專利名稱：用于控制可變負(fù)載的超聲波換能器的功率驅(qū)動電路的制作方法
用于控制可變負(fù)載的超聲波換能器的功率驅(qū)動電路
背景技術(shù)：
本發(fā)明通常涉及超聲波系統(tǒng)，特別地，涉及用于驅(qū)動一個用于變動負(fù)載的高功率超聲波換能器的方法和電路。
超聲波技術(shù)用于從珠寶的機械加工和清洗，執(zhí)行外科手術(shù)到包括碳?xì)浠衔锏牧黧w處理的各種應(yīng)用中。超聲波系統(tǒng)的基本概念包括采用換能器元件將高頻電能轉(zhuǎn)換成超聲波頻率的機械振動。典型地，這樣的系統(tǒng)包括一個產(chǎn)生電信號的驅(qū)動電路，該電信號用來激勵一個壓電的(或磁致伸縮的)換能器組件。 一個發(fā)送元件諸如探測器連接到換能器組件，用于向目標(biāo)傳送機械能。
超聲波換能器包括工業(yè)的和醫(yī)學(xué)的共振器。工業(yè)的共振器傳送高能量密度以充分地影響它們接觸的材料。工業(yè)的共振器的普通應(yīng)用包括塑料和不含鐵的金屬的焊接，清洗，堅硬材料的研磨加工，切割，化學(xué)反應(yīng)(聲化學(xué))的促進，流體處理，去沫，和霧化。盡管頻率的范圍可以低至
10kHz高至100+kHz，而對于這樣的應(yīng)用通常的頻率在15kHz到40kHz之
間。醫(yī)學(xué)的共振器包括用于切割，分解，燒灼，刮削，空化，牙齒除銹等的設(shè)備。
一個用于工業(yè)的超聲波應(yīng)用的換能器組件可以稱為一個工業(yè)超聲波組，并可以包括一個探測器(或超聲焊極，或一個觸角)， 一個升壓器，和一個換能器(或一個變換器)。探測器接觸負(fù)載并傳送功率給負(fù)載。探測器的形狀依靠負(fù)載的形狀和需要的收益而定。典型地，探測器由鈦，鋁和鋼制成。升壓器調(diào)節(jié)來自換能器的振動輸出并傳送超聲波能量給探測器。升壓器通常也提供一種將超聲波組安裝到支撐結(jié)構(gòu)的方法。盡管也采用磁致伸縮材料，但是有源元件通常是壓電陶瓷。
對于為了一個特定的工藝，而在一個期望的頻率和功率水平驅(qū)動一個系統(tǒng)來說，驅(qū)動超聲波探測器的現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)發(fā)展完善。該公知的技術(shù)利用了一個基于一個可控硅整流器(SCR)的電力系統(tǒng)。典型地，SCR需要一個具有特殊的電容值的強制關(guān)斷系統(tǒng)來控制和關(guān)斷依次限制電力系統(tǒng)的
運行頻率的SCR。 SCR系統(tǒng)也被限制在相當(dāng)?shù)偷墓β仕?，這樣不允許在
較高功率水平有效控制超聲波探測器。這里所使用的高功率水平指的是至
少500瓦的功率水平。例如，基于SCR的超聲波發(fā)生器驅(qū)動超聲波探測器，其中該發(fā)生器為特定負(fù)載諸如熔化鋼而設(shè)計。然而，當(dāng)基于SCR的超聲波發(fā)生器用于一種諸如液態(tài)碳?xì)浠衔锾幚淼墓に?，其中在該工藝中，附帶的超聲波探測器面對不斷變化的負(fù)載條件時，該基于SCR的超聲波發(fā)生器會限制在不同流體中的探測器的有效性。這個受限的有效性是因為超聲波探測器受到了不同流體的載荷影響。另外，即使對于一個給定的流體，密度和狀態(tài)改變的影響也能夠改變超聲波探測器上的載荷。
