压电陶瓷动态驱动电源的设计与研究.pdf

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1、P ower Su p p l y Te c h n olog y a n d I t s Ap l i c a t i on 压 电陶瓷动 态驱动 电源的设计 与研 究 唐 英 ，崔 咏 琴 ，周友 来 ，张显斌 ，崔 华胜 ( 1 北 京 科技 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ；2 北 京 市 二七 机 车 车辆 厂 ， 北 京 1 0 0 0 7 2 ) 摘 要 ：设 计 了一种 适 应 压 电 陶 瓷动 态特 性应 用 的驱 动 电 源 ，分 析 了该 动 态 驱动 电 源 的原 理 及 参数的设计选择 方法 ， 并进行 了实验验证 。实验 结果表 明

2、， 该 电源具有 良好 的动 态性能 ， 满足 了设计 的 要 求 。 关键 词 ：升压 变压 器脉 宽调 制H桥 电路压 电 陶瓷 压电 陶瓷具有体 积小 、 分辨率 高 、 响应 快 、 推 力大等 一 系列优点 ， 用它 制成 的压 电驱 动器广 泛应用 于微 位移 输 出装置 、 力发 生装 置 、 微 型机器 人 和光 学 扫描 器等 设 备 中【 1 】 。任 何压 电陶瓷微 位移 器件 的使用 ， 都离 不 开驱 动控 制电源 。因此 ， 性能 良好 的驱 动控 制电源 是压 电陶 瓷微位移 技术得 以推广应 用 的前 提 。 压 电 陶瓷相 当 于容 性负 载 ， 由于 P Z

3、 T材 料 的介 电常 数 较 大 ， 所 以压 电陶 瓷 的电容 c比较 大 ， 它 与驱 动电路 的输 出电 阻 R构成 R C回路 ， 将影 响 压 电 陶瓷 的动态 特性 【 1 】 。 目前 ， 国 内压 电 器件 的应 用 主要利用其 静态 特性 ， 大多 数采用 直 流放大式 驱 动电源 ， 强调输 出电压 的稳 定性 与精度 。在 实际 应用 中， 有 时需 要压 电 陶瓷 按照一定 规 律周期 性S D 地 动态伸缩 ， 因此 需要 向压 电 陶瓷施 加 动态 电压 信 号 ， 如 三角波信 号 、 方波信 号等 ， 而传 统 的面向 静态应用 的驱动 电源则不能 满足要求

4、。 为 了适 应压 电 陶瓷动态 特性 的应用 ， 本文 介 图 l电 源 构成 示 意 图 直 流 高 压 HI N S D UN Vs s 图 2 H 桥 电路 基 本 原理 图 通路 ， 给压 电陶瓷施加 负 向电压 。正负 电压 连续重 复施 加在 压 电陶瓷上 ， 使压 电 陶瓷产生连续 的正负 向位移 。 I R 2 2 1 3具 有独 立 的低 端和 高端输 入 通道 ， 悬 浮 电源 采用 自举 电路 ， 其 高 端 工作 电压 可 达 1 2 0 0 V， 输 出 电压 范 围( 即功率器件 的栅极 驱动 电压 ) 为 1 2 V - 2 0 V； 逻辑 电 源 电压 D 0

5、范 围 为 ( V s s + 3 V s s + 2 0 ) V， 可 方便 地 与 r r L 或 C MO S电平 相匹 配 ， 而且逻 辑 电源地 和 功率地 之 间允 许 有一 5 V + 5 V的偏移 量 。而 I G B T模块 是 近几年兴起 的 电子 元器 件 ， 因其开 关速 度 快 、 损 耗小 而被 广泛 应用 于 电力 电子装置 中 。 在 本 H桥 电路 中 ，关键部 分是 自举 电路的设 计 ， 下 面 以左侧 I R 2 2 1 3为例说 明 自举 电路 的 工作原 理 。 自举 电路 由 自举 电容 C 和 自举 二极 管 D1构成 ， C z 为滤 波电 容

