（通信与信息系统专业论文）超声水处理功率放大技术研究.pdf

摘要 论文研制了一台用于水处理的驱动超声换能器的功率放大器，实现了对最大 幅值1 5 v 左右频率为1 8 k h z 3 0 k h z 正弦波的功率放大，输出电压可调最大幅值为 2 1 0 v ，输出最大功率为3 0 0 w 。 论文分析了适合于开关功率放大器的控制方案。文章以单相全桥电路为拓扑 主回路，对单极性和双极性正弦脉宽调制( s p w m ) 波形进行了分析比较，找出了调 制深度和载波比与调制极性、谐波成分和基波电压的关系。为了提高等效开关频 率，改善输出波形质量，选择单极性调制方式。 论文分析了超声换能器电声频率特性及单级l c 滤波器和两级l c 滤波器的特 点，结合换能器匹配和频率跟踪选择了两级l c 滤波器对开关功率放大器输出波形 进行滤波。 控制电路要求简单、可靠、容易实现灵活控制。论文选择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 这种 具有强大的运算能力和丰富内部资源的专用数字电机控制的d s p 作为控制核心芯 片，通过t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内置的1 2 位a d 转换器采用规则采样法生成s p w m 波形，实现 对功率开关管的数字控制。 经过仿真实验和实际装置实验的结果对比，验证了本论文所述方案的正确性 和可行性。 关键词：开关功率放大器s p 删规则采样t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 超声换能器 a b s t r a c t t h ep a p e rh a sd e v e l o p e do n ep o w e ra m p l i f i e rb e i n gu s e df o rt h ew a t e r t r e a t m e n td r i v eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r ， i th a sr e a l i z e dt h ep o w e r a m p l i f i c a t i o nb e i n gf r e q u e n c yf r o m1 8 k h zt o3 0 k h zs i n ew a v e sa n dt h e m a x i m u m a m p l i t u d ea b o u t1 5 v ， m a x i m a la d j u s t a b l e o u t p u tv o l t a g e a m p l i t u d ei s2 1 0 v ，t h em a x i m u mp o w e ro u t p u ti s3 0 0 w i nt h ef i r s tp l a c e ，p a p e ra n a l y s e st h ec o n t r o ls c h e m ef o r t h e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r t h ep a p e r h a st a k e ns i n g l e - p h a s eb r i d g e i n v e r t e rc i r c u i ta st h et o p o l o g ym i a nc i r c u i t ，a n dw a v ef o r mh a sc a r r i e d o u ta n a l y t i c a lc o m p a r i s o no nu n i p o l i ra n db i p o l a rs i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s p w m ) ，i th a v ef o u n do u tt h er e l a t i o nm o d u l a t i n gd e p t ha n d t h ec a r r i e r f r e q u e n c yt h a nw i t hc o m p o n e n th a r m o n i c sa n dv o l t a g e m o d u l a t i n g t h ep o l a r i t y f o ri m p r o v i n ge q u i v a l e n ts w i t c hf r e q u e n c y ， i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fe x p o r t i n gw a v ef o r m ，i th a sc h o s e nu n i p o l a r m o d u l a t ew a y t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r t h er e l a t i o n s h i