CN109921651A - 一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置。该发明包含：工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元。第一高频整流模块和第二高频整流模块构成高频整流单元，第一H桥逆变模块和第二H桥逆变模块输出侧级联构成混合级联9电平逆变单元。与现有技术相比，本发明可以显著提高超声波电源的输出功率，大大减小匹配网络的电感量，有效提高超声波电源的功率密度。

Description

一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置

技术领域

本发明属于超声波电源技术领域，具体涉及一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置。

背景技术

超声技术作为超声学的一个重要分支在现代工业应用中的地位已经越来越重要，在农业生产、工业应用、生物医学、国防军事、航空航天等领域中扮演着十分重要的角色，能够提高产品的生产质量、降低生产成本、减少环境污染、保障生产安全、提高设备运行安全性。因此，近年来国内外对超声技术的应用研究十分活跃。

超声技术的应用有很多，包括超声波清洗、超声波焊接、超声波乳化、超声波萃取等等。在超声技术发展的过程中，电子技术和计算机技术起到了十分重要的作用。目前超声设备的功率还比较小，在可以预见的未来，一些新型电力电子器件和电路拓扑的广泛应用，例如氮化镓、碳化硅等，将有力推动超声技术飞速发展，功率等级、效率、功率密度都可大大提升。因此，研发大功率超声波电源势在必行。随着科学技术的发展，新型超声装置必将在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用。

发明内容

为了克服现有方案的不足，本发明提出了一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，本发明可以显著提高超声波电源的输出功率，大大减小匹配网络的电感量，有效提高超声波电源的功率密度。

本发明的技术方案为一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于：包括工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元；

所述的工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元依次串联连接；所述的高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元依次串联连接；

作为优选，所述工频整流单元采用三相二极管整流桥，将配电网交流电压整流成直流电压；

作为优选，所述直流斩波单元采用Buck电路，对所述工频整流单元输出的直流电压进行斩波，实现从0到最大值的连续无极调节；

作为优选，所述方波逆变单元采用单相H桥结构，将所述直流斩波单元输出的直流电压逆变成高频交流方波电压；

作为优选，所述高频变压器单元包含原边绕组、第一副边绕组以及第二副边绕组，第一副边绕组与第二副边绕组的匝数比为1:3；

高频交流方波电压通过原边绕组、第一副边绕组输出第一高频交流方波电压；

高频交流方波电压通过原边绕组、第二副边绕组输出第二高频交流方波电压；

作为优选，所述高频整流单元由第一高频整流模块和第二高频整流模块构成,用于生成第一直流电压以及第二直流电压；

所述第一高频整流模块以及所述第二高频整流模块均采用单相二极管整流桥，所述第一高频整流模块将第一高频交流方波电压整流成第一直流电压，所述第二高频整流模块将第二高频交流方波电压整流成第二直流电压；

作为优选，所述混合级联9电平逆变单元由第一H桥逆变模块和第二H桥逆变模块构成,所述第一H桥逆变模块和所述第二H桥逆变模块的输出侧级联，第一直流电压与第二直流电压通过多电平控制信号生成9电平高频交流电压波形，改变周期可以实现频率的自动跟踪；

作为优选，所述匹配网络单元采用串联电抗器，用于将9电平高频交流电压波形进行滤波得到滤波后交流电压，并通过阻抗匹配将滤波后交流电压输出至所述换能器单元，所述匹配网络单元还用于补偿所述换能器单元的静态电容；

作为优选，所述换能器单元将滤波后交流电压的电能转化为机械能。

输入配电网交流电压通过所述工频整流单元将交流电压整流成直流电压，再通过所述直流斩波单元调节直流电压大小，经所述方波逆变单元逆变成高频交流方波电压，通过所述高频变压器单元及所述高频整流单元得到电压比为1:3的第一直流电压以及第二直流电压，再经所述混合级联9电平逆变单元得到9电平电压波形，最后经所述匹配网络单元接入所述换能器单元。

与现有技术相比，应用于超声波电源时本发明电源具有下述二个方面的优点：

采用混合级联9电平逆变电路可以显著提高超声波电源的输出功率。

混合级联逆变器输出的9电平阶梯波更接近于正弦波，与方波相比谐波含量大大减少，谐波阶次显著提高，匹配网络电抗器的电感量大大减小。

附图说明

图1：为本发明***结构示意图；

图2：为本发明装置中工频整流单元结构示意图；

图3：为本发明装置中直流斩波单元结构示意图；

图4：为本发明装置中方波逆变单元结构示意图；

图5：为本发明装置中高频变压器单元结构示意图；

图6：为本发明装置中高频整流单元结构示意图；

图7：为本发明装置中混合级联9电平逆变单元结构示意图；

图8：为本发明装置中的一个具体实施例的输出电压及对应的二个H桥逆变模块输出电压示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的***框图。本发明的具体实施方式为一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，包括：工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元；

所述的工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元依次串联连接；所述的高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元依次串联连接。

所述工频整流单元采用三相二极管整流桥，将配电网交流电压整流成直流电压；

所述直流斩波单元采用Buck电路，对所述工频整流单元输出的直流电压进行斩波，实现从0到最大值的连续无极调节；

所述方波逆变单元采用单相H桥结构，将所述直流斩波单元输出的直流电压逆变成高频交流方波电压；

所述高频变压器单元包含原边绕组、第一副边绕组以及第二副边绕组，第一副边绕组与第二副边绕组的匝数比为1:3；

高频交流方波电压通过原边绕组、第一副边绕组输出第一高频交流方波电压；

高频交流方波电压通过原边绕组、第二副边绕组输出第二高频交流方波电压；

所述高频整流单元由第一高频整流模块和第二高频整流模块构成,用于生成第一直流电压以及第二直流电压；

所述第一高频整流模块以及所述第二高频整流模块均采用单相二极管整流桥，所述第一高频整流模块将第一高频交流方波电压整流成第一直流电压，所述第二高频整流模块将第二高频交流方波电压整流成第二直流电压；