6、 ， R a、 R 、 为功率 器件 的门极 电阻 。假 定在 S 、 S 开 通 而 S ： 、 S ， 关 断期 间 ， C 。 已 经 充 到 足 够 的 电 压 c 1 4 4 欢迎 网上投稿 W WW a e t n e t C l l W WW a e t n e t c o rn c l l 电子技术应用2 0 0 7年第 4期 维普资讯 http:/ Po we r Su p ply Te c h n ol o g y an d I t s Apl i c a t ion ( 约等 于 o c ) ， 此 时 C 、 。 、 ( I G B T栅 源 极 电 阻 ) 构 成 C

7、 的放 电回路 ， 放 电时问 T 1 =( G + 1 ) C1 ， 应 小 于 S 、 S 的导 通 时 间 ； 假定 S 、 S 关 断而 S z 、 S 导通 ， 此 时 自举 电容 C 处 于充 电状 态 ，由 自举 电容 C 、 自举 二 极管 D 和 功率 器件 S ， 构成 充 电 回路 ，充 电时 间要 求 能 够使 自 举 电容 C 充满 到驱 动功率 器 件 S 所需 的 电荷 ，因此 S ， 的导通时 间要大 于 C 的充 电时 间。 在设 计 电路 时应该 注意 功率 器 件 I G B T的 限流 电阻 。不能太 大 ， 以免 使功 率器 件 的驱 动脉 冲不 够

8、陡 ； R 。 也 不 能太 小 ，以免 电流 过 大而 损坏 功 率器 件 ； R e越 大 ， 交 换 时间和交 换损 耗就越 大 ， 但交 换 时的 浪涌 电压 变 小 。 ( 1 ) 自举 电容的计 算 自举 电容应 该提供 的最 小 电荷 为 ： q b , = 2 + + + J J 式 中 ， Q 为 高 端 功 率 器 件 I B G T所 需 的 驱 动 电荷 ； 一 一 为 自举 电容 的 漏 电流( 只有 在选 择 自举 电容 时 考虑 ) ； 一 为 b s间最 大 电流 ； Q 为每 个周 期 内电平 转 换 电路 中的电荷 ； 厂为工 作频 率 。 最小 自举 电容

9、值 必须 满足 ： c ( ) 式 中 ， 为 自举二 极管 正 向压 降 ； V 岱为 低端 器件 压 降或 高端 负载压 降 。 自举 电容 应选 择 合适 的容值 ， 容 值 太 大 ， 会 使 充 放 电时间过短 ， 造 成 电容充 电不 足 ； 容 值太 小 ， 有可 能造 成 电容 的过充 而使 I C器件 损 坏 。为 了不 损 坏 I C器件 ， 又 减 小 的波 动 ， 将 式 ( 1 ) 算得 的 电容值 再 乘 以 系数 1 5 。 即 ： C 1 = 1 5 x ( 2 ) 滤波 电容 C ： 约 为 自举 电容 的 1 0倍 。 ( 2 ) 自举二 极管 的计算 自举

10、 二极 管必 须 能够 承受 干线 电压 ( 即高端 功率 器 件导通 时 的电压 ) ， 必须 采用快 速恢 复二 极管 ， 以减 小 自 举 电容 C 向 反馈 的 电荷 ， 二极 管 的额定 电流为 ： =Q x f ( 3 ) 设计 H 桥 电路时需 要注 意死 区时 间 的确定 ， 为 了保 证 4个 I G B T器件 安全 的导通 ， 一定要 设 置死 区时 间 ， 以 免 4个 I G B T同 时导通 而造成 短路 ， 产 生 不必 要 的损失 ， 死 区 时间要 保 证 充放 电能够 正 常 进行 。本 文所 采 用 的 I G B T要 求 最少 要 有 3 p , s的