po fe l e c t r i c sr e s i s t o ra n du l t r a s o n i cf r e q u e n c ya n d s i n g l es t a g el cf i l t e ra n dt w os t a g el cf i l t e r ，i th a st r a c k e dt h ep o w e r a m p l i f i c a t i o nh a v i n gc h o s e nt h et w o s t a g el cw a v ef i l t e rt ot h es w i t c h c o m b i n i n gw i t hc h a n g e rm a t c h i n ga n df r e q u e n c y t h ec o n t r o lc i r c u i ti sr e q u i r e dt ob es i m p l e ，r o b u s ta n de a s i l y c o n t r o l l e d t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，w h i c hi st h e c o n t r o lc o r eo ft h ee l e c t r i cp o w e rh a r m o n i c ss i m u l a t o rr i gw i t hp o w e r f u l o p e r a t i n ga b i l i t ya n da b u n d a n ti n t e r i o rr e s o u r c e s b yt h ef a c tt h a tf 2 8 1 2 b u i l t i n1 2b i tt h ed c “t o 。a ci n v e r t e ra d o p tr e g u l a rs a m p l eg e n e r a t e ss p w m w a v ef o r m ，i tr e a l i z et ot h ed i g i t a lc o n t r o lo f s w i t c h i n gp o w e r t r a n s i s t o r b ya n a l y z i n gt h er e s u l t sg a i n e db ye m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dt h ea c t u a l d e v i c ee x p e r i m e n t ，t h ed e s i g ns c h e m ei sp r o v e nt ob ev a l i da n df e a s i b l e k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r ；s p w m ：r e g u l a rs a m p l e ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r 一 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：链；应堑岬年；月矽日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图 书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位 论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内 的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布 f 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：谴豳柚夕年；月矽日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水处理功率超声技术的现状与展望 超声技术出现于2 0 世纪初，近一个世纪的发展表明，超声是声学发展中最 活跃的一部分，她已渗透到国防建设、国民经济、人民生活及科学技术等各个领 域。功率超声是当今超声技术的一大重要分支。大功率超声处理是通过超声能量 对物质的作用来改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术 l 2 1 。， 功率超声是以物理、电子、机械振动、材料等学科为基础的现代高新技术之 一，它是以能量使物体或物性变化的功率应用，在国民经济中它对提高产品质量， 降低生产成本、提高生产效率、防止环境污染等具有特殊潜在的能力。与其他处 理技术比较，常常能大幅度地提高处理速度，提高处理质量和完成一般技术所不 能完成的处理工作，因此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得 到越来越广泛的应用。