用于控制可变负载的超声波换能器的功率驱动电路的制作方法

专利名称：用于控制可变负载的超声波换能器的功率驱动电路的制作方法
用于控制可变负载的超声波换能器的功率驱动电路
背景技术：
本发明通常涉及超声波系统，特别地，涉及用于驱动一个用于变动负载的高功率超声波换能器的方法和电路。
超声波技术用于从珠宝的机械加工和清洗，执行外科手术到包括碳氢化合物的流体处理的各种应用中。超声波系统的基本概念包括采用换能器元件将高频电能转换成超声波频率的机械振动。典型地，这样的系统包括一个产生电信号的驱动电路，该电信号用来激励一个压电的(或磁致伸縮的)换能器组件。 一个发送元件诸如探测器连接到换能器组件，用于向目标传送机械能。
超声波换能器包括工业的和医学的共振器。工业的共振器传送高能量密度以充分地影响它们接触的材料。工业的共振器的普通应用包括塑料和不含铁的金属的焊接，清洗，坚硬材料的研磨加工，切割，化学反应(声化学)的促进，流体处理，去沫，和雾化。尽管频率的范围可以低至
10kHz高至100+kHz，而对于这样的应用通常的频率在15kHz到40kHz之
间。医学的共振器包括用于切割，分解，烧灼，刮削，空化，牙齿除锈等的设备。
一个用于工业的超声波应用的换能器组件可以称为一个工业超声波组，并可以包括一个探测器(或超声焊极，或一个触角)， 一个升压器，和一个换能器(或一个变换器)。探测器接触负载并传送功率给负载。探测器的形状依靠负载的形状和需要的收益而定。典型地，探测器由钛，铝和钢制成。升压器调节来自换能器的振动输出并传送超声波能量给探测器。升压器通常也提供一种将超声波组安装到支撑结构的方法。尽管也采用磁致伸縮材料，但是有源元件通常是压电陶瓷。
对于为了一个特定的工艺，而在一个期望的频率和功率水平驱动一个系统来说，驱动超声波探测器的现有技术已经发展完善。该公知的技术利用了一个基于一个可控硅整流器(SCR)的电力系统。典型地，SCR需要一个具有特殊的电容值的强制关断系统来控制和关断依次限制电力系统的
运行频率的SCR。 SCR系统也被限制在相当低的功率水平，这样不允许在
较高功率水平有效控制超声波探测器。这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的超声波发生器驱动超声波探测器，其中该发生器为特定负载诸如熔化钢而设计。然而，当基于SCR的超声波发生器用于一种诸如液态碳氢化合物处理的工艺，其中在该工艺中，附带的超声波探测器面对不断变化的负载条件时，该基于SCR的超声波发生器会限制在不同流体中的探测器的有效性。这个受限的有效性是因为超声波探测器受到了不同流体的载荷影响。另外，即使对于一个给定的流体，密度和状态改变的影响也能够改变超声波探测器上的载荷。
因此，需要一个高功率和可变负载的驱动电路，用于可避免基于SCR的超声波发生器的缺点的超声波发生器。

发明内容
本发明提供一种在上至20kHz的运行频率和上至60kW的功率水平下
用于驱动一个可变负载的动态的超声波探测器系统的超声波发生器。该系统采用一个全桥隔离栅双极晶体管(IGBT)系统在不同和可调的电压，频率
和电流水平下，在共振频率处驱动超声波探测器。当一个超声波探测器经历不同的负载时，功率需求改变。例如，在各种碳氢化合物的处理(例如，去硫)技术中，其中如申请人获得专利权的技术，当处理不同的流体(例如，诸如不同类型的原油，柴油等)时，超声波换能器经历了许多不同和变动的负载。申请人获得的各种己被授予专利权的碳氢化合物的处理技术披露在USP6,827,844; 6，500,219禾B 6,402,939中，它们的公开文本以引用的方式并入此文。通过采用依照本发明实施例的一种系统，如基于全桥IGBT的系统，可以控制需要的变量如频率，电压和电流来有效地管理用于变动负载的超声波探测器的性能。典型地变动负载包括不同的可压縮和不可压缩的碳氢化合物流体。
