TWI785848B - 高頻高壓驅動裝置及其衍生應用系統 - Google Patents

Abstract

本發明為一種高頻高壓驅動裝置及其衍生應用系統。高頻高壓驅動裝置用以驅動受控元件。高頻高壓驅動裝置包括微處理器、功率放大器及高頻變壓器。微處理器用以產生高頻驅動訊號。功率放大器係電性連接微處理器，用以將高頻驅動訊號轉換為功率放大訊號。高頻變壓器係電性連接功率放大器，用以增加功率放大訊號之電壓以轉換為高頻高壓正弦波訊號，藉以驅動受控元件。

Description

高頻高壓驅動裝置及其衍生應用系統

本發明係關於一種高頻高壓驅動裝置及其衍生應用系統，特別是一種可產生高頻、高壓及正弦波訊號的高頻高壓驅動裝置及其衍生應用系統。

現在的已經發展出許多壓電元件應用系統，其利用壓電元件的特性，驅動器輸入驅動訊號給予壓電元件，讓壓電元件振動以產生超音波等訊號，可以做為超音波非破壞性檢測、水下超音波檢測、平板型指紋辨識模組或超音波避障系統等，高功率領域可應用於EAP(Electroactive Polymers)、人工肌肉、仿生軟性機械手爪、微型生物機械人等。以目前現有設備為例，當驅動電路輸出高電壓時，例如300Vpp時，驅動訊號的頻率受限於功率電晶體切換速度，一般元件只能提供100~300KHz之切換速度。若強行提升驅動頻率，則輸出訊號波型則會失真且由於迴轉率(Slew Rate)無法滿足高電壓輸出，使驅動訊號發生實際電壓輸出的衰減。

就如圖1所示，圖1係先前技術之高頻高壓驅動裝置之輸出波形示意圖。先前技術中，輸出電壓波形S1及輸出電流波形S2明顯失真，無法提供完整的正弦波波型。如此一來對於壓電元件的應用就會有很大的限制。所以現有市售產品能提供在高頻(例如超過1MHz)操作下輸出穩定之高電壓(例如超過400Vpp)之市售產品極少，多數為特殊規格需訂製之產品。

於先前技術中，亦公開了高頻高壓發生電路的部分前案，如CN 103997252、CN 104426411、CN 2689583Y、CN 100486097C、CN 103259425、CN 202258730、CN 106229123等。但該些前案都具有部分缺失，例如CN 103997252輸出的訊號並非連續。CN 104426411為多重放大濾波，但並非實際輸出到附加元件。CN 2689583Y的工作頻率僅40 KHz。CN 100486097C僅為一對多變壓器，用以整流後疊加直流訊號來產生高壓脈衝。其餘的CN 103259425、CN 202258730、CN 106229123僅揭示繞組線圈本身之技術。

因此，有必要發明一種新的高頻高壓驅動裝置及其衍生應用系統，以解決先前技術的缺失。

本發明之主要目的係在提供一種高頻高壓驅動裝置，其可產生高頻、高壓及正弦波訊號。

本發明之另一主要目的係在提供一種具有上述裝置的衍生應用系統。

為達成上述之目的，本發明之高頻高壓驅動裝置用以驅動受控元件。高頻高壓驅動裝置包括微處理器、功率放大器及高頻變壓器。微處理器用以產生高頻驅動訊號。功率放大器係電性連接微處理器，用以將高頻驅動訊號轉換為功率放大訊號。高頻變壓器係電性連接功率放大器，用以增加功率放大訊號之電壓以轉換為高頻高壓正弦波訊號，藉以驅動受控元件。

本發明之衍生應用系統包括受控元件及高頻高壓驅動裝置。高頻高壓驅動裝置用以驅動受控元件。高頻高壓驅動裝置包括微處理器、功率放大器及高頻變壓器。微處理器用以產生高頻驅動訊號。功率放大器係電性連接微處理器，用以將高頻驅動訊號轉換為功率放大訊號。高頻變壓器係電性連接功率放大器，用以增加功率放大訊號之電壓以轉換為高頻高壓正弦波訊號，藉以驅動受控元件。

為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。

以下請參考圖2係本發明之衍生應用系統之架構示意圖。

於本發明之實施例中，衍生應用系統1可以為超音波非破壞性檢測裝置、水下超音波檢測裝置、平板型指紋辨識模組、超音波避障系統、EAP(Electroactive Polymers)、人工肌肉、仿生軟性機械手爪、微型生物機械人等，但本發明並不限制其用途。衍生應用系統1包括受控元件2及高頻高壓驅動裝置10。受控元件2可以為一種壓電元件，例如聚偏氟乙烯(Polyvinylidene，PVDF)，但本發明並不限於此。高頻高壓驅動裝置10用以驅動受控元件2，使受控元件2接收電壓訊號後得以振動。該高頻高壓驅動裝置10包括微處理器20、功率放大器30及高頻變壓器40。微處理器20用以產生一高頻驅動訊號，高頻驅動訊號係為一方波，頻率可以為大於或等於1MHz。功率放大器30係電性連接該微處理器20，用以將該高頻驅動訊號轉換以增加功率成為一功率放大訊號。高頻變壓器40係電性連接該功率放大器30，用以增加該功率放大訊號的電壓，以轉換為一高頻高壓正弦波訊號，藉以驅動該受控元件2。故於本發明之一實施例中，可以先產生高頻之方波信號，以先滿足高頻區間。之後再升高輸出電壓，以滿足高壓需求。最終得到的高頻高壓正弦波訊號可以為頻率大於或等於1MHz、電壓值大於或等於400Vpp的正弦波。但高頻高壓正弦波訊號可以依照受控元件2的規格需求做改變，本發明並不僅限於此數值。