因此，需要一個高功率和可變負(fù)載的驅(qū)動電路，用于可避免基于SCR的超聲波發(fā)生器的缺點的超聲波發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在上至20kHz的運行頻率和上至60kW的功率水平下
用于驅(qū)動一個可變負(fù)載的動態(tài)的超聲波探測器系統(tǒng)的超聲波發(fā)生器。該系統(tǒng)采用一個全橋隔離柵雙極晶體管(IGBT)系統(tǒng)在不同和可調(diào)的電壓，頻率
和電流水平下，在共振頻率處驅(qū)動超聲波探測器。當(dāng)一個超聲波探測器經(jīng)歷不同的負(fù)載時，功率需求改變。例如，在各種碳?xì)浠衔锏奶幚?例如，去硫)技術(shù)中，其中如申請人獲得專利權(quán)的技術(shù)，當(dāng)處理不同的流體(例如，諸如不同類型的原油，柴油等)時，超聲波換能器經(jīng)歷了許多不同和變動的負(fù)載。申請人獲得的各種己被授予專利權(quán)的碳?xì)浠衔锏奶幚砑夹g(shù)披露在USP6,827,844; 6，500,219禾B 6,402,939中，它們的公開文本以引用的方式并入此文。通過采用依照本發(fā)明實施例的一種系統(tǒng)，如基于全橋IGBT的系統(tǒng)，可以控制需要的變量如頻率，電壓和電流來有效地管理用于變動負(fù)載的超聲波探測器的性能。典型地變動負(fù)載包括不同的可壓縮和不可壓縮的碳?xì)浠衔锪黧w。
在一個方面，本發(fā)明的實施例涉及一個用于傳送高功率超聲波能量給變動負(fù)載的高功率(例如，>500W)的超聲波發(fā)生器。在一個實施例中，超聲波發(fā)生器包括一個可變頻率的三角波發(fā)生器，其耦合到一個脈沖寬度
5調(diào)節(jié)器。該脈沖寬度調(diào)節(jié)器的輸出端耦合到IGBT的柵極，其放大信號并把該信號傳送給一個用于驅(qū)動磁致伸縮換能器的線圈。在一個實施例中，傳
送信號后，0-600VDC的高電壓傳送給IGBT的集電極和發(fā)射極。于是，IGBT的輸出是具有+A600V的電壓的方波。這個電壓被送到纏繞在超聲波換能器上的一個線圈上。該電壓在換能器上建立了一個磁場，而作為該磁場的一個結(jié)果，換能器的磁致伸縮屬性促使換能器振動。IGBT作為放大設(shè)備使用避免了需要SCR電路，其中該SCR電路典型地使用在低功率超聲波換能器中，并且其會在這樣一個高功率和變動負(fù)載的應(yīng)用中變得過熱并失效。
為了更進一步地了解本發(fā)明的特性和優(yōu)點，將結(jié)合附圖參考下面的描述。


圖1是顯示依照本發(fā)明一個實施例的具有并聯(lián)共振磁致伸縮換能器的全橋IGBT電路模型的簡化電路圖。
圖2顯示了兩個脈沖序列，其相互反向并且相位相差180度，以驅(qū)動圖1的磁致伸縮超聲波換能器的擴展和收縮。
圖3是一個有橢圓形窗口的磁致伸縮換能器的一個側(cè)視圖的簡化圖。
圖4是實現(xiàn)圖1的全橋IGBT驅(qū)動電路的系統(tǒng)的簡化電路圖，其中，依照本發(fā)明的一個實施例， 一個微處理器輸出一個與壓控振蕩器(VCO)的運行頻率相應(yīng)的電壓。
圖5是圖4的功率驅(qū)動電路產(chǎn)生的示例的輸出功率波形的曲線圖。
具體實施例方式