所述混合级联9电平逆变单元由第一H桥逆变模块和第二H桥逆变模块构成,所述第一H桥逆变模块和所述第二H桥逆变模块的输出侧级联，第一直流电压与第二直流电压通过多电平控制信号生成9电平高频交流电压波形，改变周期可以实现频率的自动跟踪；

所述匹配网络单元采用串联电抗器，用于将9电平高频交流电压波形进行滤波得到滤波后交流电压，并通过阻抗匹配将滤波后交流电压输出至所述换能器单元，所述匹配网络单元还用于补偿所述换能器单元的静态电容；

所述换能器单元将滤波后交流电压的电能转化为机械能。

所述工频整流单元采用三相二极管整流桥结构如图2所述，对输入侧电压进行整流。

所述直流斩波单元采用Buck电路如图3所述，通过控制IGBT的占空比，实现对输出侧直流电压从0到最大值的连续无极调节。

所述方波逆变单元采用单相H桥如图4所述，对所述直流斩波单元输出的直流电压进行逆变，得到高频交流方波电压。

所述高频变压器单元包含一套原边绕组和两套副边绕组，两套副边绕组的匝数比为1:3，如图5所示。

所述高频整流单元由第一高频整流模块和第二高频整流模块构成，第一高频整流模块和第二高频整流模块均采用单相二极管整流桥结构如图6所示，将高频交流方波电压整流成直流电压。

所述混合级联9电平逆变单元由第一H桥逆变模块和第二H桥逆变模块构成，输出侧级联如图7所示，利用方波叠加原理得到9电平电压波形，改变周期可以实现频率的自动跟踪。

所述匹配网络单元采用串联电抗器，对9电平电压波形滤波和补偿换能器的静态电容。

所述换能器单元将电能转化为机械能。

本发明设计的超声波电源主要参数：输入的配电网交流电压380V，频率50Hz；谐振频率20kHz，最大输出功率为10kW。

所述工频整流单元输出最大直流电压537V；通过所述直流斩波单元输出直流电压在0到400V之间调节；所述方波逆变单元输出峰值功率时，方波电流幅值为25A；所述高频变压器单元包含一套原边绕组和两套匝数比为1:3的副边绕组；通过所述高频整流单元得到Ud和3Ud两个直流电压。

所述混合级联9电平逆变单元由第一H桥逆变模块和第二H桥逆变模块级联而成，所述第一H桥逆变模块输入第一直流电压为Ud，输出侧H1可以产生Ud、0、-Ud三个电平，所述第二H桥逆变模块输入第二直流电压为3Ud，输出侧H2可以产生3Ud、0、-3Ud三个电平，通过CPLD或FPGA实时、适时的控制，混合级联逆变电路可产生9个电平，输出侧电压波形以及2个H桥逆变模块输出电压波形如图8所示，通过调节周期实现频率的自动跟踪。

所述换能器两端无需传统的并联电容器，因此匹配网络仅采用一台串联电抗器，补偿换能器的静态电容。

尽管本说明书较多地使用了工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元、第一高频整流模块、第二高频整流模块、第一H桥逆变模块、第二H桥逆变模块等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何二种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于,包括工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元；

所述的工频整流单元、直流斩波单元、方波逆变单元、高频变压器单元依次串联连接；所述的高频变压器单元、高频整流单元、混合级联9电平逆变单元、匹配网络单元、换能器单元依次串联连接。

2.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述工频整流单元采用三相二极管整流桥，将配电网交流电压整流成直流电压。

3.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述直流斩波单元采用Buck电路，对所述工频整流单元输出的直流电压进行斩波，实现从0到最大值的连续无极调节。

4.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述方波逆变单元采用单相H桥结构，将所述直流斩波单元输出的直流电压逆变成高频交流方波电压。

5.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述高频变压器单元包含原边绕组、第一副边绕组以及第二副边绕组，第一副边绕组与第二副边绕组的匝数比为1:3；

高频交流方波电压通过原边绕组、第一副边绕组输出第一高频交流方波电压；

高频交流方波电压通过原边绕组、第二副边绕组输出第二高频交流方波电压。

6.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述高频整流单元由第一高频整流模块和第二高频整流模块构成,用于生成第一直流电压以及第二直流电压；

所述第一高频整流模块以及所述第二高频整流模块均采用单相二极管整流桥，所述第一高频整流模块将第一高频交流方波电压整流成第一直流电压，所述第二高频整流模块将第二高频交流方波电压整流成第二直流电压。

7.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述混合级联9电平逆变单元由第一H桥逆变模块和第二H桥逆变模块构成,所述第一H桥逆变模块和所述第二H桥逆变模块的输出侧级联，将第一直流电压与第二直流电压通过多电平控制信号生成9电平高频交流电压波形，改变周期可以实现频率的自动跟踪。

8.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述匹配网络单元采用串联电抗器，用于将9电平高频交流电压波形进行滤波得到滤波后交流电压，并通过阻抗匹配将滤波后交流电压输出至所述换能器单元，所述匹配网络单元还用于补偿所述换能器单元的静态电容。

9.根据权利要求1所述的基于混合级联9电平的大功率超声波电源装置，其特征在于，所述换能器单元将滤波后交流电压的电能转化为机械能。