大功率超声波发生电路的研究

大功率超声波发生电路的研究

刘宏亮

（中石油管道局第六工程公司第五分公司，天津滨海新区大港，300272）

摘要

设计一个大功率超声波功率放大电路，即驱动电路，用于驱动超声波换能器，进行大功率超声波焊接。首先设计出了以场效应管为主要放大器件的开关模式全桥功率放大电路，然后设计出超声波变频、调压以及同步信号控制电路等功能电路，作为全桥电路的辅助电路，用来实现超声波变频以及调节输入电压等功能。并对其中一些基本功能电路进行了软件模拟，模拟出了这些电路的实际工作状态。

关键词：开关模式；全桥电路；场效应管；变频；调压

The Research on High-power ultrasonic Circuit

ABSTRACT

To design a high-power ultrasonic power amplifier circuit, driving circuit, Drivers for the ultrasonic transducer for high-power ultrasonic welding. At first we designed a field effect transistor amplifier for the main pieces of the full-bridge switching mode power amplifier circuit, then designed ultrasonic transduce, voltage regulate and synchronous control signal circuit function circuit, as a full-bridge circuit auxiliary circuit, which can be used for ultrasonic transduce and input voltage regulating function. We were also using the software to simulate the function of some of the basic circuit, simulated these circuits’actual working condition.

Key words: switching mode；full-bridge circuit；field effect transistor；transduce；voltage regulate

第1章前提

1.1 国内外大功率超声波发生电路的研究

1.1.1 超声波的发展史

超声学，作为一门研究声音以高于人耳闻域的上限频率（18KHz）传播时的规律的学科，以不算是新鲜课程了[1,2]。加尔顿（Galton）早就意识到超声波的存在，他在1883年在研究人耳对声谱的感知极限时所用的那只哨子，可以说是最早的人造超声波换能器之一。继加尔顿的工作之后的30年里，超声学一直保持着鲜为人知的其特性；超声学的发展由于当时电子技术的进展不足而受到了限制。因此，当压电效应和磁致伸缩效应被发现时，并没有被用于制作有用的超声器件。作为1914～1918年战争经验的结果，人们对超声学的兴趣逐渐显现出来。在法国，郎之万发明了石英晶体换能器，用来在水中发射、接收频率较低的超声波，结果表明这为探测潜艇和水下通讯提供了一种有效的手段。

战后，电子学领域迅速发展，到了1925年，皮尔斯（Pierce）用石英晶体管和镍制做的发射、接收超声波换能器已经将频率拓展至兆赫兹的范围。在此期间，德比（Debye），希尔斯（Sears）、刘卡斯（Lucas）和比奎德（Biquard）分别通过各自独立的研究工作发现了超声衍射栅。自此利用超声波来研究液体和气体的声学特性的工作便稳步地开展起来了。30年代，又开展了对固体特性的超声波研究工作。1934年，索科洛夫（Sokolov）在苏联首次发表了讨论超声探伤的著作。

在两次世界大战期间，人们做了许多关于高强度超声波发生器的研究工作，这些高强度超声波发生器包括超声哨、多孔笛以及电火花隙装置等。在此期间，1927年是重要的年头，这一年哈特曼（Hartmann）和特尔（Trolle）展示了他们研制的超声哨的每一个细节，该超声哨可以在流体中产生比、并传播功率高达50W的超声波。直至第二次世界大战，才为其发展提供了应

用场所。

伯格曼（Bergmann）在其《超声学》一书中对于这方面的早期工作作出了出色的论述，这本书被公认为超声学领域的经典著作。

源于雷达技术的脉冲方法的采用，使得超声波的应用范围拓展了许多，而且在战后的岁月里，超声技术被广泛的用于材料的无损检测、医学诊断，以及各种各样的测试设备和控制设备之中。同时，人们也认识到了高强度超声波的其他一些潜在的应用前景，比如超声清洗、超声乳化、超声钻孔以及种种对材料进行超声波处理的应用。

60年代，随着新材料、新技术的发现，随着微波技术的发展，人们已经可以产生频率高达100GHz的超声波。现已表明，这种超声波在物理学、通讯及计算机技术等领域的基础研究中起着非常重要的作用。

1.1.2 国内外大功率超声波发生电路的研究现状

超声波电源给超声波换能器提供超声频交流电信号，其实现电路又称超声波驱动电路，在20世纪，随着电子技术的迅猛发展，超声波逆变电源所用功率器件经历了电子管、晶闸管、晶体管和IGBT共四个阶段[2]。近年来在电路设计中使用了新型电路拓扑结构和新型功率器件，超声波电源的可靠性、负载适应性、产品一致性得到进一步提高，同时效率也大大提高，产品的体积也随之减小。

传统的超声波仪是采用振荡器来产生超声波的，并且采用电子管作为功率器件。其缺点是体积庞大、笨重、热损耗较大、无功功率大。20世纪80年代，改为采用双极型大功率晶体管，开关工作频率常用20KHz。后来又采用绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT），工作电压和工作电流定额（既单晶容量）明显德增大了。到20世纪90年代，由于功率场效应管MOSFET的技术进步而被广泛采用，开关工作频率达到100KHz。近十年来，超声波电源采用高频率开关交流电源技术，内部集成各种芯片或大规模集成电路实现对带宽频率的动态控制，其发展趋势必然是高效率，作为电源，效率是重要