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作者：鲁维德 来自：鲁维德 发布时间：2005-12-7 20:38:37
摘 要：
本文介绍新型高声强度高可靠超声波管道清洗机的组成与清洗原理，并对作为超声波信号发生器的模块化高频大功率开关电源的设计方案作一分析. 本文还阐明模块PDF1000-360and IPM-4M的特点与应用方法.
叙 词：
超声波发生器 管道清洗机 换能器 DC/AC高频大功率模块
1、引言
在石油、化工、冶金或制药某领域中的一个部门，其生产现场中会有大量的热交换器以及介质输送管，而金属管道内的除垢与防垢问题，一直是国内外众多产业部门多年来未能介决的难题。目前普遍采用的是化学药剂除垢、离子交换树脂防垢，高压水枪清洗等方法，但由于该类方法技术陈旧、因而成效不明显。近年来，虽然全也出现了用超声波清洗技术，但由于可靠性技术没有解决，故此类设备或装置不是故障维修率高就是寿命短实用性差，无法解决管道污垢的清洗问题。随着半导功率器件集成控制技术的发展，一种新型模块化的高声强度高可靠超声波管道清洗机已经闻世，正在各个领域被应用。为介绍此新型超声波管道清洗技术。首先要对超声波除垢防垢机理作一说明。
1.1超声波管道清洗原理--“空化效应” 的产生
超声波清洗机是通过超声波发生器将高于频率为20KHz的震荡信号进行电功率放大后经超声波换能器（震头）的逆压电效应转换成高频机械振动能量通过清洗液体中的声幅射，使清洗液体分子振动并产生无数微小空穴和气泡. 并沿超声波传播方向在负压区形成、生长，并在正压区迅速闭合而产生上千个大气压的间瞬间高压而爆破，形成无数微观高压冲击波作用于管道璧的成垢杂质并将此粉碎。此即称之谓超声波清洗中的“空化效应”. 超声波管道清洗机就是基于“空化效应” 技术而工作的。从“空化效应” 可知空穴和气泡是在液体中施加高频（超声频率）、高强度的声波而产生的.为此任何管道超声波管道清洗机的组成都必须具备二个基本部件：高频高压大功率电信号的超声波发生器、以及能将电能转化为机械能（即压电逆效能）并经液体流通过的管道式高声强换能器。
1.2高声强度超声波管道清洗机的工作过程
从图1所示可以看出，高声强度超声波管道清洗机主要由高频高压大功率电信号的超声波发生器（或称
信号源）、传输电缆、管道式高声强压电换能器组成，其换能器放置于管道内。
其工作过程是这样: 当液体围绕换能器流过，超声波发生器产生高频（22—25KHz）高压（100—120V
）大功率1000W的电功率信号，经电缆传输到换能器，由换能器实现电、机、声的转换并发出超声波。而超
声波管道清洗机除垢防垢的作用，主要是利用超声波高声强场“空化效应”处理介质而获得，成垢物质在
强声场“空化效应”作用下，其物理和化学性能发生一系列变化，导致成垢物脱落，并在这一强大的压力
峰分散成细粉末状，形成松散而不易板洁的沉积物, 悬浮于液体介质中. 理论和实践测算，对 液体加以频
率为20KHz, 功率为 的超声波时，可发生空化的气泡数为5× ,其局部增压峰值数百甚至上千大气压。
1.3 其管道式压电换能器主要指标：
*静态电容为(25℃)3--100nf;
*机械品质因素2-10;
*绝缘电阻1000MΩ;
*压电晶体耐压1200V;
*谐振频率22-25KHz;
*允许介质温度≤135℃
实践证明，该换能器技术比赛成熟主要指标能得到保证,而要确保超声波管道清洗机性能的高可靠高声强其关键是高频高压大功率的超声波发生器. 为什么这么说呢？这是因为分立式高频高压大功率开关电源
实用性差。
由于换能器需要的超声波发生器.均必须是高频高压大功率开关电源，虽然此类开关电源均是用单个集成电源控制芯片和MOSFET或IGBT大功率全桥式组成，但还是多个分立元器件的组合, 连线间分布电容所形成的尖峰干扰时刻或特别在大负载开闭情况下会造成大功率管的信击穿或烧毁，故此类开关电源非但效率低，而且故障率高、难维护、寿命短、实用性差。为沏底改变此现状，最紧迫的是应用高可靠模块化的高
