CN112731829A - 一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法，其中匹配网络包括反馈电路、控制器，以及依次连接的信号发生器、整流滤波电路、功率逆变电路、匹配变压器、匹配电感、超声波换能器；匹配电感用于对超声波换能器进行补偿；反馈电路用于获取超声波换能器两端电压有效值和电流有效值，以及电压信号与电流信号的相位差；控制器用于根据上述数据对匹配电感的电感值进行调节。反馈电路实时监测超声波换能器的电压和电流有效值以及电压与电流信号的相位差，利用控制器控制匹配电感接入的电感值，实现超声波换能器的工作过程始终处在谐振状态。动态响应速度快、精度高、声电转换效率大，同时电路结构简单，成本低，具有较广的应用前景。

Description

一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法

技术领域

本发明涉及超声波电源领域，尤其涉及一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法。

背景技术

超声波是指频率大于20KHz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于军事、工业、农业、医学等诸多领域。在医学领域，超声技术主要应用在超声刀手术、超声波雾化、B超检查、超声波制药等方面。相较于传统手术，超声刀手术具有切割精度高、创伤范围小、凝血效果佳、视野更加清晰、手术时间大幅缩短、术后恢复快等优点，给医生和患者都带来了巨大好处。

作为超声刀手术***中一个重要的组成部分——超声波发生器，或称为超声波电源，是一种向超声换能器提供能量的装置。它的作用是将市电(220V&50Hz)转变为超声信号来驱动超声换能器，并同时控制整个振动***的运行。在超声振动***中，超声波电源与换能器的阻抗匹配效果起着重要作用，其优劣程度直接决定超声振动***能否安全工作，如果匹配失真，会造成换能器温度升高，电声转换效率降低，严重时甚至烧毁换能器。

换能器作为超声***中的负载，其本身具有容性阻抗特性。因此，在匹配网络的设计中常采用电感元件去补偿，通过静态或者动态匹配的方法实现调谐。其中，静态匹配因其电路简单、易于实现是目前最常用的方法。在超声电源工作前，通过阻抗分析仪等工具测出超声换能器的阻抗，得出匹配电路的元件参数。手动调整匹配网络参数，使换能器达到谐振状态，匹配元件一旦确定之后就不再改变。但是换能器工作过程中其阻抗特性会随负载、温度等变化而改变，相应的谐振频率会发生漂移，导致***效率降低。因此，静态匹配的方式无法解决换能器在工作过程中的频率突变导致匹配失真的问题。而动态匹配则克服了静态匹配的缺点，动态匹配中换能器、超声波电源、匹配网络组成闭环***，根据换能器回路的反馈信号调节超声波电源或者匹配网络的参数，使换能器始终工作于谐振状态。现阶段，动态匹配一般使用频率跟踪技术，实时跟踪***谐振频率的变化，保证电路匹配，提高***的效率，可以克服静态匹配中由于温度升高等条件变化造成的影响，但是存在以下缺点：在动态匹配现有技术中，用于超声波电源中电压、电流信号的采样主要是采用电流互感器通过导线依次连接通带滤波电路、比较整形电路，该种电路结构复杂，成本较高，不易于投入商业化生产，并且在面对大功率超声***时会对其可靠性和安全性带来一定的影响。

综上所述，提出一种电路结构简单、性能优异、成本低、适合商业化应用的医用超声波电源的动态匹配技术是目前亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法，通过实时检测超声波换能器回路的阻抗参数，动态调整匹配电感的大小，使超声波换能器的工作过程始终处在谐振状态，该技术电路结构简单，动态响应速度快，精度高，成本低廉，非常适合大规模应用。

第一方面，提供了一种医用超声波电源的动态匹配网络，包括反馈电路、控制器，以及依次连接的信号发生器、整流滤波电路、功率逆变电路、匹配变压器、匹配电感、超声波换能器；