在一个方面，本发明的实施例涉及一个用于传送高功率超声波能量给变动负载的高功率(例如，>500W)的超声波发生器。在一个实施例中，超声波发生器包括一个可变频率的三角波发生器，其耦合到一个脉冲宽度
5调节器。该脉冲宽度调节器的输出端耦合到IGBT的栅极，其放大信号并把该信号传送给一个用于驱动磁致伸縮换能器的线圈。在一个实施例中，传
送信号后，0-600VDC的高电压传送给IGBT的集电极和发射极。于是，IGBT的输出是具有+A600V的电压的方波。这个电压被送到缠绕在超声波换能器上的一个线圈上。该电压在换能器上建立了一个磁场，而作为该磁场的一个结果，换能器的磁致伸縮属性促使换能器振动。IGBT作为放大设备使用避免了需要SCR电路，其中该SCR电路典型地使用在低功率超声波换能器中，并且其会在这样一个高功率和变动负载的应用中变得过热并失效。
为了更进一步地了解本发明的特性和优点，将结合附图参考下面的描述。


图1是显示依照本发明一个实施例的具有并联共振磁致伸縮换能器的全桥IGBT电路模型的简化电路图。
图2显示了两个脉冲序列，其相互反向并且相位相差180度，以驱动图1的磁致伸缩超声波换能器的扩展和收縮。
图3是一个有椭圆形窗口的磁致伸缩换能器的一个侧视图的简化图。
图4是实现图1的全桥IGBT驱动电路的系统的简化电路图，其中，依照本发明的一个实施例， 一个微处理器输出一个与压控振荡器(VCO)的运行频率相应的电压。
图5是图4的功率驱动电路产生的示例的输出功率波形的曲线图。
具体实施例方式
早于本发明的超声波发生器，现有技术的超声波发生器依靠的是可控硅整流器(SCR)技术。在这些发生器中，通过一个超声波探测器的SCR脉冲电流的频率大概是17.5kHz。在这样快速的开关频率下，SCR很容易变得过热和失效。为了解决过热的问题，SCR需要一个强制的关断系统，在电力电子领域公知为"强制换向"。这就意味着当一个信号传送给系统来导通SCR时，当该信号被关断之后其仍然保持一段特定的时间。通过强制换向也可能使SCR关断地更快。这样的强制换向用于比17.5kHz更快的开
6关频率。通常由于这样的处理，SCR被削弱和失效。SCR系统的另一个问
题是需要一个特定的电容器配置以使强制换向发生。这些附加的电容器的结果是功率的严重损耗。于此，发明人改进的超声波发生器需要一个很小
数量的电容，因此，比普通的基于SCR的系统更加可靠。例如，在此发明人比较了新颖的基于IGBT的发生器和使用现有SCR技术的发生器，指出虽然用于超声波探测器的基于SCR的系统需要大约3800瓦的总输入，而根据本发明的实施例的超声波发生器通过超声波探测器仅用了 2800瓦就产生了更好结果。除了比普通的使用的SCR的系统更有效外，发生器中的元件，也就是IGBT，比SCR更低廉且更易于获得。
根据本发明实施例的超声波发生器使用的是IGBT而不是SCR。 IGBT作为一个放大器来放大发送至IGBT栅极的脉冲信号。发送至IGBT栅极的脉冲是由一个可变脉冲宽度发生器建立的。在一个实施例中，这个脉冲宽度发生器采用一个可变频率的三角波发生器，该三角波发生器的信号被发送到一个具有可变参考电压的比较电路。结果是通过调节比较电路中的参考电压，改变脉冲宽度。该发生器的这部分(例如，可变脉冲宽度发生器)有时和IGBT —起使用来控制交流马达。可变频率/脉冲宽度信号被发送至IGBT的栅极以被放大。该信号被传送之后可变电压(例如，在0-600VDC的范围内)被传送至IGBT的集电极和发射极。因而，IGBT的输出是一个具有+/—600￥电压的方波波形。这个电压被发送至一个缠绕在超声波换能器上的线圈上。该电压在换能器上产生一个磁场，而作为该磁场的一个结果，换能器的磁致伸縮属性促使换能器振动。