早于本發(fā)明的超聲波發(fā)生器，現(xiàn)有技術(shù)的超聲波發(fā)生器依靠的是可控硅整流器(SCR)技術(shù)。在這些發(fā)生器中，通過一個超聲波探測器的SCR脈沖電流的頻率大概是17.5kHz。在這樣快速的開關(guān)頻率下，SCR很容易變得過熱和失效。為了解決過熱的問題，SCR需要一個強制的關(guān)斷系統(tǒng)，在電力電子領(lǐng)域公知為"強制換向"。這就意味著當(dāng)一個信號傳送給系統(tǒng)來導(dǎo)通SCR時，當(dāng)該信號被關(guān)斷之后其仍然保持一段特定的時間。通過強制換向也可能使SCR關(guān)斷地更快。這樣的強制換向用于比17.5kHz更快的開
6關(guān)頻率。通常由于這樣的處理，SCR被削弱和失效。SCR系統(tǒng)的另一個問
題是需要一個特定的電容器配置以使強制換向發(fā)生。這些附加的電容器的結(jié)果是功率的嚴(yán)重?fù)p耗。于此，發(fā)明人改進的超聲波發(fā)生器需要一個很小
數(shù)量的電容，因此，比普通的基于SCR的系統(tǒng)更加可靠。例如，在此發(fā)明人比較了新穎的基于IGBT的發(fā)生器和使用現(xiàn)有SCR技術(shù)的發(fā)生器，指出雖然用于超聲波探測器的基于SCR的系統(tǒng)需要大約3800瓦的總輸入，而根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲波發(fā)生器通過超聲波探測器僅用了 2800瓦就產(chǎn)生了更好結(jié)果。除了比普通的使用的SCR的系統(tǒng)更有效外，發(fā)生器中的元件，也就是IGBT，比SCR更低廉且更易于獲得。
根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波發(fā)生器使用的是IGBT而不是SCR。 IGBT作為一個放大器來放大發(fā)送至IGBT柵極的脈沖信號。發(fā)送至IGBT柵極的脈沖是由一個可變脈沖寬度發(fā)生器建立的。在一個實施例中，這個脈沖寬度發(fā)生器采用一個可變頻率的三角波發(fā)生器，該三角波發(fā)生器的信號被發(fā)送到一個具有可變參考電壓的比較電路。結(jié)果是通過調(diào)節(jié)比較電路中的參考電壓，改變脈沖寬度。該發(fā)生器的這部分(例如，可變脈沖寬度發(fā)生器)有時和IGBT —起使用來控制交流馬達(dá)?？勺冾l率/脈沖寬度信號被發(fā)送至IGBT的柵極以被放大。該信號被傳送之后可變電壓(例如，在0-600VDC的范圍內(nèi))被傳送至IGBT的集電極和發(fā)射極。因而，IGBT的輸出是一個具有+/—600￥電壓的方波波形。這個電壓被發(fā)送至一個纏繞在超聲波換能器上的線圈上。該電壓在換能器上產(chǎn)生一個磁場，而作為該磁場的一個結(jié)果，換能器的磁致伸縮屬性促使換能器振動。
依照本發(fā)明實施例的用于超聲波換能器的功率驅(qū)動電路代表了現(xiàn)有的用于超聲波換能器的驅(qū)動電路的一個創(chuàng)新。在這個電路中，功率元件包括在一個全橋功率結(jié)構(gòu)中匹配的IGBT。這里使用的全橋包括兩個半橋推挽式
放大器。每一個半橋由一個不對稱矩形脈沖序列驅(qū)動。驅(qū)動全橋的兩個脈沖序列的相位相差180度，并彼此反向。驅(qū)動每一個半橋部分的脈沖的對稱性(例如，正脈沖和負(fù)脈沖分量的百分比)可以構(gòu)造用于任何預(yù)期的超聲波輸出功率。
下面更進一步地詳細(xì)描述依據(jù)本發(fā)明的實施例的基于IGBT的驅(qū)動電路。IGBT電路包括以下主要元件，即 一個直流電源； 一個IGBT; —個柵極驅(qū)動電路；和一個閉環(huán)電流感測電路。下面對這些元件中的每一個進
