一种超声波换能器驱动电路

技术领域

本发明涉及超声波技术领域，特别是一种超声波换能器驱动电路。

背景技术

随着电子技术的发展，超声波技术被广泛地应用于军事、航海、工业生产等领域，而与人们生活的息息相关的领域也发挥着越来越重要的作用，为人们生活带来了便利。例如超声波雾化器、医疗B超、超声波清洗机、超声波测厚仪、超声波液位计、超声波探伤仪、超声波流量计、超声波温度计等产品。各种超声波技术应用中最重要部件就是超声波驱动电路。目前大多数超声波换能器主要由压电陶瓷制成，根据应用场合的不同，换能器的谐振频率和功率输出要求不同，从而形成了各种不同领域应用的驱动电路。

现阶段大多数开关式功率超声波发生电路都是采用强制、准谐振的方式驱动换能器产生超声波，这些方法因谐波的影响，产生的超声波在波形的标准性和一致性方面不太理想。而非开关式谐振超声波发生电路因其效率低下，在功率超声的应用方面受到限制。

目前，现有的超声波换能器驱动电路技术主要存在以下几个问题：

1.大多数驱动电路直接采用简单的单管开关式驱动，会存在的波形和效率等问题。

2.未考虑高频变压器的使用及设计，导致驱动电压较低，难以满足高压换能器的驱动需求。

3.大多数驱动电路并没有对换能器的固有参数进行研究，换能器可看作容性负载，驱动时未在换能器侧进行谐振匹配，或通常采用单级谐振补偿，较难满足特定工况下的高正弦电压输出。

4.大多数驱动电路没有考虑换能器热插拔测试或空载时的输出电压过冲，导致换能器负载电路断开时的电压过充，从而可能造成绝缘击穿或损坏驱动电路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声波换能器驱动电路，通过LCC-S谐振拓扑的恒流恒压特性解决传统换能器驱动电路存在的空载压差大的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超声波换能器驱动电路，包括直流源、高频逆变器、高频变压器、超声波换能器负载电路以及移相PWM控制；由直流源提供全桥逆变电路所需母线电压，移相PWM波控制高频逆变器开关，高频逆变器输出高频方波通过高频变压器及其匹配网络进行滤波与谐振匹配，调节电压或电流增益后用于驱动超声波换能器。

在一较佳的实施例中，超声波换能器驱动电路具体包括全桥逆变电路、自耦变压器以及等效负载阻抗；；由直流源提供稳定可调的直流电到全桥逆变电路中，驱动信号用于驱动全桥逆变电路，将直流电转换为方波，经过LCC补偿网络后，经过自耦变压器升压后驱动等效负载阻抗；等效负载阻抗是连接于自耦变压器输出端的超声波换能器负载电路等效阻抗。

在一较佳的实施例中，在自耦变压器原边线圈侧串接两个隔直电容；两个隔直电容等效为LCC的一个谐振电容，用于原边侧的谐振匹配并隔离直流；LCC-S补偿网络用于对自耦变压器进行谐振补偿以实现阻抗匹配；补偿网络包括第一谐振环路、第二谐振环路以及第三谐振环路；谐振网络的相量形式互感方程表示为：

其中，

在一较佳的实施例中，所述全桥逆变器采用部分移相PWM控制；所述的全桥逆变器的第一桥臂和第二桥臂在开关管驱动信号互补的基础上进行移相控制，第一桥臂上管与第二桥臂的下管、第一桥臂的下管与第二桥臂的上管的驱动信号进行移相PWM控制；通过所述的部分移相控制使超声波换能器驱动电路输出电压的过冲峰值降低。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本专利考虑到传统换能器驱动不使用谐振补偿，采取了LCC-S式的谐振补偿，使新驱动电路效果更好，波形更优。

2.本专利通过对LCC谐振参数的设计可以适配多种换能器且方便调整输出峰值，较为灵活，并使用两个隔直电容等效为谐振电容的方法解决了自耦变压器不带隔离的缺点。

3.本专利使用自耦变压器替代高频变压器，成本更低，体积更小，改变抽头位置可以较为简单的改变副边匝数，适配多种换能器使用。

4.本专利在系统工作时，有着更低的空载压差，解决驱动电路在空载时电压过高损坏元件的问题，并通过移相解决了电压过冲问题。

附图说明

图1为本发明优选实施例中超声波驱动电路系统流程图；

图2为本发明优选实施例中压电换能器等效变换；

图3为本发明优选实施例中超声波换能器驱动电路图；

图4为本发明优选实施例中LCC-S补偿网络结构；

图5为本发明优选实施例中移相pwm控制时序图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种新型的超声波驱动电路，驱动电路系统流程如图1-5所示，上电运行后，由直流源提供全桥逆变电路所需母线电压，移相PWM波控制高频逆变器开关，高频逆变器输出高频方波通过高频变压器及其谐振补偿网络进行滤波与阻抗匹配，调节电压/电流增益后用于驱动超声波换能器负载电路。超声波换能器负载电路包含换能器本体及其外围电路。典型的外围电路包含回波检测支路。

为了进一步说明驱动原理，分析超声波换能器阻抗性质,如图2所示对压电换能器等效电路进行阻抗变换。在此等效电路中R

其中

则可得

当等效电容C

当超声波换能器连接有相应的回波检测或阻抗调整支路时，通过图2中的等效变换仍然可以将超声波换能器及其外围电路等效为一个电容电阻串联的等效负载。在下述分析中，超声波换能器负载电路的等效阻抗以一个C

图3给出了超声波换能器驱动电路的电路图。Q

由直流源提供稳定可调的直流电到全桥逆变电路中，移相PWM控制器输出驱动信号用以控制开关管工作，将直流电压逆变为交流矩形波。逆变器输出端经过LCC补偿网络后，经过自耦变压器升压后驱动超声波换能器负载电路。

在驱动电路中使用自耦变压器实现电压变换和谐振匹配的功能，自耦变压器相比于同样功率的普通变压器有体积小，结构简单，质量轻以及价格便宜的优点，并且可以通过调整抽头位置调整原副线圈匝数，达到调整电压增益，调整副边感量以匹配超声波换能器的作用。

自耦变压器原副线圈之间没有隔离，原副线圈之间有直接电的联系，它的低压线圈就是高压线圈的一部分，所以需要在原边线圈侧串接两个隔直电容用于隔绝直流以满足相应的安全绝缘要求。隔直电容C

LCC-S补偿网络用于对自耦变压器进行谐振补偿以实现阻抗匹配。最终，驱动电路的谐振网络包含包括第一谐振环路、第二谐振环路以及第三谐振环路，谐振网络的相量形式互感方程可表示为：

其中，

使用所述具有LCC-S谐振补偿的超声波换能器驱动电路有以下优点：

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，使驱动电路实现变压器的原边恒流和副边负载电阻。该特性将使驱动电路在带载和空载时的压差变小。

通过上述分析可得驱动电路中参数的设计通用流程：根据对换能器阻抗的计算可得副边绕组谐振感量，根据换能器所需电压峰峰值大小调整原边绕组感量及谐振电感，在已知原边绕组感量及谐振电感情况下可以很方便计算出谐振电容取值，并且通过抽头位置的调整可以调节副边绕组感量以适配多种换能器的谐振需求。

当逆变器开始进行输出时，谐振电路开始起振，负载波形的起始数个周期的电压峰值较大大，造成整体峰峰值偏大。为了防止电压过冲，通过调整开关管驱动信号的脉宽或者采用移相PWM控制抑制电压过冲现象。如图5所示只需对峰值较大的前几个波形位置进行移相来保持整体峰值的一致性。其中，d