频高压大功率开关电源。
2、电力电子技术的发展给“高可靠” 提供了条件
在电力电子技术中,开关电源占有重要地位, 而现代电力电子技术的繁荣与开关电源（特别是高频开关电源）的发展紧密联系在一起, 则高频化是现代电力电子技术焦点之一。
但现代高频开关电源技术的进步得力于新理论、新技术、新器件、新材料的支持。其应用空间迅速扩展，除了计算机、电机变频控制、电悍、电镀、电感加热、超声波加工（清洗）等所用的变流设备在原有础上升级换代外，荧光灯和新型电光源的镇流器，现代办公设备、通讯装置、运载工具、移动军事装置、航空、航天、航海装置等，都开始将注意力转向以高频变换为代表的现代电力电子技术，许多新的应用领域中其热点也陆续发展并选中高频开关电源(DC/AC)。
在上述这些应用领域中很重要的是要求高可靠的高频大功率的开关电源。根据现代电力电子技术关于
高频电源电路应集成化、智能化及模块化的又一特点.纵观目前市场，由于国内在此方面起步较晚，因而具
备这一特点的高可靠高频高压大功率开关电源还处于开发研制(包括国外厂商在内)之中，即使有,也只是
AC_DC或DC_DC的±48v、±24v、等常用通讯用的开关电源。
面对这新的桃战和机遇，我们采用了日本COSEL公司产的PF1000A-360型AC/DC
功率变换模块和IPM-4M型全桥式DC/AC高频大功率变换模块并将其前后级相连又与高频大功率脉冲变压器T
等一起组合而成新型模块式高频(22-25)KHZ 高压(100V-120V)大功率（1000W）开关电源, 并作为超声波发
生器（或称信号源）与换能器匹配组合成高声高强度超声波管道清洗机。 值此，该新型高频高压大功率开
关电源设计方案作一分析介绍。
3、模块式高频(22-25)KHZ高压(100V-120V)大功率（1000W）高频开关电源的设计方案
3.1技术要求：
* 输入电压：交流220v
* 输出脉冲电压：幅值为100v-120v、频率f为(22-25)Khz±1%，其占空比D为0.4-0.5为可调。
* 输出功率:为1000W
* 输出高频大电流应采用LED数字显示
* 工作频率f应采用LED数字显示
* 脉冲输出电压通过LC谐振电路应在超声波换能器二端获得高频(22-25)KHz高压的正弦波。
3.2该高频高压大功率开关电源设计电原理框图（见图2所示），具体介绍分析如下:
从图2可看出该开关电源由前级IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率变换模块和后级IC2的DC/AC IPM—4M
模块相连并与高频大功率脉冲变压器T等三大部分一起组合而成， 即成为超声波发生器管。
3.3 关于前级IC1为PF1000A-360型AC/DC变换模块：
3.31 模块PF1000A-360型AC-DC变换模块技术指标：
其输入电压为交流170V—265V，而输出电压为直流360V; 输出为直流电流2.8A-4.2A;输出功率为
1008W-1512W; 典型浪涌电流60A; 最小功率因素为95%；输出电压精度为±2%;
3.32 模块的特点:
可实现功率因素和谐波校正，效率高达95%以上。带有过压保护、过热保护和输入浪涌保护等保护电路
。模块内部将功率电路和控制电路集合在一起，使用起来非常方便。
3.33 PF1000A-360型变换模块组成:
由整流桥、升压电路、输出整流器、浪涌保护电路、输入电压取样和电流取样电路、热保护电路、输
出电压取样和过压保护电路、辅助电源、正常工作监控电路和控制电路等部分组成。见图3所示。
3.34 PF1000A-360型引脚功能:
* IOG-升压变换器工作监视引脚。正常工作时，IOG端为低电平，若IOG端为高电平，表示该模块出故
障
* SG--信号地，在模块内部与负输出引脚-Uo相连。