行更進一步地詳細(xì)描述。
直流電源
這里使用的直流電源可以是將標(biāo)準(zhǔn)的(如，60Hz)的交流電壓整流和過濾成一個直流電壓的任何電源。通常，這個功率轉(zhuǎn)換通過使用半導(dǎo)體開關(guān)元件或其它此類元件增加行頻來完成的。隨后，使用一個電容器箱和/或一個直流扼流圈來整流和過濾高頻交流以除去交流波紋。直流電源需要足夠的功率來運行超聲波探測器可能碰到的最大負(fù)載。典型地，上至0-600V的直流電壓適于50A的額定電流從而給出30kW的最大功率。然而考慮到IGBT的最大電壓等級典型地是1200V，可以使用更大的系統(tǒng)產(chǎn)生上至1200V的電壓。
理想地，直流電源通過一個大容量的極性電容器箱連接到IGBT以減小由于非常高的運行頻率和高電壓引起的開關(guān)尖峰。直流電容器設(shè)定為足以處理系統(tǒng)中的最大電壓和可能出現(xiàn)的任意電壓尖峰。
直流電源優(yōu)選地具有一個可變電壓控制裝置，以允許在不同負(fù)載條件期間調(diào)節(jié)電壓。如果需要的話，電壓調(diào)節(jié)也允許有機會在較低功率水平下運行超聲波換能器。在一個實施例中，電壓調(diào)節(jié)可以是一個具有手動接口的簡單的分壓器設(shè)計。作為選擇，電壓調(diào)節(jié)可以通過一個用于傳感器電路的模擬電壓或電流來完成，也可以通過一個數(shù)字程序接口來完成。同樣，對于電源優(yōu)選地具有一個最大限流控制裝置，其能避免系統(tǒng)過載。
隔離柵雙極晶體管
IGBT用于把一個直流電壓轉(zhuǎn)換成一個脈沖調(diào)制的雙極矩形波形。IGBT最常用于可變頻率驅(qū)動中的馬達(dá)控制。IGBT的運行與大多數(shù)的其它晶體管相似，其中一個母線電壓施加在集電極和發(fā)射極，而一個信號加在它的柵極。于是，直流母線在施加的母線電壓和頻率以及柵極信號的占空因數(shù)處被脈沖調(diào)制。
諸如在申請人的技術(shù)中現(xiàn)有的且和磁致伸縮換能器一起使用的IGBT，能根據(jù)換能器上的負(fù)載確定尺寸。在IGBT開關(guān)期間，因為磁致伸縮的負(fù)載是高電感的，因此存在大的電流尖峰。這樣，為了這些電流尖峰，采用的
IGBT通常是顯著高過額定值。例如， 一個典型的磁致伸縮換能器可能需要9-10安培的RMS。然而，開關(guān)時僅僅1-2微秒電流尖峰可能高達(dá)300安培。因此，用于此種類型運行的合適的IGBT應(yīng)該具有300A的額定電流和600A的額定峰值電流。IGBT柵極驅(qū)動電路
IGBT成功運行的一個重要方面是它的柵極的合適的驅(qū)動。馬達(dá)控制中使用的用于控制IGBT的柵極的常用方法是不足以用來運行用在磁致伸縮超聲波探測器中的IGBT的。通常， 一個馬達(dá)控制柵極驅(qū)動電路試圖模擬一個類似于墻上插座中標(biāo)準(zhǔn)的50/60Hz的交流的交變電流。因此，在很高頻率時IGBT被脈沖調(diào)制具有一個變動的占空因數(shù)。在低的占空因數(shù)處(例如，10%)時，有一個小的電流，而隨著占空因數(shù)的增大電流也增大。當(dāng)驅(qū)動一個用于和超聲波探測器一起使用的IGBT時，為了成功的運行，要存在一個直流偏壓。通過改變?nèi)鐖D2所示的不同的IGBT的柵極的占空因數(shù)，可以直接地控制全橋系統(tǒng)中的直流偏壓的值。直流偏壓的值將隨著脈沖序列A的更高的占空因數(shù)而增大，并相應(yīng)地依次會降低脈沖序列B的占空因數(shù)，從而這兩個不同的脈沖不會在同一時間都高。
