超声波电源电路及超声波清洗设备的制作方法

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种超声波电源电路以及应用该超声波电源电路的超声波清洗设备。

背景技术：

超声波能够通过“空化”作用高效地清洁物件的表面，从而使得超声波清洗技术在工业领域得到广泛的应用。所谓“空化”，即指存在于液体中的微小气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。空化气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流。近年来，超声波清洗技术逐渐进入了民用市场，例如超声波美容仪、超声波洗菜机、超声波洗碗机等等。

目前，在超声波清洗产品中，如果需要清洗比较大的物件表面，超声波清洗通常需要比较大的功率输出，从几十瓦到几千瓦不等。传统的实现方法是将市电交流220V整流之后通过自激或他激振荡的方式升压成高压交流电源，驱动一个或多个压电陶瓷片或压电陶瓷振子，通过压电陶瓷的机电换能转化成超声波输出，然后传递到水体，通过“空化”作用清洗物件表面。然而，传统的采用自激或他激振荡的方式的超声波电源的设备往往稳定性差，使用寿命短。

技术实现要素：

基于此，有必要针对如何提高设备的稳定性、如何提高使用寿命等技术问题，提供一种超声波电源电路以及应用该超声波电源电路的超声波清洗设备。

一种超声波电源电路，包括：输入端、整流模块、变压模块、超声波换能模块、容性消除模块、所述脉冲宽度调制信号发生模块、两图腾柱驱动模块、滤波模块以及两开关管电路模块；

所述输入端与整流模块连接，所述变压模块分别与所述整流模块、两开关 管电路模块以及超声波换能模块连接，每一所述图腾柱驱动模块分别与一开关管电路模块一一对应连接，两所述图腾柱驱动模块分别与所述脉冲宽度调制信号发生模块连接，所述容性消除模块与所述超声波换能模块连接，所述变压模块还通过所述滤波模块接地。

在其中一个实施例中，所述变压模块包括推挽式变压器，所述整流模块以及所述开关管电路模块分别连接于所述推挽式变压器的原边，所述超声波换能模块连接于所述推挽式变压器的副边。

在其中一个实施例中，所述开关管电路模块包括金属氧化物半导体场效应晶体管，所述金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接至所述推挽式变压器的原边，栅极连接至一所述图腾柱驱动模块，源极连接至所述脉冲宽度调制信号发生模块。

在其中一个实施例中，所述开关管电路模块包括绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的漏极连接至所述推挽式变压器的原边，栅极连接至一所述图腾柱驱动模块，源极连接至所述脉冲宽度调制信号发生模块。

在其中一个实施例中，所述容性消除模块包括耦合电感，所述耦合电感连接至所述推挽式变压器的副边，且与所述超声波换能模块并联。

在其中一个实施例中，所述耦合电感为自感系数可调型耦合电感。

在其中一个实施例中，所述超声波换能模块包括压电陶瓷片，所述压电陶瓷片两端连接至所述推挽式变压器的副边。

在其中一个实施例中，所述图腾柱驱动模块包括PNP型晶体管和NPN型晶体管，所述PNP型晶体管的集电极用于连接供电电压，基极连接至所述脉冲宽度调制信号发生模块，发射极连接至所述开关管电路模块，所述NPN型晶体管的集电极连接至所述开关管电路模块，基极连接至所述PNP型晶体管的基极，发射极接地。

在其中一个实施例中，所述脉冲宽度调制信号发生模块包括固定频率脉宽调制电路。

一种超声波清洗设备，具有如上所述的超声波电源电路。

上述超声波电源电路及超声波清洗设备，通过脉冲宽度调制信号发生模块 产生两路反相的脉冲宽度调制信号，每一脉冲宽度调制信号经由图腾柱驱动模块及开关管电路模块后，输出至变压模块，由变压模块驱动超声波换能模块工作产生超声波，实现了零电压开关技术，大幅度减小超声波电源中发热量，延长电路的寿命，同时减少噪声和电磁干扰。