依照本发明实施例的用于超声波换能器的功率驱动电路代表了现有的用于超声波换能器的驱动电路的一个创新。在这个电路中，功率元件包括在一个全桥功率结构中匹配的IGBT。这里使用的全桥包括两个半桥推挽式
放大器。每一个半桥由一个不对称矩形脉冲序列驱动。驱动全桥的两个脉冲序列的相位相差180度，并彼此反向。驱动每一个半桥部分的脉冲的对称性(例如，正脉冲和负脉冲分量的百分比)可以构造用于任何预期的超声波输出功率。
下面更进一步地详细描述依据本发明的实施例的基于IGBT的驱动电路。IGBT电路包括以下主要元件，即 一个直流电源； 一个IGBT; —个栅极驱动电路；和一个闭环电流感测电路。下面对这些元件中的每一个进
行更进一步地详细描述。
直流电源
这里使用的直流电源可以是将标准的(如，60Hz)的交流电压整流和过滤成一个直流电压的任何电源。通常，这个功率转换通过使用半导体开关元件或其它此类元件增加行频来完成的。随后，使用一个电容器箱和/或一个直流扼流圈来整流和过滤高频交流以除去交流波纹。直流电源需要足够的功率来运行超声波探测器可能碰到的最大负载。典型地，上至0-600V的直流电压适于50A的额定电流从而给出30kW的最大功率。然而考虑到IGBT的最大电压等级典型地是1200V，可以使用更大的系统产生上至1200V的电压。
理想地，直流电源通过一个大容量的极性电容器箱连接到IGBT以减小由于非常高的运行频率和高电压引起的开关尖峰。直流电容器设定为足以处理系统中的最大电压和可能出现的任意电压尖峰。
直流电源优选地具有一个可变电压控制装置，以允许在不同负载条件期间调节电压。如果需要的话，电压调节也允许有机会在较低功率水平下运行超声波换能器。在一个实施例中，电压调节可以是一个具有手动接口的简单的分压器设计。作为选择，电压调节可以通过一个用于传感器电路的模拟电压或电流来完成，也可以通过一个数字程序接口来完成。同样，对于电源优选地具有一个最大限流控制装置，其能避免系统过载。
隔离栅双极晶体管
IGBT用于把一个直流电压转换成一个脉冲调制的双极矩形波形。IGBT最常用于可变频率驱动中的马达控制。IGBT的运行与大多数的其它晶体管相似，其中一个母线电压施加在集电极和发射极，而一个信号加在它的栅极。于是，直流母线在施加的母线电压和频率以及栅极信号的占空因数处被脉冲调制。
诸如在申请人的技术中现有的且和磁致伸缩换能器一起使用的IGBT，能根据换能器上的负载确定尺寸。在IGBT开关期间，因为磁致伸縮的负载是高电感的，因此存在大的电流尖峰。这样，为了这些电流尖峰，采用的
IGBT通常是显著高过额定值。例如， 一个典型的磁致伸縮换能器可能需要9-10安培的RMS。然而，开关时仅仅1-2微秒电流尖峰可能高达300安培。因此，用于此种类型运行的合适的IGBT应该具有300A的额定电流和600A的额定峰值电流。IGBT栅极驱动电路
IGBT成功运行的一个重要方面是它的栅极的合适的驱动。马达控制中使用的用于控制IGBT的栅极的常用方法是不足以用来运行用在磁致伸縮超声波探测器中的IGBT的。通常， 一个马达控制栅极驱动电路试图模拟一个类似于墙上插座中标准的50/60Hz的交流的交变电流。因此，在很高频率时IGBT被脉冲调制具有一个变动的占空因数。在低的占空因数处(例如，10%)时，有一个小的电流，而随着占空因数的增大电流也增大。当驱动一个用于和超声波探测器一起使用的IGBT时，为了成功的运行，要存在一个直流偏压。通过改变如图2所示的不同的IGBT的栅极的占空因数，可以直接地控制全桥系统中的直流偏压的值。直流偏压的值将随着脉沖序列A的更高的占空因数而增大，并相应地依次会降低脉冲序列B的占空因数，从而这两个不同的脉冲不会在同一时间都高。