為了產(chǎn)生這種類型的柵極驅(qū)動，采用了一個波形發(fā)生器。這個波形發(fā)生器可以是能改變產(chǎn)生的波形的頻率和/或占空因數(shù)的任意標(biāo)準(zhǔn)的波形發(fā)生器。在柵極驅(qū)動電路的一個實施例中，采用了一個三角波發(fā)生器。例如，由一個8038三角波發(fā)生器產(chǎn)生一個三角波形。S038芯片允許同相位和正交IGBT控制波形的脈沖寬度控制，其會對全橋IGBT電路的功率管理產(chǎn)生影響。在一個實施例中，驅(qū)動電路采用具有可變頻率控制裝置以及可變脈沖寬度控制裝置的該電路。三角波被發(fā)送到兩個LF353比較器，其將一個預(yù)置電壓與正三角波和負(fù)三角波比較以產(chǎn)生用于全橋IGBT電路的發(fā)生器的同相位和正交的控制波形。產(chǎn)生用于全橋IGBT電路的正交控制波形，使得當(dāng)正三角波大于預(yù)置電壓時，產(chǎn)生一個脈沖寬度可控的矩形波，當(dāng)負(fù)三角波小于預(yù)置電壓時，產(chǎn)生一個正交控制矩形波。在一個備選實施例中，功率驅(qū)動電路采用Global Specialties 2MHz波形發(fā)生器。這個波形發(fā)生器也可以
9采用具有正負(fù)比較器的基本的S038三角波發(fā)生器。
圖1是一個顯示依照本發(fā)明的一個實施例具有并聯(lián)共振的磁致伸縮換
能器的全橋IGBT電路模型的簡化電路圖。如圖l所示，Ql， Q2， Q3， Q4是4個IGBT，它們組成了圖示的全橋電路。Dl， D2， D3， D4是四個保護二極管，它們防止有破壞性的反向電流通過IGBT。 Ll和L2是由全橋電路驅(qū)動的磁致伸縮換能器的繞組的電感。在圖1的全橋電路圖中僅僅顯示了一個繞組。Cl是一個并聯(lián)電容，它允許磁致伸縮共振運行。然而，實際上，因為小的器件的寄生電容允許磁致伸縮換能器在15KHz到20KHz的共振范圍內(nèi)運行，這個電容器可以省去。
運行時，全橋電路由如圖2所示的柵極驅(qū)動脈沖序列A和B驅(qū)動。第一脈沖序列(序列A)施加在IGBT Ql和Q4的柵極而第二脈沖序列(序列B)施加在IGBT Q2和Q3的柵極。
如圖2所示，這兩個脈沖序列是相互反向的且相位相差180度，以驅(qū)動磁致伸縮超聲波換能器的擴展和收縮。這些信號通過光耦合器柵極驅(qū)動器與IGBT柵極光隔離。當(dāng)集電極到發(fā)射極的電壓太高時，其它IGBT驅(qū)動器保護電路限制柵極電壓并中斷該信號。柵極驅(qū)動電路還包括一個提供幾個安培驅(qū)動電流的緩沖放大器。
圖3是一個有橢圓形窗口的磁致伸縮換能器的一個側(cè)視圖的簡化圖。圖3所示的是驅(qū)動超聲波磁致伸縮換能器的兩個繞組。這些繞組在運行的最佳頻率處由IGBT電源并聯(lián)驅(qū)動。全橋的第一個輸出端連接到Ql和Q3上的每個半橋的中間抽頭上。全橋的第二個輸出端連接到半橋Q2和Q4的中間抽頭的輸出端。對于這種功率脈沖結(jié)構(gòu)，通過磁致伸縮環(huán)行圓圈的磁通量是同相位的。對于圖3所示的結(jié)構(gòu)，兩個繞組是反指向的。
在運行時，圖1-3的電路能提供一個驅(qū)動超聲波換能器的新方法。驅(qū)動超聲波換能器的全橋法如圖1， 2禾B3所示。全橋IGBT系統(tǒng)的兩個半橋電路各自驅(qū)動換能器磁致伸縮材料到一個收縮狀態(tài)(負(fù)脈沖)和擴展?fàn)顟B(tài)