* ENA--电源“接通” 监视引脚, 用于监视PF模块输出电压, 当PF模块输出电压处于其正常电平
(360VDC)时为低电平。
* AUX--辅助电源输出引脚，在最大输出电流为10MA时，输出电压范围为12V—20V。
* PC--并联工作控制引脚,只要直接将该模块PC引脚与另一模块的PC引脚相连，则两个模块就可并联工
作，最多允许五个同功率模块并联。
* R1--外接浪涌限流电阻，用它可以限制电源刚接通时的浪涌电流，若不接，则模块不应正常工作,
实际上R1(4.2Ω/2W)应与F3温度保险丝(250V 2A 130℃) 相串接而成(见图2所示)。
* 外形尺寸（长宽厚）为：146mm*86mm*125.mm
* 模块使用时应按装在散热板上。
3.4 关于后级IC2采用为IPM-4M全桥式DC/AC高频大功率变换模块
该(DC/AC)IPM—4M 模块(见图4所示),采用美国IR公司的功率器件和贴片工艺生产。用户可以简单方便
地直接利用它或其组合设计制作、成各类高频大功率开关电源。
3.41、IPM-4M模块特点
由于IPM模块是系列化的，值此介绍IPM-4M系列模块，见图4所示。
*模块DC/AC变换方式
*全桥式功率输出，内装4只MOSFET大功率三极管
*工作频率可10Hz-150KHz调节
*输出脉冲宽度可调:在1%-85%脉冲方波调节
*输出电源整定可调: 整定输出脉宽值
*输出电压稳定可调: 改变输出脉宽值
*适应工作电压范围宽:20v-500v
*模块工作电流0-20A
*可作为驱动器进行大功率扩展
*开机3秒软启动
*输出串接合适电感，可成为零电压开通、关断谐振电路(ZVS)
*模块用来驱动大功率MOSFET或IGBT时，其耦合驱动变压器可实现任意脉宽驱动
*外形尺寸（长宽厚）为：115mm*66mm*23mm。
* 模块使用时应按装在散热板上。
3.42 模块内部结构概述：见图4所示
*辅助电源:由启动电源和内反馈电源组成，它要求电压在20-500V范围内能正常工作.
*电流型PWM及辅助保护电路:所谓电流型即在比较器的输入端直接用感应到的输出电流信号与误差放大
器进行比较，来控制输出的峰值电流跟随误差电压变化。这种控制方式可以改善整个开关电源电压和电流
的调整率，改善整个系统的瞬态响应。电流型PWM 还具有重选脉冲抑制电路，消除在一种输出里出现两个
连续脉冲的可能性。这对于半桥电路或全桥电路组成的开关电源能否可靠工作是极为重要的。而一般电压
型PWM在受干扰时，常出现一路输出里有两个连续重选脉冲，造成桥电路上下直通而烧毁功率管. 电流型
PWM 可根据检测电路送来的电流信号实行逐个检测，信号大时逐个关断，超过极限时全保护关断（此时需
关机启动，或延时3秒软启动）。
*IC驱动电路：在半桥电路或全桥电路中高端和低端的驱动器是不供地的，一般采用脉冲变压器隔离。
当频率在数Hz到数百KHz范围内变化时，普通的脉冲变压器是无法胜任的。IC驱动电路就不存在上述问题，
它的固有死区能防止产生直通信号，它的图腾柱电路能吸收桥电路的“米勒效应”。
*全桥DC-AC变换器：采用性能优良的MOSFET或IGBT，在公共接地点上伴有0.1Ω的电流取样电阻，它能
感应到内部任一桥路或任一桥路的外部过流、短路，将检测信号送往保护辅助电路进行判断调整或极限保
护。并有4×1500pf电容，输出串接1mH电感可成为零电压开通、关断的谐振电路(ZVS)。
*P1电流检测：将流过第1脚的电流感应检波取样送至第9脚，经过调整送至第8脚可进行恒流控制。
3.43 IPM-4M模块输出引脚使用说明
*模块左下角圆点为顺序脚P1为第1脚.
*P1、DC+正电源输入：可在20V-500V电压范围内使用.
*P2、AC功率脉冲宽度调制波输出：波形极性与P3相反.
*P3、AC功率脉冲宽度调制波输出：波形极性与P2相反.
*P4、DC-负电源输入（或地端）.