所述反馈电路的输入端与所述超声波换能器连接，其输出端与所述控制器连接；所述控制器的输出端与所述匹配电感连接；

所述匹配电感的电感值可调，且用于对所述超声波换能器进行补偿，实现调谐匹配；

所述反馈电路用于实时获取所述超声波换能器两端电压有效值和电流有效值，以及获取所述超声波换能器两端电压信号与电流信号的相位差，并传输至控制器；

所述控制器用于根据接收的实时的电压有效值、电流有效值以及电压信号与电流信号的相位差对所述匹配电感的电感值进行调节。

上述方案提供的医用超声波电源的动态匹配网络，通过反馈电路实时获取所述超声波换能器两端电压有效值、电流有效值以及超声波换能器两端电压信号与电流信号的相位差，然后通过控制器根据上述数据计算出当前所需匹配电感的电感值，然后生成控制信号对匹配电感的电感值进行调节，实现动态匹配，使超声波换能器的工作过程始终处在谐振状态。

进一步地，所述信号发生器用于产生频率为30KHz～60KHz的驱动信号。

进一步地，所述整流滤波电路包括相互连接的整流单元和滤波单元；所述整流单元为不控桥式整流电路，用于完整交直流转换；所述滤波单元用于抑制直流脉动和消除交流谐波。

本发明通过大量的实验，确定了整流单元的电路结构采用不控桥式整流电路，此种电路结构输出直流母线电压高，整流器件承受的反向耐压较低，整流过程中损耗较低，可提高电源的效率，满足逆变电桥的输入要求，非常适宜于逆变式超声波电源。

进一步地，所述功率逆变电路为全桥逆变电路。

本发明通过大量的实验，确定了功率逆变部分的电路结构采用全桥逆变电路，此种电路结构具有输出电压与母线电压相同，输出功率效率高，开关管功率损耗小等优点。

进一步地，所述匹配变压器为采用E型铁氧体磁芯的高频变压器。

进一步地，所述匹配电感包括多个串联的uH级别的功率电感，且每个电感的两端并联有一个继电器，所述继电器与所述控制器连接，所述控制器通过控制所述继电器的通断来操作对应电感的短路或接入。

进一步地，所述反馈电路包括采样电路、鉴相电路和电流电压有效值转换电路；所述鉴相电路和电流电压有效值转换电路均与所述采样电路连接；所述采样电路用于采集流过所述超声波换能器的电流信号，以及采集所述超声波换能器两端的电压信号；所述电流电压有效值转换电路用于根据所述采样电路采集的电流信号和电压信号获取对应的电流有效值和电压有效值并输出至所述控制器；所述鉴相电路用于将所述采样电路采集的电压信号的相位和电流信号的相位进行相位比较并产生相位差信号输出至控制器。

进一步地，所述超声波换能器为压电陶瓷换能器，其中压电陶瓷为PZT4或PZT8。

进一步地，所述控制器为数字信号处理器(DSP)控制器，选用TMS320F2812芯片作为该控制器的芯片。

本发明通过大量的实验，确定了TMS320F2812作为控制器的芯片，其具有强大的数字信号处理能力，较高的数据处理速率，特别适宜于本发明电源这类处理速度与处理精度要求较高的领域。采用高性能的CMOS技术，其最高主频达到150MHz，时钟周期6.67ns；采用高性能的32位中央处理器与先进的哈弗总线构架，一个周期内可完成32位*32位的乘法累加运算或2个16位*16位的乘法累加运算，具有快速的中断响应和中断处理能力，统一的寄存器编程模式，兼容多种编程语言；芯片内具有128K*16位的Flash，内含标准的数学函数库，具有18K*16的随机存储器(SRAM)，外部存储器接口具有1M*16位的总存储空间。

