UC3875在超聲電源功率控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：根據(jù)超聲波發(fā)生器的功率控制系統(tǒng)原理，闡述了移相控制策略對(duì)超聲波發(fā)生器輸出電壓波形的影響，介紹了移相控制專用芯片UG3875的電路結(jié)構(gòu)和使用設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：移相；控制；UC3875

利用超聲波電源切割復(fù)合材料時(shí)，為了保證換能器的輸出振幅恒定，要求超聲波發(fā)生器具有功率自調(diào)節(jié)功能；同時(shí)，為了切割不同的纖維材料，還要求振幅具有可調(diào)功能；這些都要求超聲波發(fā)生器帶有功率輸出控制系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)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(guò)控制換能器兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)全橋移相的移相角來(lái)改變正弦波的幅值，從而改變換能器兩端的電壓以達(dá)到控制換能器電流的目的。
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１　輸出功率控制系統(tǒng)

圖１所示是一個(gè)超聲電源功率控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中的移相脈沖產(chǎn)生電路在用全橋式逆變電路作主回路時(shí)，需要產(chǎn)生如圖２所示的電壓波形來(lái)驅(qū)動(dòng)ＩＧＢＴ。為了防止橋臂直通，要求同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管（Ｔ１?Ｔ２和Ｔ３?Ｔ４）應(yīng)具有延時(shí)互鎖導(dǎo)通功能。一般延時(shí)互鎖導(dǎo)通時(shí)間ｔｄ是固定的（大約一兩個(gè)微秒），同時(shí)不同橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通應(yīng)具有可以改變的延時(shí)（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(tǒng)中ＵＣ３８７５的應(yīng)用

ＵＣ３８７５是美國(guó)Ｕｎｉｔｒｏｄｅ公司針對(duì)移相控制方案推出的專用芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖３所示。

２．１ 工作頻率設(shè)計(jì)

本電源工作頻率設(shè)計(jì)為２０ｋＨｚ±５００Ｈｚ。當(dāng)ＵＣ３８７５同步端的時(shí)鐘頻率高于其固有頻率時(shí)，ＵＣ３８７５的工作頻率等于外加到同步端的時(shí)鐘頻率；當(dāng)ＵＣ３８７５同步端的時(shí)鐘頻率低于其固有頻率時(shí)，ＵＣ３８７５的工作頻率是其本身的固有頻率。因此，本設(shè)計(jì)利用這一特點(diǎn)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(shè)計(jì)在１９ｋＨｚ左右。此時(shí)�。茫茷椋埃�１μＦ?ＲＦ為２．１ｋΩ。圖４所示是ＵＣ３８７５在功率控制系統(tǒng)中的應(yīng)用電路。

    ２．２ 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

在死區(qū)設(shè)置腳與信號(hào)地之間并聯(lián)一個(gè)電阻ＲＡＢ和一個(gè)電容ＣＡＢ可設(shè)置死區(qū)時(shí)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(qū)時(shí)間Ｔ可取２μｓ時(shí)，電阻ＲＡＢ為７６．８ｋΩ。

２．３ 驅(qū)動(dòng)ＥＸＢ８４１的設(shè)計(jì)

為了能方便控制輸出，在ＵＣ３８７５與驅(qū)動(dòng)電路ＥＸＢ８４１之間可加一級(jí)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(tǒng)要求。當(dāng)輸出控制為０時(shí)?輸出被鎖死，當(dāng)輸出為１時(shí)，輸出被打開。ＥＸＢ８４１的保護(hù)信號(hào)通常加到ＵＣ３８７５的過(guò)流保護(hù)端，當(dāng)ＥＸＢ８４１沒(méi)有保護(hù)輸出時(shí)， 加到ＵＣ３８７５過(guò)流保護(hù)端的電壓為零；當(dāng)有保護(hù)輸出時(shí)，加到ＵＣ３８７５過(guò)流保護(hù)端的電壓為１５Ｖ，此電壓應(yīng)高出ＵＣ３８７５的２．５Ｖ過(guò)流保護(hù)電壓。

圖4 UC3875作為控制芯片的應(yīng)用電路

    ２．４ 軟啟動(dòng)設(shè)置

如在軟啟動(dòng)功能腳與信號(hào)地之間接一電容ＣＳ，那么，當(dāng)軟啟動(dòng)正常工作時(shí)，芯片將用一個(gè)９μＡ電流給ＣＳ充電，最后達(dá)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(wěn)定工作。而在電流故障情況下，軟啟動(dòng)端將降為０Ｖ。電容ＣＳ的值通常設(shè)計(jì)為０．１μＦ。

３　調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

為了減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器，其電路如圖５所示，該電路的電源電壓可用 ＵＣ３８７５的基準(zhǔn)電壓５Ｖ經(jīng)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(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，在本系統(tǒng)未加載時(shí)，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(méi)有變化，這一點(diǎn)證明本功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

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