LCC谐振式高升压比超声波换能器驱动_吴轲.pdf

第 21 卷 第 1 期2023 年 2 月福建工程学院学报Journal of Fujian University of TechnologyVol21 No1Feb 2023doi:103969/jissn16724348202301013LCC 谐振式高升压比超声波换能器驱动吴轲，黄晓生，林咏澍(福建工程学院 电子电气与物理学院，福建 福州 350118)摘要:针对传统换能器驱动电路带换能器负载和不带负载时压差过大的问题，提出了一种新的换能器驱动电源。在分析和推导补偿拓扑的基础上，使用 LCC 补偿网络的输出与负载无关特性和后级电路谐振匹配网络设计使带空载时阻抗角接近 0，实现高升压比和低压差。通过对一款 40 kHz 的换能器进行仿真和实验验证了方案的可行性，在高升压比的情况下，使换能器的压差降低至 90 V，达到了减少压差的效果。关键词:超声波电源;LCC 补偿网络;低压差;高升压比中图分类号:TB552文献标志码:A文章编号:16724348(2023)01008406Drive of LCC resonant ultrasonic transducer with high boost ratioWU Ke，HUANG Xiaosheng，LIN Yongshu(School of Electronic，Electrical Engineering and Physics，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China)Abstract:In order to solve the problem of excessive pressure difference between traditional transducer drivecircuit with and without transducer load，a new transducer drive power supply was proposed Based on theanalysis and derivation of the compensation topology，the output of the LCC compensation network independentof the load and the resonant matching network of the later stage circuit was designed to make the impedanceangle close to 0 with no load to achieve high boost ratio and low dropout The feasibility of the scheme wasverified by simulation and experiment on a 40 kHz transducer In the case of high boost ratio，the pressuredifference of the transducer is reduced to 90 V，which achieves the effect of reducing the pressure differenceKeywords:ultrasonic power supply;LCC compensation network;low pressure difference;high boost ratio收稿日期:20221016基金项目:福建省自然科学基金项目(2022J01949);福州市科技计划项目(2021P051)第一作者简介:吴轲(1999)，男，福建龙岩人，硕士研究生，研究方向:超声波换能器高频高压驱动。通信作者:黄晓生(1986)，男，福建南安人，副教授，博士，研究方向:无线电能传输技术、电力电子高频电磁技术等。超声波的非电离特性使其可以安全地用于人体，从而可以应用于传统的压电式换能器，基于超声波的传感技术因此也应用广泛1。驱动电路是超声波测量系统的基础，当驱动电路的工作频率和换能器工作频率一致时，会与换能器产生共振，从而发出高频的超声波，以达到实际测量的目的2。为了将超声波换能器更加有效地应用于精密工程领域，学术界针对超声波驱动电源性能的提高展开了诸多研究3。文献 4 使用一级电压放大电路和一级功率放大电路组成了换能器驱动电路，通过调谐匹配使换能器等效阻抗近视为电阻，对变压器参数进行设计，使功率放大电路的效率最高。文献 5采用电流反馈型运算放大器进行电压放大，使用多级三极管组成互补推挽电路进行电流放大并且分散功耗，保证系统的稳定性。文献 6使用STM32 作为主控芯片，使用 4 个 IGBT 组成全桥逆变电路进行驱动，由于芯片不能直接驱动 IGBT开通和关断，又设计了自举电路使全桥电路正常运行。文献 7使用了 E 类逆变器进行驱动，并在调节谐振电路参数值后，实现了功率 MOSFET在零电压下导通;功率 MOSFET 的电流和电压波第 1 期吴轲，等:LCC 谐振式高升压比超声波换能器驱动形在切换时间间隔内不重叠，开关损耗几乎为零，效率较高。文献 8 10 使用的是三极管放大电路，文献 1使用 MOS 管放大电路，主要是利用开关管的开关作用将方波信号进行放大，并经由变压器和简单的补偿电路构成了驱动电源。上述研究提到的拓扑各有优劣，但没考虑到带空载压差对驱动电源的影响，大多拓扑输出电压不高，升压比很低。本研究使用 LCC 补偿拓扑，在变压器后级进行谐振阻抗匹配，以实现高升压比，并解决因原边电流瞬时功率变化大而引起的带载和空载功率差距大的问题，使驱动器在带载和空载时压差较小。1驱动电源拓扑分析11超声波换能器驱动拓扑图 1 为提出的超声波换能器驱动拓扑。