第二方面，提供了一种医用超声波电源的动态匹配方法，使用如上所述的医用超声波电源的动态匹配网络进行动态匹配，包括如下步骤：

根据阻抗的定义推导出阻抗模和阻抗角：

其中，Z表示阻抗，R表示阻抗的实部——电阻，X表示阻抗的虚部——电抗；|Z|为阻抗模，表示超声波换能器两端电压有效值

与电流有效值

的比值，即

为阻抗角，表示超声波换能器两端电压信号与电流信号的相位差；

通过反馈电路获取超声波换能器两端实时电压有效值与电流有效值进而得到阻抗模；以及获取超声波换能器两端实时电压信号与电流信号的相位差进而得到阻抗角；

根据阻抗模和阻抗角，运用公式

即可得到电抗X，控制器基于电抗X的实时变化，再根据串联谐振条件X＝2πfL，求得所需匹配电感的电感值；其中，f表示***谐振频率，L表示电感值；

控制器实时根据求得的所需匹配电感的电感值对接入的匹配电感的电感值进行调节，使超声波换能器的工作过程始终处于谐振状态。

有益效果

本发明提出了一种医用超声波电源的动态匹配网络及其匹配方法，本发明在逆变型超声波电源结构的基础上，首次采用数字电感匹配的方式，通过反馈电路实时监测超声波换能器的电压和电流有效值以及电压与电流信号的相位差，利用控制器的运算能力控制匹配电感接入的电感值，从而达到动态调整匹配元件大小的目的，实现超声波换能器的工作过程始终处在谐振状态，获得动态响应速度快、精度高、声电转换效率大的匹配网络，同时电路结构简单，成本低廉，非常适合大规模应用，有效解决现有技术中频率突变导致匹配失真、电路结构复杂、成本较高等问题，具有较广的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种医用超声波电源的动态匹配网络的总体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的匹配电感的电路图；

图3是本发明实施例提供的一种医用超声波电源的动态匹配网络的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1至图3所示，本发明的一个实施例，提供了一种医用超声波电源的动态匹配网络，包括反馈电路7、控制器8，以及依次连接的信号发生器1、整流滤波电路2、功率逆变电路3、匹配变压器4、匹配电感5、超声波换能器6；

所述反馈电路7的输入端与所述超声波换能器6连接，其输出端与所述控制器8连接；所述控制器8的输出端与所述匹配电感5连接；

所述匹配电感5的电感值可调，且用于对所述超声波换能器6进行补偿，实现调谐匹配；

所述反馈电路7用于实时获取所述超声波换能器6两端电压有效值和电流有效值，以及获取所述超声波换能器6两端电压信号与电流信号的相位差，并传输至控制器8；

所述控制器8用于根据接收的实时的电压有效值、电流有效值以及电压信号与电流信号的相位差对所述匹配电感5的电感值进行调节。

上述实施例提供的医用超声波电源的动态匹配网络，通过反馈电路7实时获取所述超声波换能器6两端电压有效值、电流有效值以及超声波换能器6两端电压信号与电流信号的相位差，然后通过控制器8根据上述数据计算出当前所需匹配电感5的电感值，然后生成控制信号对匹配电感的电感值进行调节，实现动态匹配，使超声波换能器6的工作过程始终处在谐振状态。

具体地，所述信号发生器1的输出端与所述整流滤波电路2相连接，用于产生频率为30KHz～60KHz的驱动信号，本实施例中，其产生一个频率为55KHz的驱动信号。

所述整流滤波电路2的输入端与信号发生器1相连接，其输出端与功率逆变电路3相连接，包括相互连接的整流单元和滤波单元；所述整流单元采用不控桥式整流电路，用于完整交直流转换，因为此种电路结构输出直流母线电压高，整流器件承受的反向耐压较低，整流过程中损耗较低，可提高电源的效率，满足逆变电桥的输入要求，非常适宜于逆变式超声波电源；所述滤波单元用于抑制直流脉动和消除交流谐波，滤波单元包括滤波电容和滤波电感，滤波电容的主要功能为抑制直流脉动，使波形平滑，滤波电感的主要功能为消除交流谐波。

所述功率逆变电路3的输入端与整流滤波电路2相连接，其输出端与匹配变压器4相连接，功率逆变电路3采用全桥逆变电路，用于实现直流电转换成超声频交流电，并改变输出功率的大小。此种电路结构具有输出电压与母线电压相同，输出功率效率高，开关管功率损耗小等优点。