近1 0 年来，随着微电子技术发展，新型材料的日新月异使 大功率超声的产生、基本效应的研究和技术应用取得了较大的进展。据国外报导 知，功率超声产生的社会与经济效益增长速度相当惊人1 3 - 8 1 。功率超声处理技术和 应用主要有：超声清洗，超声焊接，超声加工，超声搪锡，超声乳化、粉碎、分 散、雾化、提取和除气，超声金属成形，超声疲劳试验，超声加速干燥、过滤， 超声处理种子，超声治疗和外科术等等。近年来还发展了超声电机、声化学及超 声悬浮技术，而后者已成为一种太空实验技术。 超声波是一种高频机械波，具有波长较短，能量集中的特点，频率在1 8 k h z 以上的超声波辐照溶液会引起许多的化学变化称为超声空化效应。9 0 年代初开 始利用超声空化效应来处理水体中的有机污染物，尤其是难降解的有机污染物， 效果显著，是近年来发展的一项新型水处理技术。它集高级氧化、热解、超临界 氧化等技术于一体，且操作简单方便，降解速度快、可单独使用或与其他水处理 技术联合使用，是一种极具潜力的水处理技术，具有良好的应用前景【9 以6 】。 1 2 超声参数对水处理的影响 1 2 1 超声波频率 研究表明，提高超声频率有助于提高超声降解速度，这是由于o h 自由基的 产率随声源频率的增加而增加。频率继续增高，空化过程会变得难以发生。许多 学者曾对此做过研究与解释。频率增高，则声波膨胀相时间变短，空化核来不及 增长到可产生效应的空化泡，即使空化泡形成、声波的压缩相时间亦短，空化泡 可能来不及发生崩溃，因此，频率增高将使空化效应变弱。另外，频率的选择与 超声水处理功率放大技术研究 被降解有机物的结构、性质以及降解历程有关，并不是在所有情况下高频超声波 都是有利于降解的。因此，工业上应用的功率超声的频率一般均低于6 0 k h z t l 7 1 。 1 2 2 超声功率强度 超声功率强度一般以单位辐照面积上的功率来衡量，有时也采用单位体积液 体消耗的功率来表示，一般声强强度从零点几w c m 2 到几百w c m 2 。超声降解反 应的速率一般总是随功率强度的增大而增加【1 8 】，但是不能无限制地提高声强，因 为最大的空化泡半径。与使用的声压幅值p a 有如式( 1 1 ) 的关系( p 为媒质密度， p h 流体静压力，a 为超声角频率) ： 。击c ，蜃 式( 1 1 ) 随着p a 增加，空化泡在声波膨胀相内可能增长过大，以致它在声波的压缩 相内来不及发生崩溃，空化泡数量减少，从而降低了超声降解水中污染物的速度。 1 3 课题来源及意义 近年来，全球的环境问题日趋严峻，三废问题特别是工业废水大量直接和超 标排放给人类造成了巨大的经济损失，引起了世界各国政府的高度重视。工业废 水的处理已成为众多科学家和技术工作者工作的重点。工业废水传统的处理方法 有很多种。例如：利用水处理剂，微电解法，反渗透系统，微生物絮凝剂法，活 性炭吸附，臭氧氧化和超滤法等等。其中，对含有有机污染物的废水进行处理是 处理中的重要技术环节，运用传统的物理、生化或化学氧化法，处理周期普遍较 长，降解效率较低。近年来，随着声化学的兴起，功率超声作为废水处理的一种 新兴手段已经受到广泛的关注，其降解条件温和，降解速率快，可以单独或与其 他水处理技术联合使用，尤其是对工业废水中的有毒有害有机物降解效果非常显 著。但是，长期以来，相关的声化学研究只停留在实验阶段，由于其物理化学机 理复杂，处理成本相对较高，对于工业大规模应用还有一段距离。还需要国内外 工作者进行大量基础实验研究。 由于实验平台的缺乏，特别是大功率超声电源( 功率放大器是其重要组成部 分) 的缺乏给实验人员带来了巨大的不便，严重影响了超声水处理的研究进程。 为深入研究超声水处理的机理，找出处理中的最优化参数，降低处理成本，还需 要物理、化学、计算机、电子和通信等相关专业工作者紧密配合，充分利用各专 业已有的成果，争取早日实现超声水处理大规模的应用。 本课题正是针对国家自然科学基金资助项目( 超声水处理反应器的参数优化 及机理研究，项目批准号：1 0 5 7 4 0 3 8 ) 研制一台实验用驱动超声换能器的功率放 大器。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 l - 4 超声水处理实验对功放的要求 超声水处理实验就是利用功率超声换能器产生的超声波对废水中有机污染 物进行降解，其基本原理如图1 1 。匹配网络和参数测量仪器反馈信息给信号发 生器。信号发生器兼有信号产生与信号跟踪功能。开关功放的任务就是将信号发 生器产生的信号尽量不失真地放大到适合超声换能器的功率信号。 图1 1 超声水处理实验框图 本文超声水处理换能器对开关功放的要求如下： l 、输出功率：o 一, 3 0 0 w 连续可调 2 、频带宽度：1 8 k h z 3 0 k h z 3 、正弦波失真度要尽量小 1 5 本论文的结构及研究内容 本研究课题围绕功率放大器进行了多方面的研究，并就正弦脉冲调制技术进 行了全面的重点探讨，对其在不同调制方式下的波形进行了详细分析，对硬件系 统参数设计、软件系统设计作了深入的分析。最后对整个系统进行了调试，实验 结果证明本研究课题的理论正确性，达到了预期效果。 本论文共分七章，其具体研究内容如下： 第一章对水处理功率超声技术的发展作了回顾，提出了研究超声水处理功率 放大器的必要性，并对超声水处理实验对功率放大器的要求作了简单说明。 