一種大功率高頻激勵源驅(qū)動電路及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率高頻激勵源驅(qū)動電路及其設(shè) 計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于電磁超聲具有非接觸、無需耦合劑、易實(shí)現(xiàn)在線檢測，對檢測環(huán)境要求較低、 可方便激發(fā)出多種類型超聲波等諸多優(yōu)點(diǎn)，在管道內(nèi)檢測以及高溫，高速等特殊場合金屬 缺陷的檢測有著廣泛的應(yīng)用。電磁超聲具有非接觸的特點(diǎn)決定了用來激勵電磁超聲換能器 的激勵源的重要地位，電磁超聲激勵源采用了 DE類射頻功率放大器技術(shù)，它是一種利用E 類變換器工作在ZVS的狀態(tài)同時保留D類變換器的雙管圖騰柱結(jié)構(gòu)而形成的一種技術(shù)。由 于D類變換器工作在"硬開關(guān)"模式，損耗大，開關(guān)利用率低；DE類功率放大器具備的獨(dú)特優(yōu) 勢克服了上述缺點(diǎn)，但同時也使DE類變換器的工作過程變得復(fù)雜而使得驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 增加困難。激勵源要求產(chǎn)生高峰值電流、窄脈寬的電脈沖激勵信號；這些電脈沖激勵信號能 否良好的輸出與激勵源的優(yōu)良性能密不可分，而驅(qū)動電路作為激勵源設(shè)計(jì)中重要的組成部 分，直接決定著激勵源的高頻性能。
[0003] 目前，對于DE類功率放大器高邊MOS的驅(qū)動多采用自舉電容實(shí)現(xiàn)，但是自舉電容 會因?yàn)轭l率的升高迅速失效，并不具有較好高頻特性，尤其應(yīng)用于管道內(nèi)檢測時，除了需要 考慮激勵源的體積等因素之外，對于電路本身的散熱、抗干擾能力等方面更需要著重考慮， 同時這也提高了對驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方面的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了 一種大功率高頻激勵源驅(qū)動電路及其設(shè)計(jì)方法， 目的是為了使驅(qū)動電路能更好的適應(yīng)管道內(nèi)檢測的復(fù)雜環(huán)境，改善高頻激勵源的性能，實(shí) 現(xiàn)電磁超聲激勵源的高頻驅(qū)動。
[0005] 本發(fā)明公開了一種大功率高頻激勵源驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路包括驅(qū)動電路模塊 和圖騰柱電路；
[0006] 所述驅(qū)動電路模塊包括信號發(fā)生器、隔離模塊、第一驅(qū)動模塊和第二驅(qū)動模塊，圖 騰柱電路包括MOSJP MOS2;所述隔離模塊包括第一隔離變壓器、第二隔離變壓器、光纖隔離 器；所述信號發(fā)生器與光纖隔離器相連，第一隔離變壓器、第二隔離變壓器和光纖隔離器分 別與第一驅(qū)動模塊和第二驅(qū)動模塊相連，第一驅(qū)動模塊和MOS 1相連，第二驅(qū)動模塊和MOS 2 相連；
[0007] MOS^源極和MOS 2的漏極相連，V 5給MOS挪MOS 2提供直流電壓且V 5和MOS滿漏 極相連；
[0008] 驅(qū)動電路模塊的等效驅(qū)動電路和圖騰柱電路的MOS內(nèi)部等效電感構(gòu)成等效電感 回路。
[0009] 所述隔離模塊還包括穩(wěn)壓模塊、輸入電壓，所述隔離模塊的連接方式為：
[0010] 電容C1連接于第一隔離變壓器的輸入端+V。和-V ιη之間，電容C 2連接于第二隔 離變壓器的輸入端+UP -V ιη之間，電容C 3連接于第二隔離變壓器的輸出端+V _和-V _ 之間，電容C5連接于第一隔離變壓器的輸出端+VciuJP -Vciut之間，電容C 4一端和第一隔離 變壓器的com端連接，另一端和第二隔離變壓器的輸出端+Vciut連接；穩(wěn)壓模塊的輸入端IN 與第一隔離變壓器的輸出端+Vciut相連；穩(wěn)壓模塊的輸出端OUT與電阻R i相連，穩(wěn)壓模塊的 ADJ端連接于電阻&和R 2之間，電阻R 2另一端與接地端-V DR相連。
[0011] 所述第一驅(qū)動模塊和第二驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)相同，都包括比較器、驅(qū)動器；
[0012] 所述第一驅(qū)動模塊和第二驅(qū)動模塊與隔離模塊的連接方式均為：
[0013] 信號發(fā)生器通過隔離模塊內(nèi)的光纖隔離器的OUT端和比較器的-V1端相連，光纖 隔離器的+5V端和比較器的+5V端都與穩(wěn)壓模塊的+5V端相連；比較器的端和驅(qū)動器的 IN端相連，驅(qū)動器的電源端Vdd和第一隔離變壓器輸出端+V _相連，驅(qū)動器的OUTH和OUTL 相連，驅(qū)動器的OUTH和OUTL與第二隔離變壓器的輸出端+Vciut相連。
[0014] 所述第一驅(qū)動模塊和第二驅(qū)動模塊與隔離模塊的具體電路連接均為：