为了产生这种类型的栅极驱动，采用了一个波形发生器。这个波形发生器可以是能改变产生的波形的频率和/或占空因数的任意标准的波形发生器。在栅极驱动电路的一个实施例中，采用了一个三角波发生器。例如，由一个8038三角波发生器产生一个三角波形。S038芯片允许同相位和正交IGBT控制波形的脉冲宽度控制，其会对全桥IGBT电路的功率管理产生影响。在一个实施例中，驱动电路采用具有可变频率控制装置以及可变脉冲宽度控制装置的该电路。三角波被发送到两个LF353比较器，其将一个预置电压与正三角波和负三角波比较以产生用于全桥IGBT电路的发生器的同相位和正交的控制波形。产生用于全桥IGBT电路的正交控制波形，使得当正三角波大于预置电压时，产生一个脉冲宽度可控的矩形波，当负三角波小于预置电压时，产生一个正交控制矩形波。在一个备选实施例中，功率驱动电路采用Global Specialties 2MHz波形发生器。这个波形发生器也可以
9采用具有正负比较器的基本的S038三角波发生器。
图1是一个显示依照本发明的一个实施例具有并联共振的磁致伸缩换
能器的全桥IGBT电路模型的简化电路图。如图l所示，Ql， Q2， Q3， Q4是4个IGBT，它们组成了图示的全桥电路。Dl， D2， D3， D4是四个保护二极管，它们防止有破坏性的反向电流通过IGBT。 Ll和L2是由全桥电路驱动的磁致伸縮换能器的绕组的电感。在图1的全桥电路图中仅仅显示了一个绕组。Cl是一个并联电容，它允许磁致伸縮共振运行。然而，实际上，因为小的器件的寄生电容允许磁致伸縮换能器在15KHz到20KHz的共振范围内运行，这个电容器可以省去。
运行时，全桥电路由如图2所示的栅极驱动脉冲序列A和B驱动。第一脉冲序列(序列A)施加在IGBT Ql和Q4的栅极而第二脉冲序列(序列B)施加在IGBT Q2和Q3的栅极。
如图2所示，这两个脉冲序列是相互反向的且相位相差180度，以驱动磁致伸缩超声波换能器的扩展和收縮。这些信号通过光耦合器栅极驱动器与IGBT栅极光隔离。当集电极到发射极的电压太高时，其它IGBT驱动器保护电路限制栅极电压并中断该信号。栅极驱动电路还包括一个提供几个安培驱动电流的缓冲放大器。
图3是一个有椭圆形窗口的磁致伸缩换能器的一个侧视图的简化图。图3所示的是驱动超声波磁致伸缩换能器的两个绕组。这些绕组在运行的最佳频率处由IGBT电源并联驱动。全桥的第一个输出端连接到Ql和Q3上的每个半桥的中间抽头上。全桥的第二个输出端连接到半桥Q2和Q4的中间抽头的输出端。对于这种功率脉冲结构，通过磁致伸縮环行圆圈的磁通量是同相位的。对于图3所示的结构，两个绕组是反指向的。
在运行时，图1-3的电路能提供一个驱动超声波换能器的新方法。驱动超声波换能器的全桥法如图1， 2禾B3所示。全桥IGBT系统的两个半桥电路各自驱动换能器磁致伸縮材料到一个收縮状态(负脉冲)和扩展状态
(正脉冲)。设计的全桥中的没有显示在图1中的其它安全元件是输入端缓冲电容器，其通过直流电源输入端连接到图1所示的两个半桥IGBT电路中。在图1的电路中，IGBT是为15KHz到20KHz的低频区域选择的固态器件。可选择地是，在200KHz到300KHz的区域内，对于超声波化学处理来说，可以采用Mosfet器件。
因为IGBT依靠矩形功率脉冲，电感器中的快速电流变化产生会引起电压尖峰的L*dI/dT。高电压尖峰的问题需要IGBT在共振换能器电路中具有高于平均运行电压的高电压容量。虽然全桥并联共振驱动器与SCR驱动超声波换能器相比具有更大的功率效率，但是它会产生尖峰，而基于SCR的系统不会产生电压尖峰。这是因为SCR仅在正的状态被有源触发而在换向模式关断，其中换能器在换向模式共振。
图4是实现图1的全桥IGBT驱动电路的一个系统的简化电路图，其中，依照本发明的一个实施例， 一个微处理器输出一个与压控振荡器(VCO)的运行频率相应的电压。微处理器扫描运行频率的范围并通过连接到直流功率发生器的串行端口以安培的形式记录到达超声波换能器的相应的RMS电流。每一步扫描完频率的范围(例如，从16KHz至lj 18KHz)和记录完功率电流后，微处理器选择与最大功率相应的电压并锁定该运行频率值。在分批处理反应器中该优化进程发生在每一个分批循环的初期。运行频率设定后，通过增大或减小脉冲序列的占空因数，会将峰值共振电压设在低于IGBT击穿电压的一点。