第二章首先就各类功率放大器进行了比较，然后在选择开关功率放大器的基 础上介绍了s p 咖的基本原理，对s p w m 不同极性调制下的波形进行了详细分析， 最后对s p 跏采样方式进行了比较。 第三章首先对逆变主回路结构进行了比较，然后对功率开关管和快速二极管 进行了选择，并对主电路进行了详细设计，最后对滤波器进行了设计和仿真。 第四章完成了逆变主电路的直流电源，辅助电源和n i s 3 2 0 f 2 8 1 2 电源电路的 设计。 第五章完成了控制硬件电路和系统软件设计。控制硬件电路主要是对输入信 号进行调理和对输出信号进行隔离和电平转换。软件系统分为两大部分，四个子 模块，即主程序和中断服务子程序两大部分，及初始化模块、数据采集模块、数 超声水处理功率放大技术研究 据处理模块和键盘显示模块四个子模块。这非常有利于编程和系统的调试。 第六章对整个系统进行了测试，测试结果验证了设计的正确性。 第七章为全文总结与展望。 河海大学硕士学位论文第二章开关功率放大原理与s p w 调制及波形分析 第二章开关功率放大原理与s p w m 调制及波形分析 2 1 功率放大器简介 功率放大器应用于各种需要大输出功率的电子线路中，其实质是一种能量转 换电路。按照功率管工作模式，功率放大器可分为线性工作方式和开关工作方式 两种。线性功率放大器t 悖l 按信号导通角的大小，可以分为a ，b ，c 三类。 a 类放大器导通角为1 8 0 0 ，偏置点位于线性放大区的中部。它的特点是非线 性失真小。由于存在较大的静态电流，管耗是一个恒定值，故集电极或漏极效率 低，其理论最大值为5 0 ，通常只有3 0 4 0 。 b 类放大器导通角为9 0 * ，偏置点位于线性放大区的底部。由于导通角仅有 1 8 0 0 ，相对于a 类功放，失真较大，但效率提高，其集电极效率的理论最大值为 7 8 5 ，实际应用中效率为5 0 左右。通常用它组成推挽类的放大器使用，如 果给b 类放大器加上少许偏置，使其工作点上移，则构成a b 类放大器，从而克 服交越失真。它的实际效率可达到6 0 7 0 ，失真度较b 类小。 c 类放大器导通角小于9 0 0 ，电路中一定包含有既起滤波作用又起阻抗匹配 作用的输出调谐回路，同时基极( 或栅极) 馈电( 偏置) 电路、集电极( 或漏极) 馈电( 偏置) 电路有特殊要求。它的效率比较高，但是使用频率范围有限制。主 要应用在高频( 窄带) 场合。 由a ，b ，c 类放大器的特性可知，影响放大器的效率的主要因素是无信号时 的直流损耗。工作于开关状态的d 类放大器即开关放大器【2 0 】，它的工作状态处 于开关方式，因此具有效率高的特点，理论上可达1 0 0 【2 l l ，典型值为8 5 9 5 。由于开关功放的效率很高，因此开关功率放大器的体积仅为相同功率的线 性放大器的3 0 左右，同时重量也大为减轻。对于追求高效大功率的场合，开 关功放无疑是最佳选择。 图2 1 开关功率放大器的原理图 2 2 开关功率放大器的放大原理 开关功率放大器将输入的模拟小信号或脉冲编码调制( p u l s ec o d e 5 - 超声水处理功率放大技术研究 m o d u l a t i o n ，p c m ) 的数字信息变换成脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 或脉冲密度调制( p u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n ，p d m ) 的脉冲信号，然后用p w m 或p d m 的脉冲信号去控制大功率开关器件通断，从而得到需要的大功率信号。开关功率 放大器也称为d 类功率放大器。图2 1 是开关功率放大器的原理图( 图中用的是p w m 方式) 。 图2 2 开关功率放大器的基本结构框图 如图2 2 为开关功放的基本结构框图。主要由脉冲产生电路、逆变主电路、 低通滤波器、直流电源和反馈控制等几部分组成。在本文中，逆变主电路采用单 相全桥电路形式和无源l c 低通滤波，在逆变控制电路中引入正弦脉冲宽度调制 ( s i n u s o i d a lp w m ，s p w m ) 技术，为了达到所需的直流电压等级，还做t d c - d c 变 换，在接下来的几章中将分别介绍。 2 3s p 嘶的基本原理 开关功率放大器主要有两种类型 2 2 1 。一种是脉冲频率固定，用输入信号去 调制脉冲宽度，这种方式称为脉冲宽度调$ 1 j p w m 2 3 2 4 1 。另一种是脉冲宽度固定， 用输入信号去调制脉冲频率，称为脉冲密度调$ | j p d m 2 5 l 。p d m 的实现相对比较困 难，在本文中使用了p w m 方式。 图2 3s p w m 法的工作原理 正弦脉宽调制s p w m 2 6 1 法是一种比较成熟的、目前使用非常广泛的p w m 法。采 样控制理论中的一个重要结论：两个冲量相等而形状不同的窄脉冲加到惯性环节 上( 比如l c 低通滤波器) 其效果是相同的。