UC3875在超聲電源功率控制系統中的應用

利用超聲波電源切割復合材料時，為了保證換能器的輸出振幅恒定，要求超聲波發生器具有功率自調節功能；同時，為了切割不同的纖維材料，還要求振幅具有可調功能；這些都要求超聲波發生器帶有功率輸出控制系統，在這個系統中，需控制的參量一般是換能器的電流值，而換能器電流值的恒定，則要通過控制換能器兩端的電壓來實現。本文通過全橋移相的移相角來改變正弦波的幅值，從而改變換能器兩端的電壓以達到控制換能器電流的目的。
1　輸出功率控制系統
圖１所示是一個超聲電源功率控制系統的結構框圖。其中的移相脈沖產生電路在用全橋式逆變電路作主回路時，需要產生如圖２所示的電壓波形來驅動ＩＧＢＴ。為了防止橋臂直通，要求同一橋臂的上下兩個開關管（Ｔ１Ｔ２和Ｔ３Ｔ４）應具有延時互鎖導通功能。一般延時互鎖導通時間ｔｄ是固定的（大約一兩個微秒），同時不同橋臂的上下兩個開關管的導通應具有可以改變的延時（即移相角），此外還要求控制電路的波形能夠滿足ｔΦ。移相控制專用芯片ＵＣ３８７５完全能夠完成上述功能。

2　功率控制系統中ＵＣ３８７５的應用
ＵＣ３８７５是美國Ｕｎｉｔｒｏｄｅ公司針對移相控制方案推出的專用芯片，其內部結構如圖３所示。

2.1 工作頻率設計
本電源工作頻率設計為２０ｋＨｚ±５００Ｈｚ。當ＵＣ３８７５同步端的時鐘頻率高于其固有頻率時，ＵＣ３８７５的工作頻率等于外加到同步端的時鐘頻率；當ＵＣ３８７５同步端的時鐘頻率低于其固有頻率時，ＵＣ３８７５的工作頻率是其本身的固有頻率。因此，本設計利用這一特點將壓控振蕩器的輸出加到ＵＣ３８７５的同步端１７腳上；為了防止ＵＣ３８７５的工作頻率太低而使高頻變壓器飽和，筆者將ＵＣ３８７５的固有頻率設計在１９ｋＨｚ左右。此時取ＣＦ為０．１μＦＲＦ為２．１ｋΩ。圖４所示是ＵＣ３８７５在功率控制系統中的應用電路。

2.1 工作頻率設計
本電源工作頻率設計為２０ｋＨｚ±５００Ｈｚ。當ＵＣ３８７５同步端的時鐘頻率高于其固有頻率時，ＵＣ３８７５的工作頻率等于外加到同步端的時鐘頻率；當ＵＣ３８７５同步端的時鐘頻率低于其固有頻率時，ＵＣ３８７５的工作頻率是其本身的固有頻率。因此，本設計利用這一特點將壓控振蕩器的輸出加到ＵＣ３８７５的同步端１７腳上；為了防止ＵＣ３８７５的工作頻率太低而使高頻變壓器飽和，筆者將ＵＣ３８７５的固有頻率設計在１９ｋＨｚ左右。此時取ＣＦ為０．１μＦＲＦ為２．１ｋΩ。圖４所示是ＵＣ３８７５在功率控制系統中的應用電路。
2.2 死區時間設置
在死區設置腳與信號地之間并聯一個電阻ＲＡＢ和一個電容ＣＡＢ可設置死區時間。其公式如下：
Ｔ＝（６２．５×１０－１２×Ｒ）／ＶＤＥＬＡＹ
式中，ＶＤＥＬＡＹ為延遲端電壓（取２．４Ｖ），死區時間Ｔ可取２μｓ時，電阻ＲＡＢ為７６．８ｋΩ。
2.3 驅動ＥＸＢ８４１的設計
為了能方便控制輸出，在ＵＣ３８７５與驅動電路ＥＸＢ８４１之間可加一級與非門由于ＥＸＢ８４１的輸入一般是１０ｍＡ，因此，與非門的輸出能力已足夠滿足系統要求。當輸出控制為０時輸出被鎖死，當輸出為１時，輸出被打開。ＥＸＢ８４１的保護信號通常加到ＵＣ３８７５的過流保護端，當ＥＸＢ８４１沒有保護輸出時， 加到ＵＣ３８７５過流保護端的電壓為零；當有保護輸出時，加到ＵＣ３８７５過流保護端的電壓為１５Ｖ，此電壓應高出ＵＣ３８７５的２．５Ｖ過流保護電壓。
2.4 軟啟動設置
如在軟啟動功能腳與信號地之間接一電容ＣＳ，那么，當軟啟動正常工作時，芯片將用一個９μＡ電流給ＣＳ充電，最后達到４．８Ｖ。這一特性決定了輸出移相角將從零逐漸增加，直到最后穩定工作。而在電流故障情況下，軟啟動端將降為０Ｖ。電容ＣＳ的值通常設計為０．１μＦ。
3　調節器設計
為了減小系統的穩態誤差和增加系統穩定性，本系統采用比例積分調節器，其電路如圖５所示，該電路的電源電壓可用 ＵＣ３８７５的基準電壓５Ｖ經可變電阻分壓所得，而將輸出控制電壓直接加到ＵＣ３８７５的第４腳。

4　結束語
實驗表明，在本系統未加載時，其換能器兩端的電壓為３００伏左右，但在加載后，其換能器兩端的電壓為４００伏左右，而電流值沒有變化，這一點證明本功率控制系統設計的正確性。