(正脈沖)。設(shè)計的全橋中的沒有顯示在圖1中的其它安全元件是輸入端緩沖電容器，其通過直流電源輸入端連接到圖1所示的兩個半橋IGBT電路中。在圖1的電路中，IGBT是為15KHz到20KHz的低頻區(qū)域選擇的固態(tài)器件?？蛇x擇地是，在200KHz到300KHz的區(qū)域內(nèi)，對于超聲波化學(xué)處理來說，可以采用Mosfet器件。
因為IGBT依靠矩形功率脈沖，電感器中的快速電流變化產(chǎn)生會引起電壓尖峰的L*dI/dT。高電壓尖峰的問題需要IGBT在共振換能器電路中具有高于平均運行電壓的高電壓容量。雖然全橋并聯(lián)共振驅(qū)動器與SCR驅(qū)動超聲波換能器相比具有更大的功率效率，但是它會產(chǎn)生尖峰，而基于SCR的系統(tǒng)不會產(chǎn)生電壓尖峰。這是因為SCR僅在正的狀態(tài)被有源觸發(fā)而在換向模式關(guān)斷，其中換能器在換向模式共振。
圖4是實現(xiàn)圖1的全橋IGBT驅(qū)動電路的一個系統(tǒng)的簡化電路圖，其中，依照本發(fā)明的一個實施例， 一個微處理器輸出一個與壓控振蕩器(VCO)的運行頻率相應(yīng)的電壓。微處理器掃描運行頻率的范圍并通過連接到直流功率發(fā)生器的串行端口以安培的形式記錄到達(dá)超聲波換能器的相應(yīng)的RMS電流。每一步掃描完頻率的范圍(例如，從16KHz至lj 18KHz)和記錄完功率電流后，微處理器選擇與最大功率相應(yīng)的電壓并鎖定該運行頻率值。在分批處理反應(yīng)器中該優(yōu)化進程發(fā)生在每一個分批循環(huán)的初期。運行頻率設(shè)定后，通過增大或減小脈沖序列的占空因數(shù)，會將峰值共振電壓設(shè)在低于IGBT擊穿電壓的一點。
運行時，圖4的電路給出了一種控制超聲波磁致伸縮換能器的運行頻率的新方法，以適應(yīng)磁致伸縮材料性能的改變，和適應(yīng)超聲波電抗器中溫度的改變。這個控制方案采用了一個具有D/A和A/D性能的微處理器。在另一個實施例中，采用一個可編程邏輯控制器(PLC)代替微處理器。微處理器或控制器對最大電壓，或峰值包絡(luò)，電壓進行采樣(通過A/D端口)。微處理器采用峰值包絡(luò)電壓來控制平均驅(qū)動功率脈沖寬度。為了使電壓尖峰不超過IGBT的限制的擊穿電壓，限制圖2中的正脈沖序列和負(fù)脈沖序列的接通時間。為了設(shè)置共振換能器的頻率，通過直流功率發(fā)生器的串行端口，由微處理器或PLC的串行端口讀取平均直流輸入電流。在一個實施例中，當(dāng)掃描運行頻率時，讀取偏轉(zhuǎn)換能器或無源磁致伸縮元件的最大RMS電流以優(yōu)化超聲波振動頻率。優(yōu)選地，微處理器或控制器通過增加壓控振蕩器的輸出電壓(通過d/a端口)掃描從16KHz到18KHz的運行頻率的范圍。在每一個掃描頻率，通過串行端口以安培的形式傳感并記錄下RMS電流。設(shè)置完運行頻率后，增大或減小脈沖寬度以使共振電壓不超過