[0015] 光纖隔離器的OUT端和比較器的-V1端相連，光纖隔離器的+5V端和比較器的+5V 端都與穩(wěn)壓模塊的+5V端相連；此外，光纖隔離器有兩個引腳與接地端-Vdr相連；電阻R 4、 電容C7和電阻R 6串聯(lián)形成閉合回路，公共端+5V連接電阻R 4和電容C 7;電阻R 4和電阻R 6 相連的公共端和電阻R5相連，電阻R 5的另一端和比較器的正向輸出端V。相連；電容C 7和 電阻R6的公共端和比較器的正向輸入端+V i相連；電阻R 3-端和接地端-V DR相連，另一端 和比較器的負(fù)向輸入端-V1相連；正向輸入端+V i和負(fù)向輸入端-V i相連；比較器的輸出引 腳和接地端-Vdr相連；比較器的端和驅(qū)動器的IN端相連；驅(qū)動器的電源端V dd和第一隔 離變壓器輸出端+Vciut相連；驅(qū)動器的OUTH和OUTL相連，R 6和R 7組成并聯(lián)電路，R 6和R 7并 聯(lián)電路的一端和P-Gate相連，另一端和驅(qū)動器的OUTH和OUTL相連；驅(qū)動器的GND和接地 端-V dr相連，P-Gate和第二隔離變壓器的輸出端+V _相連。
[0016] 所述等效電感回路包括由電感L3、電阻R1、等效開關(guān)S 1、電阻R2、等效開關(guān)S2、電感 L4、L5組成的等效驅(qū)動電路和由MOS的柵源極、L s組成的MOS內(nèi)部等效電感；所述等效電感 回路的連接方式為：從電源正極到電源負(fù)極，電感Lp L3、電阻R1、等效開關(guān)S1、電阻R2、等效 開關(guān)S 2、電感L4、L2依次串聯(lián)組成閉合回路；電感L 5、L6、Ls、MOS的柵源極、1^依次串聯(lián)，然 后并聯(lián)于電阻R 2和等效開關(guān)S 2組成的串聯(lián)電路S 2-R2兩端。
[0017] 根據(jù)MOS的圖騰柱結(jié)構(gòu)，選擇第一隔離變壓器、第二隔離變壓器作為隔離模塊，實(shí) 現(xiàn)"浮地"的驅(qū)動方式。
[0018] 本發(fā)明還公開了一種大功率高頻激勵源驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方法，該方法包括：
[0019] 步驟一、構(gòu)建權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的大功率高頻激勵源驅(qū)動電路；
[0020] 步驟二、基于所述的大功率高頻激勵源驅(qū)動電路，根據(jù)MOS實(shí)際的工作參數(shù)，選擇 合適的MOS規(guī)格；
[0021] 步驟三、由MOS規(guī)格相對應(yīng)的柵源總電荷量與柵源電壓關(guān)系曲線，選擇所需的柵 源電壓對應(yīng)的柵源總電荷量，根據(jù)MOS工作頻率確定開關(guān)時間，通過柵源總電荷量和開關(guān) 時間計(jì)算驅(qū)動電流；
[0022] 步驟四、根據(jù)柵源總電荷量、驅(qū)動電壓和工作頻率計(jì)算驅(qū)動電路的損耗，根據(jù)驅(qū)動 電路的損耗和驅(qū)動電流選擇驅(qū)動器。
[0023] 所述步驟二包括：
[0024] 根據(jù)柵源電壓Vss確定驅(qū)動MOS i、MOS^最低電壓峰值，根據(jù)漏源電壓V DS確定 MOSpMOSd^最大耐壓值；根據(jù)導(dǎo)通電阻Rcin確定MOS 1、10&導(dǎo)通電流i sl、is2;根據(jù)輸入電容 Clss，確定舢51、1052導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間；根據(jù)輸出電容C _，確定MOSpMOS2的最高工作頻 率；根據(jù)MOS柵源電壓Vss、漏源電壓V ds、輸入電容Clss，選擇MOS規(guī)格。
[0025] 所述步驟三包括：
[0026] 選取MOS規(guī)格后，由MOS規(guī)格相對應(yīng)的柵源總電荷量與柵源電壓關(guān)系曲線，選擇所 需的柵源電壓V ss對應(yīng)的柵源總電荷量Q 根據(jù)MOS ^MOS2的工作頻率f，確定MOS pMOS^ 開關(guān)時間t = 0. 05Xf ;由公式I = Q(；/t確定驅(qū)動電流I。
[0027] 所述步驟四包括：
[0028] 由公式Pd= Q Jdf得出驅(qū)動電路的損耗，Vd為驅(qū)動電壓，根據(jù)計(jì)算得出的驅(qū)動電流 I和驅(qū)動電路的損耗Pd選擇驅(qū)動器。
[0029] 所述驅(qū)動器的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：所選驅(qū)動器承受的損耗至少SPd，最大驅(qū)動電流至少 為I。
[0030] 當(dāng)給MOS的柵極電容充放電時，所需充放電時間為整個導(dǎo)通周期的5%，驅(qū)動電路 的損耗可根據(jù)公式：
[0031] Pd= Q GVdf
[0032] 其中，Qti為柵極總電荷量，V d為驅(qū)動電壓，f為工作頻率。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0034] 本發(fā)明公開了一種大功率高頻激勵源驅(qū)動電路及設(shè)計(jì)方法，通過選擇第一隔離變 壓器、第二隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)大功率高頻激勵源驅(qū)動電路的"浮地"的驅(qū)動方式；通過選用光 纖隔離器，實(shí)現(xiàn)了信號隔離，光纖隔離器的抗干擾性能好、隔離電壓高、信號衰減非常小、高 頻性能高，為MOS柵源極提供了穩(wěn)定的驅(qū)動電壓；通過設(shè)計(jì)驅(qū)