所述匹配变压器4的输入端与功率逆变电路3相连接，其输出端与匹配电感5相连接；匹配变压器4为采用E型铁氧体磁芯的高频变压器，主要用于对超声电源的负载9进行变阻，实现电源内阻与负载阻抗相等。

所述匹配电感5的输入端与匹配变压器4相连接，其输出端与超声波换能器6相连接；匹配电感5用于通过感性元件对超声波换能器进行补偿，实现调谐匹配。本实施例中，匹配电感5由16个uH级别的功率电感串联起来，它们的电感值分别为128、64、32、16、8、4、2、1、0.5、0.25、0.125、0.063、0.031、0.016、0.008和0.004；且每个电感的两端并联一个继电器，控制器通过控制继电器的通断来操作匹配电感的短路或接入，匹配电感5电路结构如图2所示。

所述超声波换能器6的输入端与匹配电感5相连接，其输出端与负载9相连接；超声波换能器6用于将从超声波电源输入的交流电(电能)转化为声波(机械能)，并传递、驱动负载工作；本实施例中，超声波换能器6采用压电陶瓷换能器，其中压电陶瓷为PZT4或PZT8。

所述反馈电路7的输入端与超声波换能器6相连接，其输出端与控制器8相连接；反馈电路7包括采样电路、鉴相电路和电流电压有效值转换电路；所述鉴相电路和电流电压有效值转换电路均与所述采样电路连接。所述采样电路用于采集流过所述超声波换能器的电流信号，以及采集所述超声波换能器两端的电压信号，本实施例中，分别通过霍尔电流传感器和霍尔电压传感器检测电流信号和电压信号；所述电流电压有效值转换电路用于根据所述采样电路采集的电流信号和电压信号获取对应的电流有效值和电压有效值并输出至所述控制器，具体可采用有效值转换芯片获得电流有效值和电压有效值；所述鉴相电路用于将所述采样电路采集的电压信号的相位和电流信号的相位进行相位比较并产生相位差信号输出至控制器，具体可通过鉴相器实现。

进一步地，所述控制器8为数字信号处理器(DSP)控制器，选用TMS320F2812芯片作为该控制器的芯片，还包括与芯片连接的时钟电路、电源电路、复位电路等元件构成。TMS320F2812芯片具有强大的数字信号处理能力，较高的数据处理速率，特别适宜于本发明电源这类处理速度与处理精度要求较高的领域。采用高性能的CMOS技术，其最高主频达到150MHz，时钟周期6.67ns；采用高性能的32位中央处理器与先进的哈弗总线构架，一个周期内可完成32位*32位的乘法累加运算或2个16位*16位的乘法累加运算，具有快速的中断响应和中断处理能力，统一的寄存器编程模式，兼容多种编程语言；芯片内具有128K*16位的Flash，内含标准的数学函数库，具有18K*16的随机存储器(SRAM)，外部存储器接口具有1M*16位的总存储空间。

如图3所示，其提供了本实施例实现电路原理图，其中，信号发生器1、整流滤波电路2、功率逆变电路3、匹配变压器4构成图中的超声波发生器。

本发明的另一实施例，提供了一种医用超声波电源的动态匹配方法，使用上述实施例提供的医用超声波电源的动态匹配网络进行动态匹配，包括如下步骤：

S1：根据阻抗的定义推导出阻抗模和阻抗角：

其中，Z表示阻抗，R表示阻抗的实部——电阻，X表示阻抗的虚部——电抗；|Z|为阻抗模，表示超声波换能器两端电压有效值

与电流有效值

的比值，即

为阻抗角，表示超声波换能器两端电压信号与电流信号的相位差；

S2：在某个时间t1下，通过反馈电路获取超声波换能器两端实时电压有效值与电流有效值进而得到超声波换能器实时工作过程的阻抗模；以及获取超声波换能器两端实时电压信号与电流信号的相位差进而得到超声波换能器实时工作过程的阻抗角；

S3：控制器根据阻抗模和阻抗角得到某个时间t1下阻抗的虚部X为10.339Ω，再根据串联谐振条件X＝2πfL，求得所需匹配电感的电感值为29.664uH；其中，f表示***谐振频率，L表示电感值；