s p w m 法就是以该结论为理论基础，用 脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形即s p 删波形控制逆变电路中 开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区问 内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率 河海大学硕士学位论文第二章开关功率放大原理与s p 朋调制及波形分析 和幅值。 图2 3 为s p 删法的工作原理。它是利用三角载波电压与正弦信号波电压相比 较，来调节各分段矩形脉冲的宽度。 2 4s p 唧调制方式 ， 根据输出脉冲幅度的变化情况，s p 州可分为单极性调制和双极性调带u e 2 n 。 双极性调制方式输出电压波形有只正、负两个电平，而单极性调制方式的输出电 压波形有正、零，负三个电平，这两种调制方式可简称为单极性脉冲宽度调制 ( u n i p o l a rp w m ，u p w m ) 和双极性脉冲宽度调制( b i p o l a rp w m ，b p w m ) 。文献【2 8 】提 出了一种混合脉冲宽度调制( h y b r i dp w m ，h p 嘲) ，其得名于工作时，不同桥臂的 功率管工作在不同频率状态。其实质也是u p 嘲方式。本文将对这二种控制方式 进行了仿真分析，并选择了u p w m 调制方式应用于单相全桥式逆变电路。图2 4 为相应的逆变器拓朴结构。该单相逆变器的主电路选最常用的全桥拓扑。其中 q i q 4 为四只全控开关管( g t r ，m o s f f t 或i g b t ) ，d i e d 4 为快恢复续流二极管。 经过l c 低通滤波器，滤去高频成分，在滤波电容两端获得光滑的正弦波。 2 4 1 双极性调制 亨 图2 4 单相桥式逆变电路 心 ! vvvvvvvvv 川0 00 00川l l l删山 麻，冉，胁 蚪_ v 妒v v 哔￥j 闹胛仉 仙 j 删一 ( a ) 双极性调制方式( b ) 单极性调制方式 圈2 5s p w m 调制方式 双极性调制方式口9 1 见图2 5 ( a ) ，逆变桥的对角功率管同时开通和关断，两 种互补导通。所有功率管均为高频开关。在+ 和一玑电平之间切换，整个 超声水处理功率放大技术研究 输出电压周期内所得到的是两态输出电压波形。 2 4 2 单极性调制 传统的单极性调制方式p 卅见图2 5 ( b ) ，逆变器的两个桥臂分别通过三角载 波与用两路正弦控制信号( 互为反相) 相比较得到四路控制信号，控制4 个功率器 件的通断，所有功率管均为高频开关。当对角功率管开通时，逆变桥输出p 乙为 + 或一；当桥臂上部两只功率管或下部两只功率管开通时，逆变桥的输出 为零。整个输出电压周期内所得到的是三态输出电压波形。 - 刍：友才旨刺。皂穴立人美八支八a 八a 扩! ：a 。 ：八 ：aaa 序7 、7 6 必， a 。盘岁凸吠 v i l 厂 厂 厂 广 厂 几丌0兀r t nnnn 厂 ii |i ii |i 厂 t 叼 厂 广 n 厂 厂n nnn厂 v 4 i 【 l ii i llii i| il li ii t m 0 几门n 厂几n nn0u - u d 000 t 图2 6 单极性控制s p 硼波形 逆变器的两个桥臂也可以分别通过两路三角载波( 互为反相) 与正弦控制信 号相比较得到四路控制信号，控制4 个功率器件的通断，所有功率管均为高频开 关。如图2 6 所示，v s 为正弦调制波，v c l 和v c 2 是互为反相的三角载波。v g l 和v 9 3 为驱动互补信号，分别控制开关管q i ，q 3 ；v 9 2 和v 9 4 为驱动互补信号控制开关 管q 2 ，q 4 。v o u t 为逆变器输出的电压波形。由图2 4 和图2 6 可见，对各开关管的 控制规律为：开关管q l ，q 3 互补导通，开关管q 2 ，q 4 互补导通。在逆变器输出的 电压信号v o 为宽度随正弦波变化而变化的脉冲信号。从v o 波形上看，在一个周期 内，逆变器输出的s p v f l l l 波形就有+ u d ，0 ，一三种电平组成。这比两电平信号 具有更小谐波含量。从频率上看v g l ，v 9 2 ，v 9 3 ，v 9 4 频率为开关管开关频率，其 值等于三角载波频率，而v o u t 的频率是载波频率的两倍。这对减少开关损耗和滤 除谐波信号获得更好的正弦基波信号是很有利的。 2 5s p 删波形分析 设正弦调制波 【，( f ) = ms i n ( 2 n j l )式( 2 1 ) 河海大学硕士学位论文第二章开关功率放大原理与s p w w 调制及波形分析 频率调制比n = 五f 州为整数) 幅度调制深度d = m m o 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 式中厶为三角载波频率，厂为正弦调制波频率，m o 为三角波峰值，m 为正 弦波幅值【3 1 1 。利用傅立叶级数理论【3 2 】，可得图2 5 ( a ) 中双极性s p w m 控制下逆 变器输i ：1 ：i 电压吒的傅氏系数为 n 百甭一 u n2 翥、 萎( - 1 ) m ( 2 n m ) 】2 + 【萎( _ 1 ) m + lc o s ( 2 甩刀。) 