运行时，图4的电路给出了一种控制超声波磁致伸縮换能器的运行频率的新方法，以适应磁致伸缩材料性能的改变，和适应超声波电抗器中温度的改变。这个控制方案采用了一个具有D/A和A/D性能的微处理器。在另一个实施例中，采用一个可编程逻辑控制器(PLC)代替微处理器。微处理器或控制器对最大电压，或峰值包络，电压进行采样(通过A/D端口)。微处理器采用峰值包络电压来控制平均驱动功率脉冲宽度。为了使电压尖峰不超过IGBT的限制的击穿电压，限制图2中的正脉冲序列和负脉冲序列的接通时间。为了设置共振换能器的频率，通过直流功率发生器的串行端口，由微处理器或PLC的串行端口读取平均直流输入电流。在一个实施例中，当扫描运行频率时，读取偏转换能器或无源磁致伸縮元件的最大RMS电流以优化超声波振动频率。优选地，微处理器或控制器通过增加压控振荡器的输出电压(通过d/a端口)扫描从16KHz到18KHz的运行频率的范围。在每一个扫描频率，通过串行端口以安培的形式传感并记录下RMS电流。设置完运行频率后，增大或减小脉冲宽度以使共振电压不超过
IGBT的击穿电压。
图5是根据本发明实施例的功率驱动电路产生的示例的输出功率波形的曲线图500。方波502表示从0到400伏，其是从微处理器控制的直流电压源引出的。通过全桥功率电路的每一侧引出+200和一200伏。较低的波形504显示的是总的有功和无功电流波形。电流波形的无功分量可由等式V二l^di/dt得出，其中L是缠绕在环形磁致伸縮的磁体上的双线圈的电感。引出的总的RMS电流是20安培。这个电流可提供大约4K瓦的总的有功功率。该波形显示了 0到60安培的电流。无功电流引起无功功率，其通常用于保持磁致伸縮的层压铁芯和换能器基部以及外套尖端的振动。涡流损耗引起铁芯中的损耗。对于由500个千分之4英寸厚的叠片组成的2英寸厚的铁芯，总损耗大约是300瓦，其是以热的形式损耗掉的。换能器的基部和外套的尖端所需的实际损耗用于克服基部和外套的尖端的重力和机械损耗，以及热损耗。
在一个实施例中，压控振荡器是基于一个8038芯片的，其产生一个具有正的和负的矩形分量的全周期方波。将全周期波通入采用两个快速LF353芯片实现的正的和负的带电运算放大器，压控振荡器的输出被分为如图2所示的两个正的和负的脉冲序列。反向和非反向放大器将峰值正脉冲电压和负脉冲电压升高到4个IGBT需要的15伏。可选择地是，易于通过RS232端口由计算机控制的商业的波形发生器能够代替VCO用在功率优化方案中。
在一个备选实施例中，没有采用VCO。 一个霍尔效应传感器代替VCO来探测正的和负的过零点电流的交点。在正电流的交点， 一个正脉冲送到图1禾口 4中的Ql和Q4的基极，在负的过零点电流的交点， 一个负脉冲送至廿IGBTQ2禾卩Q3白勺基极。
本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明本质特征的情况下，可以预见依照本发明实施例的用于驱动一个高功率和可变负载的超声波换能器的其它等同的或替代的方法和电路。例如，IGBT的栅极可以由如上描述的任意合适的波形发生装置或系统产生的一个脉冲序列驱动。因此，前面 的披露意在示例，而不是限制本发明的范围，在后面的权利要求书中阐述 本发明的范围。
权利要求
1. 一种用于传送高功率超声波能量到变动负载的超声波发生器，包括可变频率的波形发生器；耦合到所述波形发生器的脉冲宽度调节器，用于提供输出信号；隔离栅双极晶体管IGBT，具有耦合到所述脉冲宽度调节器的输出端的栅极；耦合到所述IGBT的集电极和发射极的电压源；所述IGBT用于放大来自所述脉冲宽度调节器的输出信号以产生放大信号；和具有用于接收所述放大信号的线圈的磁致伸缩换能器，以便传送高功率超声波能量给所述变动负载。