S4：控制器根据求得的所需匹配电感的电感值对接入的匹配电感的电感值进行调节，本实施例中，通过控制继电器的通断将电感值为16、8、4、1、0.5、0.125、0.031和0.008的匹配电感的接入，从而实现动态调整匹配电感的目的；

S5：如某个时间t2下，负载阻抗发生改变，则重复步骤S1～S4，获得新的匹配电感，实现超声波换能器的工作过程始终处在谐振状态。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，包括反馈电路、控制器，以及依次连接的信号发生器、整流滤波电路、功率逆变电路、匹配变压器、匹配电感、超声波换能器；

所述反馈电路的输入端与所述超声波换能器连接，其输出端与所述控制器连接；所述控制器的输出端与所述匹配电感连接；

所述匹配电感的电感值可调，且用于对所述超声波换能器进行补偿，实现调谐匹配；

所述反馈电路用于实时获取所述超声波换能器两端电压有效值和电流有效值，以及获取所述超声波换能器两端电压信号与电流信号的相位差，并传输至控制器；

所述控制器用于根据接收的实时的电压有效值、电流有效值以及电压信号与电流信号的相位差对所述匹配电感的电感值进行调节。

2.根据权利要求1所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述信号发生器用于产生频率为30KHz～60KHz的驱动信号。

3.根据权利要求1所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述整流滤波电路包括相互连接的整流单元和滤波单元；所述整流单元为不控桥式整流电路，用于完整交直流转换；所述滤波单元用于抑制直流脉动和消除交流谐波。

4.根据权利要求1所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述功率逆变电路为全桥逆变电路。

5.根据权利要求1所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述匹配变压器为采用E型铁氧体磁芯的高频变压器。

6.根据权利要求1至5任一项所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述匹配电感包括多个串联的uH级别的功率电感，且每个电感的两端并联有一个继电器，所述继电器与所述控制器连接，所述控制器通过控制所述继电器的通断来操作对应电感的短路或接入。

7.根据权利要求6所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述反馈电路包括采样电路、鉴相电路和电流电压有效值转换电路；所述鉴相电路和电流电压有效值转换电路均与所述采样电路连接；所述采样电路用于采集流过所述超声波换能器的电流信号，以及采集所述超声波换能器两端的电压信号；所述电流电压有效值转换电路用于根据所述采样电路采集的电流信号和电压信号获取对应的电流有效值和电压有效值并输出至所述控制器；所述鉴相电路用于将所述采样电路采集的电压信号的相位和电流信号的相位进行相位比较并产生相位差信号输出至控制器。

8.根据权利要求1所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述超声波换能器为压电陶瓷换能器，其中压电陶瓷为PZT4或PZT8。

9.根据权利要求1所述的医用超声波电源的动态匹配网络，其特征在于，所述控制器为数字信号处理器控制器。

10.一种医用超声波电源的动态匹配方法，其特征在于，使用如权利要求1至9任一项所述的医用超声波电源的动态匹配网络进行动态匹配，包括如下步骤：

根据阻抗的定义推导出阻抗模和阻抗角：

其中，Z表示阻抗，R表示阻抗的实部——电阻，X表示阻抗的虚部——电抗；|Z|为阻抗模，表示超声波换能器两端电压有效值

与电流有效值

的比值，即

为阻抗角，表示超声波换能器两端电压信号与电流信号的相位差；

通过反馈电路获取超声波换能器两端实时电压有效值与电流有效值进而得到阻抗模；以及获取超声波换能器两端实时电压信号与电流信号的相位差进而得到阻抗角；

根据阻抗模和阻抗角，运用公式

即可得到电抗X，控制器基于电抗X的实时变化，再根据串联谐振条件X＝2πfL，求得所需匹配电感的电感值；其中，f表示***谐振频率，L表示电感值；

控制器实时根据求得的所需匹配电感的电感值对接入的匹配电感的电感值进行调节，使超声波换能器的工作过程始终处于谐振状态。

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