】2 式( 2 4 ) 图2 5 ( b ) 中单极性s p w m 控制下逆变器输出电压u 。的傅氏系数为 玑2 磊l 、f 2 + 酲 式( 2 5 ) 其中，a n = s i n ( 2 n m ：，) - s i n ( 2 n m ：。) 卜 s i n ( 2 n m 2 。) 一s i n ( 2 n m ：。) 】 2 ， 6 。= c o s ( 2 n m ：一) - e o s ( 2 n m ：，) 】_ c o s ( 2 删：。) 一e o s ( 2 n m 2 。) 】 m * l - _ + l 总谐波失真度 t h d r = 露面 2 5 1 频率调制比n 奇偶性与输出频谱的关系 掣1 2 ) 1 叩 0 l 们 0 - ：i i 1 1 1i i ,i i i 田 1 1 砸 ( i 】* 锄脚4 墼1 2 ) 1 0 8 n 6 0 4 0 2 0 式( 2 6 ) 超声水处理功率放大技术研究 ，1 8mm 1 1 1 。 1 0 i n = 2 1 咖 掣1 2 3 0 8 0 6 0 4 0 2 0 ( i ) 双极性s p w m 时 ( 2 ) 单极性s p w m 时 图2 7s p w m 谐波电压频率分析 图中u i 逆变器输出电压的基波及各次谐波幅值 e 一逆变器的直流输入电压i 一谐波次数序号 图2 7 0 ) a d 为双极性s p w m 时四种不同情况下的输出频谱分布图，图 2 “2 ) a d 是单极性s p w m 时的图形。由图可知，逆变器输出的谐波分量单双 极性下情况大不相同。双极性时主要集中在三角波频率 及其倍频2 厶、3 兀、 为中心的周围，而单极性时主要集中在偶数倍三角波频率2 二、4 石、每厶为中 心的周围，在中心频率附近的谐波幅值极大值随其中心频率增大而减小，其中以 分别以兀和2 f o 处的谐波幅值最大。可见单极性s p w m 具有倍频效果。在输出 频谱中存在的谐波频率为 河海丈学硕士学位论文 第二章开关功率放大原理与s p 喇调制及波形分析 f 无= 0 + n + 力+ f 【厶= + 2 + ，) + ， 其中k 代表第k 个分布中心，k = 1 、2 、3 。 双极性 单极性 式( 2 7 ) 式( 2 8 ) 对于式( 2 7 ) 当k 取偶数时，j 取奇数即j = l 、3 、5 ，而k 取奇数时，i 取 偶数即i = 2 、4 、6 对于式( 2 8 ) 当k 取1 、2 、3 、一j 取奇数邸产1 、3 、5 、。 图2 “1 ) a 和b 是n 为偶数时的输出频谱。由图可见当n = 3 0 时，第2 8 、 3 0 、3 2 、5 7 、5 9 、6 1 、6 3 、8 8 、9 0 、9 2 次谐波存在。图2 7 ( 1 ) c 和d 是n 为 奇数时的输出频谱，由图可知当n = 2 1 时，第1 9 、2 1 、2 3 ，3 9 、4 1 、4 3 、4 5 、 6 1 、6 3 、6 5 次谐波存在。由此可知：当n 为偶数时，在输出频谱中奇、偶 次谐波同时存在。当n 为奇数时，在输出频谱中仅存在奇次谐波。该结论与由 式( 2 7 ) 直接推出的结论相符。 图2 7 ( 2 ) 输出频谱只有奇次谐波存在。 1 u n 0 ，n 0 = l2 u n l ，n l = n3 u n 2 ，n 2 = n + 24 u n 3 ，n 3 = 2 n + l5 u n 4 ，n 4 = 2 n + 3 ( 1 ) 双极性s p w m 时 1 掣 50 8 0 + 6 0 4 0 2 0 1 气z 、 止p 5 b 一乡 51 01 5 2 0 2 5 3 0 d = 0 4n 邕 50 8 0 6 0 4 0 2 口 l 气 ，厂；j 隔 5加1 52 02 53 0 o = 0 8 n 1 u n 0 ，n o = l2 u n l ，n l = 2 n + l3 u n 2 ，n 2 = 2 n + 3 4 u n 3 ，n 3 = 4 n + l5 u n 4 ，n 4 = 4 n + 3 ( 2 ) 单极性s p w m 时 图2 8 u n i e 与n 的关系曲线 超声水处理功率放大技术研究 2 5 2 输出谐波幅值与频率调制比n 的关系 如图2 8 所示。图中u m = 【，+ 2 为第n 惶次谐波幅值u 。+ 2 = c ，士2 ( 见图 2 8 ( 1 ) ) ，故用【k ：一并表示，其它乩。表示的意义类同。由图2 8 可知，当n 1 0 后输出波形中的谐波电压幅值基本上与n 无关，仅为幅值调制深度d 的函数， 且单极性时的高次谐波幅值比双极性时要小得多。为简化分析，以下的讨论均假 设n 充分大。 2 5 3 输出谐波幅值与幅值调制深度d 的关系 图2 9 为基波和各次谐波幅值与d 的关系曲线。由图可知在s p w m 控制方 式下，输出的各次谐波幅值与d 为非线性关系，而基波幅值玑与d 成线性关系 u 。( d ) = e + d式( 2 9 ) ( 1 ) 双极性s p w m ( n = 3 0 ) 时( 2 ) 单极性s p w m ( n = 1 0 ) 时 其中，1 n = l2 n - - 2 8 。