接著請參考圖3係本發明之高頻高壓驅動裝置之電路架構圖。

該功率放大器30包括高-低端驅動器31、第一切換模組32及第二切換模組33。高-低端驅動器31用以接收微處理器20的該高頻驅動訊號以輸出一第一控制訊號及一第二控制訊號，其中該第一控制訊號及該第二控制訊號係為互補訊號。第一切換模組32及第二切換模組33皆可為N型金氧半電晶體，但本發明並不限於此。第一切換模組32可以為高端驅動，其汲極連接高-低端驅動器31的電源端VDD，閘極用以接收該第一控制訊號，根據第一控制訊號的電位高低以產生第一放大訊號。第二切換模組33可以為低端驅動，其源極連接地端G，閘極用以接收該第二控制訊號，根據第二控制訊號的電位高低以產生第二放大訊號。由於高、低端驅動的技術已經被本發明所屬技術領域中具通常知識者所熟悉，故在此不再贅述。第一放大訊號及第二放大訊號係分別為正半周及負半周的互補波形訊號，所以該第一切換模組32及該第二切換模組33會因為第一控制訊號及第二控制訊號的控制而分別導通及截止，來各自負擔正負半周的波形放大。如此一來，第一切換模組32及第二切換模組33輸出的訊號就可以合成為方波的功率放大訊號。

並且，該第一切換模組32的閘極與該高-低端驅動器31之間進一步電性連接一第一快速二極體D1及一第一電阻R1。該第二切換模組33的閘極與該高-低端驅動器31之間進一步電性連接一第二快速二極體D2及一第二電阻R2。如此一來可以加速放電，讓第一切換模組32及第二切換模組33切換的速度增加，改善正負半周的波形放大輸出頻率，滿足高頻輸出需求。

於本發明之一實施例中，該高頻變壓器40包括繞組元件41。繞組元件41可以為FERROXCUBE Toroid 3F3環形鐵芯，但本發明不受限於此。高頻變壓器40也可以為多個互相並聯的複數之繞組元件，本發明並不限制繞組元件之數量。繞組元件41可利用利茲線配合交錯式繞組的方式分別纏繞於一次側及二次側。藉此接收功率放大訊號後，可以轉換為高頻高壓正弦波訊號。繞組元件41能達到調整輸出阻抗的效果，可配合受控元件2之選擇調整設計電路之輸出阻抗，配合受控元件2於共振頻率下阻抗極低的特性，使阻抗匹配輸出功率最大化。且該第一切換模組32與繞組元件41之間係進一步電性連接一第一電容C1，該第二切換模組33與繞組元件41之間係進一步電性連接一第二電容C2，藉此第一電容C1及第二電容C2的作用可以完成全迴路輸出，使高頻變壓器40於正半周及負半周都會形成迴路，避免一個週期只有一半時間輸出。並且讓輸入到高頻變壓器40的一次側的功率放大訊號為完整的全週期交流訊號，而非半周期方波訊號。

需注意的是，電路架構圖中還可以具有其他的電阻、電容或二極體以作為充放電或穩壓等作用。由於其他的電路元件的作用並非本發明之重點所在，故在此不再贅述。

最後請參考圖4係本發明之高頻高壓驅動裝置之輸出波形示意圖。

由上述的說明可知，本發明之高頻高壓驅動裝置10藉由結合第一級前置功率放大器30針對高頻信號進行初步放大，後續連接高頻高壓變壓器40將電壓提升，可以產生頻率1MHz、電壓值400Vpp的高頻高壓正弦波訊號來驅動受控元件2，讓受控元件2振動。如圖3所示的輸出電壓波形S1及輸出電流波形S2，明顯優於圖1所示的波形，能改善先前技術中輸出波形失真的問題。本發明之高頻高壓驅動裝置10成本低廉，於負載穩定的情況下可使驅動訊號維持穩定輸出高頻高壓之規格。故受控元件2的應用能夠更廣泛，明顯優於先前技術的設計。

需注意的是，上述僅為實施例，而非限制於實施例。譬如不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準，亦不限制於壓電元件的應用。

