UC3875在超声电源功率控制系统中的应用

利用超声波电源切割复合材料时，为了保证换能器的输出振幅恒定，要求超声波发生器具有功率自调节功能；同时，为了切割不同的纤维材料，还要求振幅具有可调功能；这些都要求超声波发生器带有功率输出控制系统，在这个系统中，需控制的参量一般是换能器的电流值，而换能器电流值的恒定，则要通过控制换能器两端的电压来实现。本文通过全桥移相的移相角来改变正弦波的幅值，从而改变换能器两端的电压以达到控制换能器电流的目的。
1　输出功率控制系统
图１所示是一个超声电源功率控制系统的结构框图。其中的移相脉冲产生电路在用全桥式逆变电路作主回路时，需要产生如图２所示的电压波形来驱动ＩＧＢＴ。为了防止桥臂直通，要求同一桥臂的上下两个开关管（Ｔ１Ｔ２和Ｔ３Ｔ４）应具有延时互锁导通功能。一般延时互锁导通时间ｔｄ是固定的（大约一两个微秒），同时不同桥臂的上下两个开关管的导通应具有可以改变的延时（即移相角），此外还要求控制电路的波形能够满足ｔΦ。移相控制专用芯片ＵＣ３８７５完全能够完成上述功能。

2　功率控制系统中ＵＣ３８７５的应用
ＵＣ３８７５是美国Ｕｎｉｔｒｏｄｅ公司针对移相控制方案推出的专用芯片，其内部结构如图３所示。

2.1 工作频率设计
本电源工作频率设计为２０ｋＨｚ±５００Ｈｚ。当ＵＣ３８７５同步端的时钟频率高于其固有频率时，ＵＣ３８７５的工作频率等于外加到同步端的时钟频率；当ＵＣ３８７５同步端的时钟频率低于其固有频率时，ＵＣ３８７５的工作频率是其本身的固有频率。因此，本设计利用这一特点将压控振荡器的输出加到ＵＣ３８７５的同步端１７脚上；为了防止ＵＣ３８７５的工作频率太低而使高频变压器饱和，笔者将ＵＣ３８７５的固有频率设计在１９ｋＨｚ左右。此时取ＣＦ为０．１μＦＲＦ为２．１ｋΩ。图４所示是ＵＣ３８７５在功率控制系统中的应用电路。

2.1 工作频率设计
本电源工作频率设计为２０ｋＨｚ±５００Ｈｚ。当ＵＣ３８７５同步端的时钟频率高于其固有频率时，ＵＣ３８７５的工作频率等于外加到同步端的时钟频率；当ＵＣ３８７５同步端的时钟频率低于其固有频率时，ＵＣ３８７５的工作频率是其本身的固有频率。因此，本设计利用这一特点将压控振荡器的输出加到ＵＣ３８７５的同步端１７脚上；为了防止ＵＣ３８７５的工作频率太低而使高频变压器饱和，笔者将ＵＣ３８７５的固有频率设计在１９ｋＨｚ左右。此时取ＣＦ为０．１μＦＲＦ为２．１ｋΩ。图４所示是ＵＣ３８７５在功率控制系统中的应用电路。
2.2 死区时间设置
在死区设置脚与信号地之间并联一个电阻ＲＡＢ和一个电容ＣＡＢ可设置死区时间。其公式如下：
Ｔ＝（６２．５×１０－１２×Ｒ）／ＶＤＥＬＡＹ
式中，ＶＤＥＬＡＹ为延迟端电压（取２．４Ｖ），死区时间Ｔ可取２μｓ时，电阻ＲＡＢ为７６．８ｋΩ。
2.3 驱动ＥＸＢ８４１的设计
为了能方便控制输出，在ＵＣ３８７５与驱动电路ＥＸＢ８４１之间可加一级与非门由于ＥＸＢ８４１的输入一般是１０ｍＡ，因此，与非门的输出能力已足够满足系统要求。当输出控制为０时输出被锁死，当输出为１时，输出被打开。ＥＸＢ８４１的保护信号通常加到ＵＣ３８７５的过流保护端，当ＥＸＢ８４１没有保护输出时， 加到ＵＣ３８７５过流保护端的电压为零；当有保护输出时，加到ＵＣ３８７５过流保护端的电压为１５Ｖ，此电压应高出ＵＣ３８７５的２．５Ｖ过流保护电压。
2.4 软启动设置
如在软启动功能脚与信号地之间接一电容ＣＳ，那么，当软启动正常工作时，芯片将用一个９μＡ电流给ＣＳ充电，最后达到４．８Ｖ。这一特性决定了输出移相角将从零逐渐增加，直到最后稳定工作。而在电流故障情况下，软启动端将降为０Ｖ。电容ＣＳ的值通常设计为０．１μＦ。
3　调节器设计
为了减小系统的稳态误差和增加系统稳定性，本系统采用比例积分调节器，其电路如图５所示，该电路的电源电压可用 ＵＣ３８７５的基准电压５Ｖ经可变电阻分压所得，而将输出控制电压直接加到ＵＣ３８７５的第４脚。

4　结束语
实验表明，在本系统未加载时，其换能器两端的电压为３００伏左右，但在加载后，其换能器两端的电压为４００伏左右，而电流值没有变化，这一点证明本功率控制系统设计的正确性。