3 2 其中，1 a l l 2 n = 1 7 , 2 3 3 n = 3 0 4 n = 5 7 ，6 35 n = 5 9 ，6 1 3 1 1 = 1 9 ，2 1 4 n = 3 7 , 4 35 n = 3 9 ，4 1 图2 9 u n ( d ) 与d 的关系曲线 2 5 4 总谐波失真度t h d v 与幅值调制深度d 的关系 s p w m 逆变器的控制参数主要是正弦调制波的频率f 和幅值m 。由前述可 知t h d v 与f 无关，仅为m 的函数。图2 1 0 为t h d v 与d 的关系曲线。由图2 1 0 和式( 2 9 ) 可知，当输出的基波电压增大时t h d v 减小，反之当输出的基波电 压减小时t h d v 增大。在单极性条件下总谐波失真度较双极性时要小得多。 图2 7 1 0 均是利用式( 2 6 ) 、( 2 5 ) 和( 2 6 ) 所做的仿真结果，其中部分 结果已得到实验验证。 河海大学硕士学位论文 第二章开关功率放大原理与s p 咖调制及波形分析 + r 一一一r 一一一。1 一一一一1 一一一一1 。一一一一 i t 一一一r 一一一一1 一一一一1 一一一一1 一一一一 i 1 一一一r 一一一一1 一一一一1 一一一一一l 一一一一 、 一p 一f 一一一一1 一一一一1 一一一一一一一一一 、 ：! ：j ：j ： ，一一一：、；，、。；：；：二：一j 一一一一j 一一一一一 oq 2n 4o eo 81 o ( 1 ) 双极性s p w m ( n = 3 0 ) 时( 2 ) 单极性s p w m ( n = 1 0 ) 时 图2 1 0 t h d v 与d 的关系曲线 2 6s p w m 波的采样方式 s p w m 波形的采样方式一般有两种：自然采样法和规则采样法。他们都又 可分为单极性或双极性采样法，鉴于单极性s p w m 诸多优点，本文均以单极性 采样进行讨论。规则采样法又可以分为对称规则采样法和不对称规则采样法。 f |l 7 m 、 t t b t 匿重 t 2 啼 h 一 图2 1 1 自然采样法生成s p 删渡 2 6 1 自然采样法 利用正弦调制波和等腰三角载波的自然交点时刻来决定开关器件的通断，这 就是自然采样法【3 3 j 4 】。自然采样法所得波形最接近正弦波。 如图2 1 l 所示，计算正弦调制波与三角载波的交点，求出相应的脉宽和脉 冲间隙时间，生成s p w m 波形。该方法可以准确求取脉宽及脉冲间隙时间，但 由于正弦波在不同相位角时其幅值不同，当正弦波频率或幅值变化时，各脉冲的 宽度也相应变化。从而使三角波与正弦调制波的交点相对三角载波的中心线不对 称，要准确生成s p w m 波，就得准确计算正弦波与三角波的各个交点t a ，t b 来 确定脉冲的发生及截止时刻。 惦；8笛惦5 o a h 上 设调制度为m = 挚，即正弦波峰值与三角波峰值之比( 为方便起见，令 u c = 1 ，l o v e = d ，正弦调制波角频率为，三角载波周期为乙如图2 1 1 所 示的几何关系可求得脉冲宽度k 与间隙时问t l ，t 2 tm-t3+t4=t。-tl-ta-冬l+等in嘶+sincat)l式(210)t3 tt t lt 21 ( s i n s i n ( a t b l o ) 昔i + 了嘶+) i 瓦【 t 3 ，与都是未知量，从而式( 2 1 0 ) 为一个超越方程，求解起来花费 较多的时间，因此自然采样法虽能真实反映脉冲产生与结束的时刻，却不适于微 机实时控制。 2 6 2 规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其 原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时 刻控制开关器件的通断，从而实现s p w m 法。 2 6 2 1 对称规则采样法 为了弥补自然采样法的不足，提出了工程上实用的对称规则采样法，如图 2 1 2 所示。它固定在三角波每一周期的负峰值时找到正弦波上的对应点e ，并用 此电压值对三角波进行采样，确定s p w m 波形中脉冲的生成时刻，脉冲宽度t 2 和间隙时间t l 及t 3 。 取孓 | a f 心 “ k h b。 t 3 ，jp 7 jr r 一 。 t c 、 哒葡 l 。m a i n | t e 罅q t e 一* 习啊虹叫p l t c 。l 图2 1 2 对称规则采样法 图2 1 3 不对称规则采样法 铲( 1 m i n c a t , ) 河海大学硕士学位论文第二章开关功率放大原理与s p i m i 调制及波形分析 t l = t 3 = x 。( t o t 2 ) 式( 2 1 2 ) 二 对称规则采样法所生成的$ p w m 波形的每一个脉冲都与三角波的中心线对 称，且每个周期的采样时刻都是确定的，它所产生的s p w m 脉冲宽度和位置都 可预先计算出来，便于实时控制。采样点a 和b 与实际相交点有偏差，当采样 时刻e 位于正弦波幅值处时，采样电压水平线于三角载波的交点都将处于正弦 调制波的同一侧，从而带来更大误差。 