附图说明

图1为一个实施例中超声波电源电路的电路模块示意图；

图2为一个实施例中超声波电源电路的电路结构示意图；

图3为一个实施例中开关管的零电压开关实测曲线示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

值得一提的是，PWM是指Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制信号。DSP是指Digital Signal Processing，即数字信号处理。MOS是指Metal Oxide Semiconductor，即金属氧化物半导体场效应晶体管。IGBT是指Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管。

请参阅图1，其为一个实施例中超声波电源电路10的电路模块示意图，超声波电源电路10包括输入端101、整流模块102、变压模块103、超声波换能模块104、容性消除模块105、脉冲宽度调制信号发生模块106、两图腾柱驱动模块107、两开关管电路模块108以及滤波模块109。

输入端101与整流模块102连接，变压模块103分别与整流模块102、两开关管电路模块以及超声波换能模块104连接，每一图腾柱驱动模块107分别与一开关管电路模块连接，两图腾柱驱动模块107分别与脉冲宽度调制信号发生模块106连接，容性消除模块105与超声波换能模块104连接，变压模块103 还通过滤波模块109接地。

输入端101用于输入交流电，整流模块102用于整流由输入端101输入的交流电并输出至变压模块103，脉冲宽度调制信号发生模块106用于产生两反相的脉冲宽度调制信号，每一图腾柱驱动模块107用于接收一脉冲宽度调制信号并驱动输出至一开关管电路模块108，两开关管电路模块108用于分别连接至变压模块103，变压模块103将脉冲宽度调制信号升压后驱动超声波换能模块104，容性消除模块105用于消除超声波换能模块104的容性电流。

进一步的，图腾柱驱动模块107包括第一图腾柱驱动模块1071和第二图腾柱驱动模块1072。开关管电路模块108包括第一开关管电路模块1081以及第二开关管电路模块1082。

输入端101与整流模块102连接，输入端101用于输入交流电并经整流模块102整流输出。变压模块103分别与整流模块102、第一开关管电路模块1081、第二开关管电路模块1082以及超声波换能模块104连接。脉冲宽度调制信号106发生模块通过第一图腾柱驱动模块1071与第一开关管电路模块1081连接，通过第二图腾柱驱动模块1072与第二开关管电路模块1082连接，容性消除模块105与超声波换能模块104连接。

脉冲宽度调制信号106发生模块用于产生两反相的第一脉冲宽度调制信号106和第二脉冲宽度调制信号106。第一图腾柱驱动模块1071用于放大第一脉冲宽度调制信号106并驱动第一开关管电路模块1081，且由第一开关管电路模块1081输出至变压模块103。第二图腾柱驱动模块1072用于放大第二脉冲宽度调制信号106并驱动第二开关管电路模块1082，且由第二开关管电路模块1082输出至变压模块103。

变压模块103用于将由整流模块102、第一开关管电路模块1081以及第二开关管电路模块1082的输入升压后驱动超声波换能模块104。容性消除模块105用于消除超声波换能模块104的容性电流。

上述超声波电源电路，通过脉冲宽度调制信号发生模块产生两路反相的脉冲宽度调制信号，每一脉冲宽度调制信号经由图腾柱驱动模块及开关管电路模块后，输出至变压模块，由变压模块驱动超声波换能模块工作产生超声波，实 现了零电压开关技术，大幅度减小超声波电源中发热量，延长电路的寿命，同时减少噪声和电磁干扰。

进一步的，滤波模块109用于过滤整流后的电路中存在的高频电流。在一实施例中，滤波模块109为滤波电容。

进一步的，变压模块包括推挽式变压器，整流模块以及两开关管电路模块分别连接于推挽式变压器的原边，超声波换能模块连接于推挽式变压器的副边。推挽式变压器将脉冲宽度调制信号升压后驱动超声波换能模块。

进一步的，开关管电路模块包括金属氧化物半导体场效应晶体管，金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接至推挽式变压器的原边，栅极连接至一图腾柱驱动模块，源极连接至脉冲宽度调制信号发生模块。

进一步的，开关管电路模块包括绝缘栅双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管的漏极连接至推挽式变压器的原边，栅极连接至一图腾柱驱动模块，源极连接至脉冲宽度调制信号发生模块。

