相位，使得控制更加简单。输出电压采样信号经过信号处理模块，可以产生与输出电压负向、正向同步的两路驱动信号，分别用于驱动第一晶闸管和第二晶闸管的门极。通过占空比控制模块调节两路驱动信号的占空比，可以连续调节接入电路中等效电感的大小，达到输出电压、电流同相位的效果。

附图说明

图1是用于超声波电源的阻抗无级匹配网络的构成示意图。

图2是匹配网络中的信号处理模块和占空比控制模块的电路图。

图3是控制占空比的电压信号波形图。

图4是相位差脉冲指示信号V11和相位差电压指示信号V15波形图。

图5是应用本发明匹配网络的超声波电源的输出电压、电流采样波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施，对本发明作进一步的详细叙述，但本发明的实施和保护不限于此。

本发明公开的匹配网络如图1所示，可以使得匹配电感无级调节，通过调节电感的大小，可以使得换能器谐振频率漂移时，在不改变电源输出频率的情况下，实现电源输出电压、电流同相位的效果。图2是匹配网络中的信号处理模块和占空比控制模块的电路图，如图2所示，超声波电源逆变桥输出电压经过降压高频变压器得到输出电压采样信号分别经过信号处理模块中的第一比较器COMP5和第二比较器COMP6，得到与输出电压负向和正向同步的第一方波信号和第二方波信号，第一方波信号经过信号处理模块中的第一放大器OP_AMP3、第二放大器OP_AMP5、第三比较器COMP7组成的电路之后，可以得到与输出电压负向同步的第一驱动信号，用于驱动第一晶闸管THY1。第二方波信号经过信号处理模块中的第三放大器OP_AMP4、第四放大器OP_AMP6、第四比较器COMP8组成的电路之后，可以得到与输出电压正向同步的第二驱动信号，用于驱动第二晶闸管THY2。占空比控制模块由第三比较器COMP7、第四比较器COMP8以及输入端T6组成，输入端T6接收来自控制电路的占空比控制电压信号，改变控制电压的大小可以改变驱动信号的占空比，即达到改变晶闸管导通角，调节等值匹配电感的效果。图3是psim仿真超声波电源的条件下，在仿真过程中，突然改变换能器谐振频率参数，得到的占空比控制电压信号。如图3所示，在0.6s时突然改变换能器的谐振频率，可以看出占空比控制电压信号V34的电压值在0.6s的时候又重新做了调整。图4是psim仿真超声波电源的条件下，得到的超声波电源输出电压、电流相位差脉冲指示信号和相位差电压指示信号。如图4所示，V11是相位差脉冲指示信号，V15是相位差电压指示信号，在0.6s换能器谐振频率改变时，电源输出电压、电流出现了相位差，在经过约0.1s的调整后，匹配网络晶闸管的导通角发生改变，电源输出电压、电流重新回到同相位的状态。如图4所示，可以看出在经过0.1s的调整之后，相位差脉冲消失如图4中V11所示，相位差电压指示信号V15为0，即电源输出电压、电流同相位。图5是psim仿真超声波电源的条件下，得到的超声波电源输出电压、电流采样信号，如图5所示，输出电压采样信号为方波信号VP1，输出电流采样信号为正弦波信号V7，可以看出，电源输出电压、电流同相位。

本发明的电路元器件连接关系如下：

如图2所示：电源输出电压采样信号分别接第一比较器COMP5的负输入端脚2和第二比较器COMP6的正输入端脚3，第一比较器COMP5的正输入端脚1和第二比较器COMP6的负输入端脚4都接地。第一比较器COMP5的输出端脚27经过电阻R20接入第一放大器OP_AMP3的负输入端脚5，同时第一比较器COMP5的输出端脚27接第一单稳态触发器MONO3的下降沿触发端脚23。第一单稳态触发器的Q输出端脚24接入第一三极管npn3的基极B1，第一单稳态触发器的Q非输出端悬空，上升沿触发端接地。第一三极管的集电极C1和发射极E1分别接第一放大器OP_AMP3的负输入端脚5和输出端脚7，脚5和脚7接入电容C22。第一放大器OP_AMP3的正输入端脚6经过电阻R21接地。第一放大器OP_AMP3的输出端脚7经过电阻R24接入第二放大器OP_AMP5的负输入端脚8，第二放大器的负输入端脚8经过电阻R28与输出端脚10相连接，正输入端脚9经过电阻R25后接地，输出端脚10接入第三比较器COMP7的正输入端脚11，第三比较器COMP7的输出端脚13接入图1中第一晶闸管THY1的门极G1。第三比较器COMP7的负输入端脚12接外部输入信号端T6。第二比较器COMP6的输出端脚28经过电阻R22接入第三放大器OP_AMP4的负输入端脚14，同时第二比较器COMP5的输出端脚28接第二单稳态触发器MONO4的下降沿触发端脚25。第二单稳态触发器的Q输出端脚26接入第二三极管npn4的基极B2，第二单稳态触发器的Q非输出端悬空，上升沿触发端接地。第二三极管的集电极C2和发射极E2分别接第三放大器OP_AMP4的负输入端脚14和输出端脚16，脚14和脚16接入电容C25。第三放大器OP_AMP4的正输入端脚15经过电阻R23接地。第三放大器OP_AMP4的输出端脚16经过电阻R26接入第四放大器OP_AMP6的负输入端脚17，第二放大器的负输入端脚17经过电阻R29与输出端脚19相连接，正输入端脚18经过电阻R27后接地，输出端脚19接入第四比较器COMP8的正输入端脚20，第四比较器COMP8的输出端脚22接入图1中第二晶闸管THY2的门极G2。第四比较器COMP8的负输入端脚21接外部输入信号端T6。

Claims

1.一种用于超声波电源的阻抗无级匹配网络，其特征在于包括信号处理模块、占空比控制模块、第一晶闸管(THY1)和第二晶闸管(THY2)、以及第一电感(L1)和第二电感(L2)，第一晶闸管(THY1)的阴极（K1）与第二晶闸管(THY2)的阳极（A2）相连接，第一晶闸管(THY1)的阳极（A1）与第二晶闸管(THY2)的阴极（K2）相连接，第一电感(L1)的一端与第一晶闸管(THY1)的阴极（K1）和第二晶闸管(THY2)的阳极（A2）相连接；第二电感(L2)的一端与第一晶闸管的阳极（A1）和第二晶闸管的阴极（K2）相连接；第一电感(L1)的另一端和第二电感(L2)的另一端接于超声波电源主电路逆变桥输出端，与超声波换能器并联；信号处理模块接收超声波电源主电路逆变桥的输出电压采样信号，产生与逆变桥输出电压负向、正向同步的第一晶闸管(THY1)驱动信号和第二晶闸管(THY2)驱动信号；占空比控制模块控制与超声波电源逆变桥输出电压负向、正向同步的第一晶闸管(THY1)驱动信号和第二晶闸管(THY2)驱动信号的占空比；

超声波电源逆变桥输出电压经过降压高频变压器得到的输出电压采样信号，该采样信号经过信号处理模块可以产生与输出电压负向、正向同步的两路驱动信号，分别驱动第一晶闸管的门极（G1）和第二晶闸管的门极（G2），占空比控制模块通过控制信号处理模块产生的两路驱动信号的占空比，调节第一晶闸管（THY1)和第二晶闸管（THY2)的导通角，进而改变第一电感（L1）和第二电感（L2）接入主电路的等效电感值，以实现匹配网络阻抗无级调节，在换能器谐振频率漂移时，采用保持电源输出频率不变，仅调节匹配电感大小的方法使得输出电压、电流同相位。