2. 如权利要求1所述的超声波发生器，其特征在于，所述可变频率的波形发生器传送三角波形。
3. 如权利要求1所述的超声波发生器，其特征在于，所述IGBT是全桥功率结构中的匹配的两个半桥IGBT的一半的一部分。
4. 如权利要求3所述的超声波发生器，其特征在于，所述匹配的IGBT的每一半的每一个栅极用于接收脉冲序列信号，并且其中两个脉冲序列信号的相位相差180度并彼此反向。
5. 如权利要求1所述的超声波发生器，其特征在于，所述电压源是可变电压调节直流电源。
6. 如权利要求1所述的超声波发生器，进一步包括微处理器，用于扫描运行频率范围和通过它连接到所述电压源的串行端口以安培的形式记录到换能器的相应的RMS电流；禾口连接到所述微处理器的压控振荡器，其中所述微处理器输出与所述压控振荡器的运行频率相应的电压，其中，每一步扫描频率范围和记录功率电流后，所述微处理器选择与最大功率相应的电压并为所述换能器锁定运行频率值。
7. —种用于传送高功率超声波能量给作用于变动负载的超声波换能器的超声波换能器驱动电路，包括可变频率的波形发生器；隔离栅双极晶体管IGBT，具有耦合到所述波形发生器的输出端的栅极，耦合到所述IGBT的集电极和发射极的电压源；所述IGBT用于放大来自所述脉冲宽度调节器的输出信号以产生放大信号；和用于磁致伸縮换能器的线圈，用于接收所述放大信号，以便传送高功率超声波能量给所述变动负载。
8. 如权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，所述IGBT是全桥功率结构中的匹配的两个半桥IGBT的一半的一部分。
9. 如权利要求8所述的驱动电路，其中所述匹配的IGBT的每一半的每一个栅极用于接收脉冲序列信号，并且其中两个脉冲序列信号的相位相差180度并彼此反向。
10. 如权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，所述电压源是可变电压调节直流电源。
11. 如权利要求7所述的驱动电路，进一步包括微处理器，用于扫描运行频率范围和通过它连接到所述电源的串行端口以安培的形式记录到换能器的相应的RMS电流；和连接到所述微处理器的压控振荡器，其中所述微处理器输出与所述压控振荡器的运行频率相应的电压，其中，每一步扫描频率的范围和记录功率电流后，所述微处理器选择与最大功率相应的电压并为所述换能器锁定运行频率值。
全文摘要
本发明涉及一个高功率(例如，＞500W)的超声波发生器，其特别适用于传送高功率超声波能量给包括可压缩的流体的一个变动负载。发生器包括一个耦合到脉冲宽度调节器的可变频率的三角波发生器。脉冲宽度调节器的输出端耦合到一个隔离栅双极晶体管(IGBT)的栅极，其放大信号并将该信号传送给一个用来驱动一个磁致伸缩换能器的线圈。在一个实施例中，信号传送后，0-600VDC的高电压加在IGBT的集电极和发射极。IGBT的输出是一个具有+/-600V电压的方波。该电压被送到缠绕在超声波换能器的一个线圈上。该电压在换能器上建立一个磁场，作为磁场的一个结果，换能器的磁致伸缩特性促使换能器振动。IGBT作为放大装置的使用避免了可控硅整流器(SCR)电路的需要，其中可控硅整流器电路典型地用在低功率超声波换能器中，并且其会在这样一个高功率和变动负载的应用中变得过热并失效。
文档编号H01L41/06GK101548402SQ200680006259
公开日2009年9月30日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年2月28日
发明者C·I·理查曼, J·梅, R·W·格纳曼 申请人:塞尔富可股份有限公司