进一步的，容性消除模块包括耦合电感，耦合电感连接至推挽式变压器的副边，且与超声波换能模块并联。由于压电陶瓷片属于容性器件，需要串联或并联一个耦合电感消除容性。但串联电感会使得压电陶瓷片的串联谐振频率发生比较大的变动，故此处采用并联电感。

进一步的，耦合电感为自感系数可调型耦合电感。由于压电陶瓷片的参数有一定的误差范围，所以并联的耦合电感为可调式的耦合电感，本实施例中的耦合电感带14个抽头，可满足实际调整需要。

进一步的，超声波换能模块包括压电陶瓷片，压电陶瓷片两端连接至推挽式变压器的副边。可以理解，采用推挽结构，免去了全桥/半桥结构中的MOS/IGBT的自举驱动器，由两路反相PWM1，PWM2信号透过图腾柱直接驱动MOS/IGBT。MOS/IGBT输出到推挽升压变压器，隔离驱动压电陶瓷片。

进一步的，图腾柱驱动模块包括PNP型晶体管和NPN型晶体管，PNP型晶体管的集电极用于连接供电电压，基极连接至脉冲宽度调制信号发生模块，发射极连接至开关管电路模块，NPN型晶体管的集电极连接至开关管电路模块，基极连接至PNP型晶体管的基极，发射极接地。

进一步的，脉冲宽度调制信号发生模块包括固定频率脉宽调制电路。进一步的，脉冲宽度调制信号发生模块包括数字信号处理器。固定频率脉宽调制电路或者数字信号处理器均用于产生两路反相的PWM信号。可以理解，两路反相的PWM信号可由硬件电路产生，或由DSP处理器输出产生。PWM信号的频率设置为40KHz，可由一个可调电阻器进行频率微调，其占空比可由阻容设置或软件设定。

请参阅图2，其为一个实施例中超声波电源电路的电路结构示意图，本实施例中，以频率微调实现ZVS(Zero Voltage Switch，零电压开关)开关的120瓦超声波电源电路为例，采用TL494芯片输出两路PWM1和PWM2，频率由一个2kohm的可调电阻器进行调整。同时，根据本实施例的功率需要，采用了MOS管作为开关管。

该电路结构包括：零线输入端N、火线输入端L，全桥整流器D1，电容C4、电容C5、开关管MOS1、开关管MOS2、变压器T1、耦合电感L1、压电陶瓷片CE，电阻R2、电阻R3、滑动变阻器R4、晶体管Q1～Q4、芯片U1。

芯片U1具有16个引脚，其中引脚13与14相连接，引脚12、8以及11连接至供电电压VCC。引脚9和10分别为PWM信号输出引脚。引脚7接地。引脚6通过电阻R3和滑动变阻器R4接地。引脚6通过电容C5接地。

火线输入端L连接至全桥整流器D1的交流输入端1，零线输入端N连接至全桥整流器D1的交流输入端2。全桥整流器D1的直流输出端2与变压器T1连接，全桥整流器D1的直流输出端4接地。

变压器T1的原边的两端分别与开关管MOS1和开关管MOS2的漏极连接。变压器T1的原边还通过电容C4接地。变压器T1的副边与压电陶瓷片CE连接，耦合电感L1与压电陶瓷片CE并联。

开关管MOS1的栅极与晶体管Q1的发射极连接，源极连接至芯片U1的引脚4。开关管MOS2的栅极与晶体管Q3的发射极连接，源极连接至芯片U1的引脚4且通过电阻R2接地。

晶体管Q1的基极与芯片U1的引脚10连接，集电极连接至供电电压VCC。晶体管Q2的基极与晶体管Q1的基极连接，发射极与晶体管Q1的发射极连接， 集电极接地。晶体管Q3的基极与芯片U1的引脚9连接，集电极连接至供电电压VCC。晶体管Q4的基极与晶体管Q3的基极连接，发射极与晶体管Q3的发射极连接，集电极接地。本实施例中，晶体管Q1和Q3为PNP型晶体管，晶体管Q2和Q4为NPN型晶体管。