*P5、UHO全桥脉冲电流取样输出：当内接取样电阻0.1Ω时动作电流为4A时,P4和P5之间每并接一只0.1
Ω电阻，可使最大工作电流增加4A,注意：视在功率不应超过1200VA(P1点电压乘以流过P1电流)
*P6、RT频率调整：此脚悬空时，P2、P3输出标称频率(各模块均有标注，本介绍的模块为22KHz)。当
P6和P4之间接入100KΩ精密电位器时，改变阻值可使在标注频率f在0—150KHz范围内变化。
*P7、V0光隔离反馈脉宽调制地电位。
*P8、Vin光隔离反馈脉宽调制信号输入：当反馈信号大于2.5V时,P2、P3输出脉冲宽度减小，使反馈信
号平衡在2.5V
*P9、P1, 电流检测信号隔离输出：在P7、P8、P9之间接微调电阻（P8接电阻抽头），调整它可改变P2
、P3输出或做电流整定。不用时此脚悬空。
*模块使用时应按装在散热板上。
由于DC/AC模块应用领域很多，但大多数都使用到了高频变压器，现提供设计公式和例子。
E=U1为变压器初级直流电压
N1为初级匝数；
E=U1为加在变压器初级的最高电压；
f变压器的工作频率；
S磁芯的有效面积；
4.44为系数(对正弦波—4.44)或4(对于矩形波--4);
4 、模块式高频高压大功率开关电源的工作调试过程
4.11 合上进线交流电源220V后，当IC1的(AC/DC)PDF1000-360型变换模块输出电压为直流360V并加于
IPM-4M(DC/AC) 模块IC2的P1、P4引脚上时，则输出脉冲变压器(功率应大于1200W)T的初级二端P2与P3上(
接自IPM-4M模块全桥型功率管对角线端)将并获得360V高频(22—25)KHz脉冲电压。
4.12 脉冲输出电压取决于大功率脉冲变压器T次级N2端不同的匝数,可获得的幅值为100v-120v的脉冲
电压,见图2右上角所示。
4.13 输出电压工作频率f：为(22-25)Khz±1% 其占空比D为0.4-0.5为可调
4.14 IC2的P2、P3引脚上有脉冲波形输送,调整W3便可看到脉宽变化。
4.15 当K1、K2在断开位置，频率计显示模块标称频率22KHz。当合K1上时，减少W1阻值，频率将向高
端变化。当K2合上时，增加W1阻值，频率将向低端变化。根据需要来决定使用参数。
4.16 调整W3，可改变稳定的输出电压的幅值。
4.17 调整W2，可改变输出电流输出值。这个功能不用时可悬空。
4.18 R0的阻值决定电流保护的动作值，每并接0.1Ω—0.2Ω大约可增加4A安的电流。
4.19 输出高频大电流应可采用LED数字显示.
4.20 工作频率f应采用LED数字显示.
4.21 输出功率:为1000W
5、大功率高压(100v-120v)高频(22-25 KHz)正弦波的实现
当大功率脉冲变压器T次级N2输出的100v-120v的脉冲波电压加到LC谐振电路( 其L为可调高频电感线圈
, C为超声波换能器的等效电容,由此则组成LC谐振器，见图2右上角虚线所示), 则在电容C(换能器)两端将
获得谐振后的100V—120V高频(22-25 KHz)正弦波,见图2右上角所示。 以上整个过程实现了从AC-DC再从
DC-AC高频(22-25 KHz) 高压(100V—120V) 大功率(1000W) 的输出。
5结束语
(AC/DC)PDF1000-360模块与(DC/AC)IPM-4M模块用途很是广泛, 用它们组合成的该新型模块式高频高压大功率开关电源其设计、调试、制作简单方便，实践证明该模块式高频高压大功率开关电源作为信号源(或称发射机)经与大功率超声波换能器配套反复使用和现场运行，其性能稳定可靠，彻底克服了以往用单个集成和分立式大功率管组合而成的开关电源那种经常被烧毁、击穿及故障率高、维修难等不足之处，经反复使用，该新型模块化的高声强度超声波管道清洗机实现了高效率高可靠免维护，是属新一代高声强度超声波管道清洗机。
http://www.cosel.co.jp/en/products/dpf/pe_dpf1000.html
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