2 6 2 2 不对称规则采样法 如果既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样，由采样值形成 阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个三角波的周期内的位 置是不对称的，如图2 1 3 所示，这样的采样方法称为不对称规则采样法。需要 注意，这里采样周期t l 是三角波周期的l ，2 ，即；五2 。当在三角波的顶点 采样时，由图2 1 3 知，得到低电平宽度 和脉冲宽度为o ，可由下式求得 手【1 舶i n ( 国t 1 懒i n ( 耐。 式f 2 1 3 ) 而当在三角波的底点采样时，得到低电平宽度f ：和脉冲宽度为t o ：，可由下式求 如。爹一膨咖( 耐j 】 式( 2 1 4 ) t o n 2 = 等【l + 膨s i n ( c o t 洲 k = 十= 1 + 等( s i n 研。+ 咖研：) 式( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 与式( 2 1 0 ) 在形式上样，但实质上己有区别，式( 2 1 5 ) 中，t l 、t 2 均与调 。专“数啪0 , 24 , 6 。 式( 2 1 6 ) f 口- ；等七( 当k 2 1 35 7 ，)1 超声水处理功率放大技术研究 2 7 本章小结 本节首先对各种功率放大器进行了比较，然后简单介绍了开关功率放大器的 s p w m i 作原理，而后对s p w m 法的单极性和双极性两种调制方式下的输出波形 进行了分析比较，得到一些有意义的结论： ( 1 ) 在s p w m 逆变器中，变频将引起谐波分布中心的迁移，而调压将引起 谐波幅值的变化，这是最基本的结论。 ( 2 ) 三角载波频率厶决定了谐波在输出频谱中的分布中心。 ( 3 ) 正弦调制波幅值m 决定了输出频谱中基波和各次谐波的幅值，决定了 输出波形的总谐波失真。 ( 4 ) 在异步模式下，根据三角载波频率厶与负载特性来设计输出滤波器。 在装置允许的情况下，尽量提高三角载波频率。 ( 5 ) 在同步模式下，根据正弦调制波的最低频率，眦和负载性质来设计输 出滤波器。在装置允许的情况下，尽量提高频率调制比n ，使输出频谱中的谐波 分布中心向高频方向迁移。 ( 6 ) 幅度调制比d 对各次谐波幅值的影响极大。为减小总谐波失真，应在 允许的情况下尽量提高d 值。 最后对s p w m 采样方式进行了比较。自然采样法所得波形最接近正弦波，但 计算复杂，占用内存大，不适于实时控制。规则采样法是一种实用的s p w m 法， 易于实对控制，本文便是采用这种方法。 河海大学硕士学位论文第三章开关功率放大器逆变主电路设计 第三章开关功率放大器逆变主电路设计 3 1 主回路结构 开关功放逆变主回路常见的三种电路形式：推挽式、半桥式和全桥式。这三 种电路结构各有特点，可根据实际情况选定，还可以根据这三种电路结构演变出 其它的电路结构。这三种电路具有相同的等效拓扑结构和数学模型，因此分析方 法是相同的。本文均用功率m o s f e t 开关管为例加以说明。 ( a ) 推挽式电路 】 丁一 出叫目 ：圆v d e 彳草 ( b ) 半桥电路( c ) 全桥电路 图3 1 逆变主回路结构 3 1 1 推挽式电路 推挽式电路是由负载和功率开关管q l 、q 2 组成，如图3 1 ( a ) 所示。在线圈 电流小于参考电流时，q l 导通、q 2 关断，线圈电流上升；当线圈电流大于参考 电流时，q l 关断、q 2 导通，线圈电流减少。这样就可以通过控制q l 和q 2 的 导通与关断，使线圈中的电流达到给定值。 推挽式电路的特点主要有： 功放采用推挽式与采用半桥电路相比，少了两个续流二极管。两个功率 m o s f e t 轮流导通，它们驱动信号还需设一个死区时间，以免直通： 放电回路是通过线圈自身的消耗来放电的，因此放电时间比较长，开关频率 就比较低，功率放大器频带就比较窄； 如果采用浮动隔离电源法，需要两个独立电源分别对推挽式驱动电路的两个 功率m o s f e t 的驱动芯片供电。 3 1 2 半桥电路 半桥电路是由负载，功率开关管q 1 、q 2 和续流二极管d i 、d 2 组成，如图 3 1 ( b ) 所示。若采用两电平调制方法，当线圈电流小于参考电流时，q l 、q 2 导 通，线圈电流上升：当线圈电流大于参考电流时，q m 、q 2 关断，d i 、d 2 续流， 线圈电流减少。这样可以通过q i 、q 2 的开关和d 1 、d 2 的续流，使线圈中的电 流达到给定值。若采用三电平调制方法，半桥电路有很多种驱动方案，但是都可 超声水处理功率放大技术研究 以归结于三种状态：q 1 、q 2 导通，线圈电流增加；自然续流状态，q l 、d l 或 q 2 、d 2 导通，线圈电流缓慢减小；d 1 、d 2 导通，线圈电流迅速减少。 半桥电路的特点主要有： 如果采用浮动隔离电源法，需要两个独立电源分别对半桥电路的两个功率 m o s f e t 的驱动芯片供电； 半桥电路只能在两象限工作。在功率m o s f e t 关断期间线圈两端接负电源， 电路处于逆变状态，通过向电源回馈能量以及电阻消耗能量来消耗电感储 能，系统的响应速度快，因此，系统的工作频率可以比较高； 半桥电路不仅可以在两电平状态工作，也可以在三电平状态工作，当它工作 在三电平状态时不仅可以减少