例如，一种超声波清洗设备，其具有上述任一实施例所述超声波电源电路；又如，一种超声波洗菜机，其具有上述任一实施例所述超声波电源电路；上述实施例是针对120瓦的超声波洗菜机。该设备由AC220V的50Hz的市电供电，输出峰峰值为600V的40KHz的交流高压，驱动六个并联的压电陶瓷片工作。本实施例中，压电陶瓷片通过胶粘在一个不锈钢的盆子底下，工作时发出超声波到盆里的水体中，利用“空化”作用洗涤盆里放置的蔬菜或其它物件。

本实施例中采用推挽结构，免去了全桥/半桥结构中的MOS/IGBT的自举驱动器，由两路反相PWM1，PWM2信号透过图腾柱直接驱动MOS/IGBT。MOS/IGBT输出到推挽升压变压器，隔离驱动压电陶瓷片，根据本实施方式的功率需要，采用了MOS管作为开关管。

由于压电陶瓷片属于容性器件，需要串联或并联一个耦合电感消除容性。但串联电感会使得压电陶瓷片的串联谐振频率发生比较大的变动，故此处采用并联电感。由于压电陶瓷片的参数有一定的误差范围，所以并联电感为可调式的，本实施例中的耦合电感带14个抽头，可满足实际调整需要。

两路反相的PWM信号可由硬件电路产生，或由DSP输出产生。PWM信号的频率设置为40KHz，可由一个可调电阻器进行频率微调，其占空比可由阻容设置或软件设定。本实施例中采用TL494芯片输出两路PWM1和PWM2，频率由一个2kohm的可调电阻器进行调整。

推挽式结构工作时始终保持两个变压器输入端反相，当一端输入脉冲导通时，该端对应的MOS管的漏极或IGBT的集电极变为低电平，变压器绕组开始充电并经过次级输出绕组给耦合电感和压电陶瓷的静态电容充电；脉冲关闭时两个输入绕组处于自由振荡方式，此时耦合电感和压电陶瓷片的静态电容产生谐振，使得输入绕组两端电压开始变化；同时压电陶瓷片的换能器开始谐振工作。

如果耦合电感和压电陶瓷片刚好谐振在PWM的频率点上，则在变压器输入端形成一个ZVS开关状态：输入端电压曲线爬升到最高点之后，另一个变压器输入端导通后关闭，此时前一个输入端的电压将曲线下降到零点电压，然后进入下一个周期循环。

然而实际上由于压电陶瓷片和耦合电感的制作工艺总是存在一定误差范围，所以耦合电感和压电陶瓷片的谐振频率总是偏离PWM的频率点。由此导致变压器输入端的电压在PWM导通时，并不位于零点，此时会导致MOS/IGBT产生大量的开关损耗，温升加大，严重时会烧毁MOS管。因此需要调整PWM的输出频率，使之靠近耦合电感和压电陶瓷片的谐振频率。调整PWM频率，以保证零电压时间足够充分为准。

还需注意的是，当调整PWM的输出频率满足零电压开关时，如果此时的PWM的频率超出了压电陶瓷片的允许工作频率范围，超声波换能器极容易被烧毁，所以应微调耦合电感，使谐振频率回到正常频率范围：如果PWM频率偏低，则调小耦合电感；如果PWM频率偏高，则调大耦合电感。每次调整完耦合电感，需要重新校对PWM输出频率是否满足零电压开关，使之尽量贴近耦合电感和压电陶瓷片的谐振频率。

本实施例中经过频率调整和耦合电感调整之后，MOS管的温升实测为15度左右，输出超声波频率在40.6KHz，满足了正常运行需要。如图3所示，其为一个MOS管的零电压开关实测曲线，其中1+对应的曲线表示一路PWM信号，2+对应的曲线表示MOS管的漏极电压的变化。

本实用新型的优点在于：通过零电压开关技术，大幅度减小超声波电源中MOS/IGBT的发热，延长其寿命，同时减少噪声和电磁干扰。微调PWM频率和压电陶瓷的耦合电感，保证压电陶瓷的工作频率和寿命；微调PWM频率，使得超声波电源与压电陶瓷配合更紧密，减小不必要的能量浪费；采用推挽结构，可减少高压自举电路，只需要两个MOS/IGBT，成本更优。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。