Q1Q4是全桥逆变电路的 4 个功率 MOSFET，L1和 L2分别是变压器的原边线圈和副边线圈，LP、CP和C1是原边线圈的补偿电感和补偿电容，M 是变压器的互感，L和 CL为换能器串联等效阻抗，comp和 Ccomp为检测支路阻抗。图 1超声波换能器驱动拓扑Fig1Ultrasonic transducer driven topology图 1 中，二极管 D1 D4用于回波检测，该超声波换能器为收发一体换能器。当换能器处于发射状态时电压较大，故可将正反并联的二极管当做短路;当换能器处于接收状态时，二极管 D1、D2导通，回波电压可由检测支路上的 D3、D4进行较好的检测。将全桥逆变电路的输出等效为 UAB，其简化等效电路如图 2 所示。该阻抗匹配网络有 3 个谐振环路，LCC 补偿拓扑的两个谐振腔使得变压器的原边电流接近恒定，解决了使用传统拓扑时变压器原边电流瞬时功率变化大而导致的压差过大的问题。后级的谐振腔使得阻抗角几乎为 0，依赖于 LCC 补偿拓扑良好的恒压输出特性，使得高升压比和空载低压差得以实现。换能器处的谐振匹配网络原理如图 3 所示。图 2简化拓扑Fig2Simplified the topology图 3谐振匹配网络Fig3esonant matching network如图 3 所示，ZL为固定的变压器副边感值，使得 ZL满足空载与带载时后级相位角均接近0，从而降低阻抗相角变化对前端逆变输出的影响。Zopen为空载时电阻 comp和电容 Ccomp的总阻抗，Zopen_sum为 Zopen与变压器副边 ZL的总阻抗。Zload为带载时换能器等效 L与 CL以及电阻 comp和电容 Ccomp的总阻抗，ZLoad_sum为 Zload与变压器副边 ZL连接在一起的总阻抗。根据图 3 可知空载与带载电压满足:VloadVopen=ZloadZload_sumZopen_sumZopen1(1)由式(1)可知，换能器谐振匹配网络的设计在理论上可使得空载电压低于带载电压，但在实际电路中，由于带载和空载功率差距大，变压器原边侧电流在带载时电流会降低，导致空载电压大于带载电压。利用 LCC-S 补偿网络的恒压恒流输出特性，可进一步降低空载与带载之间的压差，并通过降低元件 ES 实现带载电压与空载电压相近。12LCC-S 补偿网络补偿网络的设计有 3 个需求:拓扑结构尽量简单，使用的元器件尽可能少;接收侧反射阻抗经过变压器和补偿网络后，不改变阻抗的相位;补偿网络的参数不受负载的影响，即具有负载不相关性。58福建工程学院学报第 21 卷对称 T 型和 型补偿网络可以从输入电压/电流源获得与负载无关的输出电流/电压11，其输入阻抗角为 0，非常适用于能量传输系统，且在此基础上可以衍生出各种补偿拓扑。LCC-S 拓扑具有许多优点:接近零的无功功率增加了效率12;输出电压与输入电压的比值可以通过改变补偿电感的值来调节，并且与负载无关;与传统 S 型补偿相比，主侧 T 型网络灵敏度较低，降低了设计难度1314。LCC-S 补偿网络有 3 个谐振回路，如图 2 所示，副边阻抗 Z2为:Z2=jL2+1jCeq+eq(2)其中，Ceq和 eq为换能器等效 L与 CL以及电阻comp和电容 Ccomp并联后的等效值。补偿网络的负载经过耦合线圈后，反射到原边的阻抗 Z2eq为:Z2eq=2M2Z2=CeqM231j(CeqL221)+Ceqeq(3)则 LCC-S 补偿网络的输入阻抗 Zin如式(4)所示，每个谐振回路都工作相同的谐振频率下，谐振频率等于该驱动电源的工作频率，此时的效率最高，即可得到 LC 之间的关系式如式(5)。Zin=jLp+1jCp1jC1+jL1+Z2eq()(4)12=LpCp=L1C1=L2Ceq(5)其中，C1=CpC1Cp+C1，化简后 LCC-S 补偿的输入阻抗为:Zin=L2pM2eq(6)由式(6)可得，当 3 个谐振回路的谐振频率相等时，LCC-S 补偿网络不会改变等效负荷的相位，只改变其幅值，且其改变幅值的比例由补偿电感和耦合系数决定15。原边线圈经过 LCC 补偿后，根据诺顿等效，流过原边线圈的电流 iin的幅值为:Iin=UABjMLp(7)LCC-S 补偿网络的电压增益 G 为:G=UabUAB=jMIin=MLp(8)从式(6)可得，该电路的输入阻抗是阻性的，因此输入无功功率为零。从式(8)可得，补偿网络的电压增益只与耦合系数和补偿电感 Lp有关。本研究使用 LCC-S 补偿电路对超声波换能器驱动电源进行补偿，主要有以下优点:第一，对换能器进行调谐匹配，超声波换能器工作在串联谐振频率时，等效为静态电容与动态电阻并联，经过调谐后的等效电路对外呈现纯阻性特征。第二，使驱动电源实现变压器的原边恒流和副边恒压。驱动电源在接入换能器后功率变大，驱动电源原边电流会降低，从而产生压差，而原边恒流特性将使驱动电源在带载和空载时的压差变小。13高频变压器设计匹配网络及其高频变压器的设计是为了提供滤波与阻抗匹配，调节电压/电流增益。高频变压器的设计取决于所采用的谐振网络、激励类型。谐振匹配形式决定了电压/电流增益特征。理论上，补偿电感 Lp的值越低，变压器原边电流越大，输出电压也越大。实际的输出电压增益还会受Lp的 Q 值及 MOSFET 的导通电阻影响。超声波电源属于高频开关电源，其输出频率会在主频范围来回波动，因此在波动范围内需要尽可能减少磁芯材料的损耗，包括磁滞损耗、涡流损耗等。在设计磁芯时，应该选择高耐温性、高磁导率的磁芯材料。高频变压器的磁芯材料选择软磁铁氧体，其生产方法为粉末冶金法。该材料的磁导率相比于坡莫合金的磁导率较低，但是其电阻率较高，在高频应用的场合中，可以实现非常小的磁芯损耗，同时该材料由于未使用镍等稀缺金属也可以实现良好的磁导率，且粉末冶金技术相对成熟，因此软磁铁氧体具有较低的成本。经过对磁芯损耗及成本方面的对比，本次设计选择 EE型结构的软磁铁氧体磁芯，具有结构简易、热稳定性好、成本低等特点。变压器工作在谐振模式即非安匝平衡模式，需要开气隙进行储能。在初步设计时，变