先前技術

S1:輸出電壓波形

S2:輸出電流波形

本發明

1:衍生應用系統

2:受控元件

10:高頻高壓驅動裝置

20:微處理器

30:功率放大器

31:高-低端驅動器

32:第一切換模組

33:第二切換模組

40:高頻變壓器

41:繞組元件

C1:第一電容

C2:第二電容

D1:第一快速二極體

D2:第二快速二極體

S1:輸出電壓波形

S2:輸出電流波形

R1:第一電阻

R2:第二電阻

VDD:電源端

圖1係先前技術之高頻高壓驅動裝置之輸出波形示意圖。 圖2係本發明之衍生應用系統之架構示意圖。 圖3係本發明之高頻高壓驅動裝置之電路架構圖。 圖4係本發明之高頻高壓驅動裝置之輸出波形示意圖。

1:衍生應用系統

2:受控元件

10:高頻高壓驅動裝置

20:微處理器

30:功率放大器

40:高頻變壓器

Claims (16)

1. 一種高頻高壓驅動裝置，用以驅動一受控元件；該高頻高壓驅動裝置包括：一微處理器，用以產生一高頻驅動訊號；一功率放大器，係電性連接該微處理器，用以將該高頻驅動訊號轉換為一功率放大訊號；一第一電容，係電性連接該功率放大器；一第二電容，係電性連接該功率放大器，藉由該第一電容及該第二電容以產生全週期之該功率放大訊號；以及一高頻變壓器，係電性連接該第一電容及該第二電容，用以增加該功率放大訊號之電壓以轉換為一高頻高壓正弦波訊號，藉以驅動該受控元件。
2. 如請求項1所述之高頻高壓驅動裝置，其中該功率放大器包括：一高-低端驅動器，用以接收該高頻驅動訊號以輸出一第一控制訊號及一第二控制訊號，其中該第一控制訊號及該第二控制訊號係為互補訊號； 一第一切換模組，用以接收該第一控制訊號，以產生一第一放大訊號；以及一第二切換模組，用以接收該第二控制訊號，以產生一第二放大訊號，其中該第一放大訊號及該第二放大訊號係為互補訊號；藉此該第一放大訊號及該第二放大訊號係共同生成該功率放大訊號。
3. 如請求項2所述之高頻高壓驅動裝置，其中該第一切換模組與該高-低端驅動器之間進一步電性連接一第一快速二極體及一第一電阻；該第二切換模組與該高-低端驅動器之間進一步電性連接一第二快速二極體及一第二電阻。
4. 如請求項1所述之高頻高壓驅動裝置，其中該高頻變壓器包括一繞組元件。
5. 如請求項1到4之任一項所述之高頻高壓驅動裝置，其中該高頻驅動訊號係為一方波訊號。
6. 如請求項1到4之任一項所述之高頻高壓驅動裝置，其中該功率放大訊號係為一方波訊號。
7. 如請求項1到4之任一項所述之高頻高壓驅動裝置，其中該高頻高壓正弦波訊號之電壓係大於或等於400Vpp。
8. 如請求項1到4之任一項所述之高頻高壓驅動裝置，其中該高頻高壓正弦波訊號之頻率係大於或等於1MHz。
9. 一種衍生應用系統，包括：一受控元件；以及一高頻高壓驅動裝置，用以驅動該受控元件；該高頻高壓驅動裝置包括：一微處理器，用以產生一高頻驅動訊號；一功率放大器，係電性連接該微處理器，用以將該高頻驅動訊號轉換為一功率放大訊號；一第一電容，係電性連接該功率放大器；一第二電容，係電性連接該功率放大器，藉由該第一電容及該第二電容以產生全週期之該功率放大訊號；以及一高頻變壓器，係電性連接該第一電容及該第二電容，用以將該功率放大訊號轉換為一高頻高壓正弦波訊號，藉以驅動該受控元件。
10. 如請求項9所述之衍生應用系統，其中該功率放大器包括： 一高-低端驅動器，用以接收該高頻驅動訊號以輸出一第一控制訊號及一第二控制訊號，其中該第一控制訊號及該第二控制訊號係為互補訊號；一第一切換模組，用以接收該第一控制訊號，以產生一第一放大訊號；以及一第二切換模組，用以接收該第二控制訊號，以產生一第二放大訊號，其中該第一放大訊號及該第二放大訊號係為互補訊號；藉此該第一放大訊號及該第二放大訊號係共同生成該功率放大訊號。
11. 如請求項10所述之衍生應用系統，其中該第一切換模組與該高-低端驅動器之間進一步電性連接一第一快速二極體及一第一電阻；該第二切換模組與該高-低端驅動器之間進一步電性連接一第二快速二極體及一第二電阻。
12. 如請求項9所述之衍生應用系統，其中該高頻變壓器包括一繞組元件。
13. 如請求項9到12之任一項所述之衍生應用系統，其中該高頻驅動訊號係為一方波訊號。
14. 如請求項9到12之任一項所述之衍生應用系統，其中該功率放大訊號係為一方波訊號。
15. 如請求項9到12之任一項所述之衍生應用系統，其中該高頻高壓正弦波訊號係大於或等於400Vpp。
16. 如請求項9到12之任一項所述之衍生應用系統，其中該高頻高壓正弦波訊號之頻率係大於或等於1MHz。

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