功率超声电源的研制

　　1 引言

　　超声冲击处理是改善焊接接头残余应力的有效方法之一, 与传统的焊后处理方法相比, 它适用面广、效果显著, 且执行机构轻巧、可控性好、方便灵活、效率高[1]。在实际使用中, 由于变幅杆的载荷变化很大(往往从有载变为空载, 或从空载变为有载) , 机械阻抗急剧变化, 使超声发生器和换能器极易受损。为提高设备的稳定性和安全性, 要求换能器传送出的机械功率随负载的变化而变化, 即注入负载的比功率基本保持恒定。

　　2 超声冲击装置发生器主电路[2]

　　超声发生器主电路原理如图1所示, 它包括单相桥式整流滤波电路、BUCK直流斩波电路、半桥逆变器、输出变压器和匹配网络。

　　工频交流220V电经过全桥整流D1-D4和电容C1、C2滤波, 得到310V左右的直流电; 以T1功率管为核心的BUCK斩波电路, 通过调节T1触发信号的频率和占空比, 可输出大小可调的直流电; 由电感L1、电容C4、C5组成的“┌”型低通滤波器, 可以将BUCK斩波电路输出的脉冲信号转换成平滑的直流电; 经过半桥逆变器DC-AC转换、输出变压器B1的阻抗变换, 传送给匹配电路。匹配电路将功率信号滤波、调谐送给负载。考虑到这里超声发生器的实际要求, 采用MOSFET器件作为主电路的开关器件。MOSFET能克服GTR的缺点, 驱动功率小, 开关频率高, 二次击穿可能性极小。同时MOSFET具有开关速度高、过载能力强、具有负阻特性、易于并联使用可直接用TTL、CMOS电路输出驱动等特点[3]。

　　3 BUCK直流斩波器

　　BUCK直流斩波电路主要起调节电源输出功率的作用, 通过检测负载阻抗和PWM控制, 实现输出功率自动调节, 负载增大时, 发生器输出功率自动增大。由于BUCK直流斩波器可以在高频下工作, 使得储能元件重量和尺寸大大降低, 从而使整个发生器体积小、重量轻。采用的BUCK直流斩波电路图如图1中所示, 它属于同向降压式变换电路。斩波电路由场效应管T1、储能电感L1、续流二极管D6、滤波电容C4、C5组成。斩波电路的输入端电压是由工频电压经过整流滤波得到直流电压。当驱动信号正半周时, 场效应管T1导通, 续流二极管D6因反偏而截止, 电流通过储能电感L1向负载供电, 并同时向滤波电容充电, 此时L1处于储能状态; 当驱动信号处于负半周时, T1截止, 由于L1中电流没有突变, 原先储存的磁能转化成电能以供应负载。由此可见, 在驱动信号的控制下, 场效应管T1呈周期性的导通或截止状态, 储能电感L1同样也呈周期性的储能或放能的状态。而滤波电容C4、C5主要起降低输出电压脉动的作用。BUCK直流斩波器的输入电压和输出电压的关系为: