余 建，趙小勇，賀良國，鄭文龍

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

因具有體積小、分辨率高、響應(yīng)快、推力大等一系列的優(yōu)點(diǎn)，近年來，疊層壓電陶瓷已被廣泛用于機(jī)械制造、超精密加工、生物工程等領(lǐng)域[1-3]。

由疊成壓電陶瓷制成的超聲刀相較于傳統(tǒng)刀具具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。但壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)需要較高的電壓，因此必須設(shè)計(jì)專門的驅(qū)動(dòng)器以滿足壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)需求。目前，常見的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電源多是采用專門的高壓運(yùn)放電路或帶有變壓器的逆變電路，而專用高壓運(yùn)放價(jià)格昂貴，變壓器逆變電路則不利于驅(qū)動(dòng)電源的小型化[4]。

超聲刀驅(qū)動(dòng)電源的小型化主要在于實(shí)現(xiàn)升壓電路的小型化。相較于變壓器升壓電路，Boost拓?fù)渖龎弘娐吩陔娐方Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、波紋小等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]。但基本Boost電路的升壓比較小，不適用于高升壓比的超聲刀驅(qū)動(dòng)電源，因此設(shè)計(jì)一種高電壓增益的Boost升壓電路對(duì)于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的小型化有著重要意義。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于耦合電感的Boost升壓電路,該電路通過引入耦合電感拓展了電路的升壓比，使電路避免工作于極限占空比狀態(tài)，同時(shí)降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，但其電壓增益仍不能滿足超聲刀驅(qū)動(dòng)需求；文獻(xiàn)[7]研究了各種基于耦合電感的Boost升壓與開關(guān)電容相結(jié)合的電路，進(jìn)一步增大了電路的電壓增益。

為適應(yīng)超聲刀驅(qū)動(dòng)電源小型化的趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)一種具有高升壓比的小型化驅(qū)動(dòng)電源電路。

1 驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)電源電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲刀驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)電源電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知：直流升壓電路將12 V堿性電池提供的低壓直流通過升壓電路升壓為高壓直流，并由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制半橋驅(qū)動(dòng)電路將升壓后的直流電斬波為超聲刀驅(qū)動(dòng)所需的高壓高頻方波信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)超聲刀的驅(qū)動(dòng)。

1.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路

根據(jù)本文使用的超聲刀驅(qū)動(dòng)要求，超聲刀的驅(qū)動(dòng)需要頻率為41.3 kHz左右的高頻方波作為原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了減小驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路的體積，本文利用宏晶公司的8引腳小型單片機(jī)STC15F101構(gòu)成原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生電路，其電路如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路R1，R2—分壓電阻，其阻值分別為5 kΩ和7 kΩ；電容C1，C2—用于除去電源噪聲，容值均為1 μF

圖2所示的單片機(jī)通過程序完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成，并由引腳P3.1輸出。為了滿足單片機(jī)的工作電壓(3.8 V～5.5 V)要求，需對(duì)堿性電池輸出的12 V電壓進(jìn)行分壓以供單片機(jī)使用。

1.3 直流升壓電路

直流升壓電路是超聲刀驅(qū)動(dòng)電源電路的重要組成部分，其體積大小決定了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源電路的體積大小。根據(jù)超聲刀驅(qū)動(dòng)電壓需要，本文設(shè)計(jì)了輸出電壓在0～150 V間連續(xù)可調(diào)的直流升壓電路，該升壓電路采用了耦合電感倍壓Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-9]，其原理如圖3所示。

圖3 直流升壓電路原理圖

圖3所示的直流升壓電路是在基本Boost升壓電路的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，在基本Boost升壓電路中引入耦合電感可以形成高增益的Boost升壓電路，并在與開關(guān)電容電路結(jié)合后可以進(jìn)一步增大電路的增益。同時(shí)，為了降低耦合電感漏感導(dǎo)致的開關(guān)管應(yīng)力增大以及能量的損失，電路添加了由二極管和電容構(gòu)成的無源鉗位電路。為了分析直流升壓電路的工作過程，現(xiàn)假設(shè)該電路工作在連續(xù)工作模式(CCM)下，且忽略電路中寄生參數(shù)和電容電壓變化的影響，則電路中各元件的主要工作波形如圖4所示。

由圖4可以看出：直流升壓電路在一個(gè)開關(guān)周期中有5個(gè)工作模態(tài)，如圖5所示。

圖4 直流升壓電路元件主要工作波形圖

圖5 直流升壓電路等效工作模態(tài)圖

其具體的工作模態(tài)分析過程如下：

模態(tài)1[t0～t1]電路如圖5(a)所示。該過程中開關(guān)管Q閉合，二極管Dc和D0反向關(guān)斷，Dm導(dǎo)通。此時(shí)，電源和電容C1以及耦合電感的副邊串聯(lián)向電容Cm充電；

模態(tài)2[t1～t2]電路如圖5(b)所示。該過程中開關(guān)管Q關(guān)斷，二極管Dc和Dm導(dǎo)通，D0反向關(guān)斷，此時(shí)耦合電感的副邊繼續(xù)向電容Cm充電，漏感Lk1中儲(chǔ)存的能量向電容Cc轉(zhuǎn)移，而導(dǎo)致流過的電流ik1快速下降；

模態(tài)3[t2～t3]電路如圖5(c)所示。該過程中開關(guān)管Q關(guān)斷，二極管Dc和D0導(dǎo)通，Dm反向關(guān)斷，此時(shí)耦合電感原邊的漏感Lk1仍向電容Cc轉(zhuǎn)移能量，漏感電流ik1則繼續(xù)下降，同時(shí)勵(lì)磁電感中的電流im與電容Cm一起向負(fù)載釋放能量；

模態(tài)4[t3～t4]電路如圖5(d)所示。該過程中開關(guān)管Q關(guān)斷，二極管Dc和Dm反向關(guān)斷，D0導(dǎo)通，此時(shí)耦合電感向負(fù)載釋放能量，電流im持續(xù)下降；

模態(tài)5[t4～t5]電路如圖5(e)所示。該過程中開關(guān)管Q導(dǎo)通，二極管Dc和Dm反向關(guān)斷，D0導(dǎo)通，此時(shí)在輸入電源的作用下漏感電流ik1快速上升，而耦合電感的副邊的漏感電流ik2繼續(xù)減小。

根據(jù)上述對(duì)直流升壓電路工作模態(tài)的描述，分別模態(tài)1和模態(tài)3進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。

當(dāng)電路處于模態(tài)1時(shí)有：

(1)

VL2=N·VLm=Uin+VCc-VCm

(2)

式中：Lm—?jiǎng)?lì)磁電感；Lk—耦合電感原邊的漏感；k—耦合電感的耦合系數(shù)；N—耦合電感副邊與原邊的匝數(shù)比；Uin—輸入電源電壓。

當(dāng)電路處于模態(tài)3時(shí)有：

(3)

VL2=N·VLm=Uin+VCc-VCm

(4)

根據(jù)電感的伏秒特性原理，可以得到直流升壓電路的電壓增益為：

(5)

式中：M—電壓增益；Uout—升壓電路輸出電壓；D—控制功率開關(guān)管Q通斷的PWM信號(hào)的占空比。

由式(5)可知：直流升壓電路的電壓增益M不僅與輸入電壓Uin相關(guān)，還與耦合電感的耦合系數(shù)k、耦合電感的匝數(shù)比N以及PWM信號(hào)占空比D相關(guān)。當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)耦合電感的匝數(shù)比可以在避免功率開關(guān)管控制信號(hào)處于極限占空比的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益電壓輸出。

直流升壓電路中的耦合電感漏感的存在會(huì)影響電路的增益，為了驗(yàn)證漏感對(duì)電路增益的影響，在耦合電感的匝數(shù)比N為2.5的情況下，根據(jù)不同的電感耦合系數(shù)k得到的電路的電壓增益M隨占空比D變化的情況,如圖6所示。

圖6 不同電感耦合系數(shù)對(duì)電路增益的影響

由圖6可以看出：不同的電感耦合系數(shù)會(huì)對(duì)電路的增益產(chǎn)生一定的影響，但電路的增益并未出現(xiàn)大的改變。因此實(shí)際使用中可以忽略耦合電感漏感對(duì)于電路增益的影響。

根據(jù)升壓電路工作原理可知：開關(guān)管Q的電壓應(yīng)力與二極管Dc的電壓應(yīng)力相同，二極管Dm與D0的電壓應(yīng)力也相同。在忽略電壓波紋的情況下，可以計(jì)算出開關(guān)管Q、二極管Dc與二極管Dm、D0的電壓應(yīng)力：

(6)

(7)

由式(6,7)可知：開關(guān)管與二極管的電壓應(yīng)力均與耦合電感的匝數(shù)比N有關(guān)，且都小于輸出電壓。同時(shí)，在直流升壓電路中，開關(guān)電容Cm與鉗位電位Cc的作用類似于電壓源，因此,在設(shè)計(jì)中其參數(shù)的選取主要考慮將電壓波紋控制在合適的范圍內(nèi)，其電容參數(shù)應(yīng)符合如下條件：

(8)

式中：C—開關(guān)電容或鉗位電容的容值；Pout—升壓電路的輸出功率；ΔVc—電容波紋度；f—開關(guān)管Q的開關(guān)頻率。

直流升壓電路中控制功率開關(guān)管Q通斷的PWM信號(hào)由UC3843脈寬調(diào)制器生成。UC3843具有電壓反饋功能，引腳2為反饋電壓的輸入端，其電壓值恒定為2.5 V。通過改變電位器R3的阻值可以得到不同的反饋電壓值，從而改變UC3843輸出的PWM信號(hào)的占空比以改變直流升壓電路的輸出電壓，使UC3843反饋端的電壓穩(wěn)定在2.5 V。因此，通過改變電阻R2和R3的阻值比既可以實(shí)現(xiàn)直流升壓電路的輸出電壓的連續(xù)可調(diào)。

由直流升壓電路的分析可知，當(dāng)電源輸入電壓Uin=12 V，輸出功率Pout=0.5 W時(shí)，為達(dá)到超聲刀驅(qū)動(dòng)所需的電壓(150 V)的要求，升壓電路的電壓增益M約為12.5。耦合電感的匝數(shù)比N取2.5，計(jì)算可得耦合電感的原副邊的電感取值分別為L1=530 μH,L2=3.3 mH。根據(jù)式(2～4)可得到電容Cc、Cm的取值為1 uF，C0為22 uF，耐壓值為200 V；同時(shí)，升壓電路中所用的二極管可選擇IRF104型，開關(guān)管可選擇MJE13001型。根據(jù)UC3843的元件使用手冊(cè)和升壓電路的要求，得到UC3843外圍元件參數(shù)如下：R1=0.5 Ω，R2=R5=1 kΩ，R4=100 kΩ，R6=22 Ω，R7=20 kΩ，RT=10 kΩ，R3為阻值為50 kΩ的可調(diào)電位器；C4=100 pF，C5=0.01 uF，C6=470 pF，CT=2.2 nF。

1.4 逆變電路

逆變電路是將高壓直流進(jìn)行斬波并最終實(shí)現(xiàn)超聲刀驅(qū)動(dòng)所需電壓信號(hào)的電路。半橋驅(qū)動(dòng)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、所用元件少等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)半橋驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)的逆變電路如圖7所示。

圖7 半橋驅(qū)動(dòng)電路圖

由圖7可見：半橋驅(qū)動(dòng)電路采用IR2111半橋驅(qū)動(dòng)芯片控制。在單片機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，通過半橋驅(qū)動(dòng)芯片控制開關(guān)管Q1和Q2周期性地交替導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流升壓電路輸出電壓Uout的斬波。

根據(jù)IRF2111使用手冊(cè)及驅(qū)動(dòng)電源輸出要求，本研究選擇開關(guān)管Q1、Q2的型號(hào)為MJE13001，二極管型號(hào)為IRF104，電阻R1=R2=22 Ω，電容C1=0.01 μF，自舉電容C2=0.47 μF，耐壓值為35 V。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)用性，筆者制作了超聲刀驅(qū)動(dòng)電源電路板并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。直流升壓電路輸出電壓隨反饋電阻R2、R3阻值比變化圖形如圖8所示。

圖8 直流升壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖8可見，直流升壓電路輸出電壓隨電阻R2、R3的阻值比的變化而呈現(xiàn)出線性變化的規(guī)律，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電源電壓的連續(xù)可調(diào)。半橋斬波后驅(qū)動(dòng)電源輸出波形如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)電源輸出波形

圖9中,CH1為超聲刀的驅(qū)動(dòng)波形，其電壓峰—峰值為150 V左右，頻率約為41.3 kHz，CH2為單片機(jī)發(fā)出的原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

超聲刀驅(qū)動(dòng)電源實(shí)物圖如圖10所示(其尺寸約為70 mm×30 mm×15 mm，部分元件采用貼片元件后可進(jìn)一步縮小尺寸)。

圖10 超聲刀驅(qū)動(dòng)電源實(shí)物圖

3 結(jié)束語

本文介紹了一種滿足手持式超聲刀驅(qū)動(dòng)要求的小型化驅(qū)動(dòng)電源。該驅(qū)動(dòng)電源通過調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，可以實(shí)現(xiàn)不同功率的輸出，以滿足超聲刀的不同驅(qū)動(dòng)需求。為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)用性，本文制作了驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)用可靠，其體積相較于有變壓器升壓的驅(qū)動(dòng)電源減小了一半左右。