IGBT的擊穿電壓。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的功率驅(qū)動電路產(chǎn)生的示例的輸出功率波形的曲線圖500。方波502表示從0到400伏，其是從微處理器控制的直流電壓源引出的。通過全橋功率電路的每一側(cè)引出+200和一200伏。較低的波形504顯示的是總的有功和無功電流波形。電流波形的無功分量可由等式V二l^di/dt得出，其中L是纏繞在環(huán)形磁致伸縮的磁體上的雙線圈的電感。引出的總的RMS電流是20安培。這個電流可提供大約4K瓦的總的有功功率。該波形顯示了 0到60安培的電流。無功電流引起無功功率，其通常用于保持磁致伸縮的層壓鐵芯和換能器基部以及外套尖端的振動。渦流損耗引起鐵芯中的損耗。對于由500個千分之4英寸厚的疊片組成的2英寸厚的鐵芯，總損耗大約是300瓦，其是以熱的形式損耗掉的。換能器的基部和外套的尖端所需的實際損耗用于克服基部和外套的尖端的重力和機械損耗，以及熱損耗。
在一個實施例中，壓控振蕩器是基于一個8038芯片的，其產(chǎn)生一個具有正的和負(fù)的矩形分量的全周期方波。將全周期波通入采用兩個快速LF353芯片實現(xiàn)的正的和負(fù)的帶電運算放大器，壓控振蕩器的輸出被分為如圖2所示的兩個正的和負(fù)的脈沖序列。反向和非反向放大器將峰值正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓升高到4個IGBT需要的15伏?？蛇x擇地是，易于通過RS232端口由計算機控制的商業(yè)的波形發(fā)生器能夠代替VCO用在功率優(yōu)化方案中。
在一個備選實施例中，沒有采用VCO。 一個霍爾效應(yīng)傳感器代替VCO來探測正的和負(fù)的過零點電流的交點。在正電流的交點， 一個正脈沖送到圖1禾口 4中的Ql和Q4的基極，在負(fù)的過零點電流的交點， 一個負(fù)脈沖送至廿IGBTQ2禾卩Q3白勺基極。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明本質(zhì)特征的情況下，可以預(yù)見依照本發(fā)明實施例的用于驅(qū)動一個高功率和可變負(fù)載的超聲波換能器的其它等同的或替代的方法和電路。例如，IGBT的柵極可以由如上描述的任意合適的波形發(fā)生裝置或系統(tǒng)產(chǎn)生的一個脈沖序列驅(qū)動。因此，前面 的披露意在示例，而不是限制本發(fā)明的范圍，在后面的權(quán)利要求書中闡述 本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于傳送高功率超聲波能量到變動負(fù)載的超聲波發(fā)生器，包括可變頻率的波形發(fā)生器；耦合到所述波形發(fā)生器的脈沖寬度調(diào)節(jié)器，用于提供輸出信號；隔離柵雙極晶體管IGBT，具有耦合到所述脈沖寬度調(diào)節(jié)器的輸出端的柵極；耦合到所述IGBT的集電極和發(fā)射極的電壓源；所述IGBT用于放大來自所述脈沖寬度調(diào)節(jié)器的輸出信號以產(chǎn)生放大信號；和具有用于接收所述放大信號的線圈的磁致伸縮換能器，以便傳送高功率超聲波能量給所述變動負(fù)載。
2. 如權(quán)利要求1所述的超聲波發(fā)生器，其特征在于，所述可變頻率的波形發(fā)生器傳送三角波形。
3. 如權(quán)利要求1所述的超聲波發(fā)生器，其特征在于，所述IGBT是全橋功率結(jié)構(gòu)中的匹配的兩個半橋IGBT的一半的一部分。
4. 如權(quán)利要求3所述的超聲波發(fā)生器，其特征在于，所述匹配的IGBT的每一半的每一個柵極用于接收脈沖序列信號，并且其中兩個脈沖序列信號的相位相差180度并彼此反向。
5. 如權(quán)利要求1所述的超聲波發(fā)生器，其特征在于，所述電壓源是可變電壓調(diào)節(jié)直流電源。
6. 如權(quán)利要求1所述的超聲波發(fā)生器，進一步包括微處理器，用于掃描運行頻率范圍和通過它連接到所述電壓源的串行端口以安培的形式記錄到換能器的相應(yīng)的RMS電流；禾口連接到所述微處理器的壓控振蕩器，其中所述微處理器輸出與所述壓控振蕩器的運行頻率相應(yīng)的電壓，其中，每一步掃描頻率范圍和記錄功率電流后，所述微處理器選擇與最大功率相應(yīng)的電壓并為所述換能器鎖定運行頻率值。
7. —種用于傳送高功率超聲波能量給作用于變動負(fù)載的超聲波換能器的超聲波換能器驅(qū)動電路，包括可變頻率的波形發(fā)生器；隔離柵雙極晶體管IGBT，具有耦合到所述波形發(fā)生器的輸出端的柵極，耦合到所述IGBT的集電極和發(fā)射極的電壓源；所述IGBT用于放大來自所述脈沖寬度調(diào)節(jié)器的輸出信號以產(chǎn)生放大信號；和用于磁致伸縮換能器的線圈，用于接收所述放大信號，以便傳送高功率超聲波能量給所述變動負(fù)載。
8. 如權(quán)利要求7所述的驅(qū)動電路，其特征在于，所述IGBT是全橋功率結(jié)構(gòu)中的匹配的兩個半橋IGBT的一半的一部分。
9. 如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動電路，其中所述匹配的IGBT的每一半的每一個柵極用于接收脈沖序列信號，并且其中兩個脈沖序列信號的相位相差180度并彼此反向。
10. 如權(quán)利要求7所述的驅(qū)動電路，其特征在于，所述電壓源是可變電壓調(diào)節(jié)直流電源。
11. 如權(quán)利要求7所述的驅(qū)動電路，進一步包括微處理器，用于掃描運行頻率范圍和通過它連接到所述電源的串行端口以安培的形式記錄到換能器的相應(yīng)的RMS電流；和連接到所述微處理器的壓控振蕩器，其中所述微處理器輸出與所述壓控振蕩器的運行頻率相應(yīng)的電壓，其中，每一步掃描頻率的范圍和記錄功率電流后，所述微處理器選擇與最大功率相應(yīng)的電壓并為所述換能器鎖定運行頻率值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個高功率(例如，＞500W)的超聲波發(fā)生器，其特別適用于傳送高功率超聲波能量給包括可壓縮的流體的一個變動負(fù)載。發(fā)生器包括一個耦合到脈沖寬度調(diào)節(jié)器的可變頻率的三角波發(fā)生器。脈沖寬度調(diào)節(jié)器的輸出端耦合到一個隔離柵雙極晶體管(IGBT)的柵極，其放大信號并將該信號傳送給一個用來驅(qū)動一個磁致伸縮換能器的線圈。在一個實施例中，信號傳送后，0-600VDC的高電壓加在IGBT的集電極和發(fā)射極。IGBT的輸出是一個具有+/-600V電壓的方波。該電壓被送到纏繞在超聲波換能器的一個線圈上。該電壓在換能器上建立一個磁場，作為磁場的一個結(jié)果，換能器的磁致伸縮特性促使換能器振動。IGBT作為放大裝置的使用避免了可控硅整流器(SCR)電路的需要，其中可控硅整流器電路典型地用在低功率超聲波換能器中，并且其會在這樣一個高功率和變動負(fù)載的應(yīng)用中變得過熱并失效。
文檔編號H01L41/06GK101548402SQ200680006259
公開日2009年9月30日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者C·I·理查曼, J·梅, R·W·格納曼 申請人:塞爾富可股份有限公司