11、死 区 时 间。但 死 区时 间 的确 定还要 根据 容性 负载 的放 电时 问而具 体确定 。 1 2 脉 宽 调 制 由于 压 电陶瓷 上所 加 电压是 正负 交 替连续 变 化 的 ， 因此 采用 脉 宽调 制 方法 向 I R2 2 1 3双 输 入通 道输 入 相 位 差 1 8 0 。 的推 挽方波 信 号 。这样 ， I R2 2 1 3的双输 出通道 也 输 出推挽 的 方波 信号 ，分别 驱 动 I R2 2 1 3的高端 和低 端 电子技 术应 用2 0 0 7年第 4期 的功率 器件 ， 从 而实 现对 压 电陶瓷 所加 电 压的要 求 。为 此 ， 采 用 了脉 宽 调

12、 制 器 T I A9 4， 它 是 一 种性 能 优 良的 固 定 频率 的电压驱 动型 脉宽 调制 器 ， 包含 了 控制 开关 电源 所需 的全部 功 能。脉 宽调 制电路 原理 图如 图 3所示 。 图 3 TL 4 9 4脉 宽 调 制 原 理 图 输 出脉 冲的频率 可 以通 过 改变 或 的值 按下 式 进行 调节 ： 产 ( 4 ) R r xCr 、 式 中 ， 为调频 电阻 ， C 为调 频 电容 。 9脚 和 1 0脚 输 出推挽 方 波信 号 ， 相位 差为 1 8 0 。 ， 用 以满 足 I R芯 片的输 入要 求 。1脚输入 电压 在 0 - 5 V之 间 变化

13、， 输 出 的脉冲 宽度 随之变化 。1脚输入 电压值 越高 ， 9脚 和 1 0脚 输 出 的脉 冲宽度 越窄 。T I A9 4的工作 电压 在 7 V 4 0 V范 围内 ，改 变工 作 电压对 输 出脉 冲的周 期 和脉 宽没 有 影 响 ， 但 可 以改变 输 出脉 冲的 幅值 ， 工 作 电压 越 高 ， 输 出脉冲 的幅值 越 大 ， 成 线性关 系 。 1 3 变压器 升压 整流 滤波 电路 H桥 功 率 放 大 电路 需 要 高 压 直流 电源 直接 加 在 功 率 输 出级 ， 且要 求高 压直流 电源 的稳 定度 高 、 纹波 低 ， 一 般 的倍 压 升压 电路带 负载

14、 能力 较差 ， 对 元器 件 的耐压要 求 较 高 。 因此 ， 改用 由变压 器升压 ， 再进行 整流 滤波得 到 高压 直流 电源 的方法 ， 其 电路 图如 图 4所 示 。 变压 器 可 以使 电路与 电 网隔离 ， 以保证 安全 。该 电 路 属 于高压 电路 ，为 了降 低对 滤 波 电容 耐 压 能力 的要 求 ， 采 用均 流 滤 波 的方 式 ， 各 滤 波 电阻 和 滤波 电容 值 要 分别 相 等 ， 设每 个 滤 波 电阻 值 为 ， 即 R8 = 9 = R1 o = R1 = R 2 = 1 3 = 1 = ，每 个滤 波 电容 值 为 C ，即 C s = C

15、9 = C 1 0 = C 1 = C 1 ： = C 1 3 =C = C ， 则 滤 波 电容 总 的耐压 值 达到 直流 电 压值 的 1 5倍 即可 满足要 求 。 滤波 电阻 总值 ： R= n R ( 5 ) 滤波 电容 总值 C： C ： C， ( 6 ) 式 中 ， t , 为 滤波 电阻 、 电容总 个数 。 对于有 效值 为 的输入 交 流 电压 ，其输 出电压 计 算 公式 为 ： U o = 2 x 1 5 、 2 ( 7 ) 本 刊 邮 箱： e t a n c s e c o m c n 1 4 5 维普资讯 http:/ D A 图 4 高 压直 流 电 源原 理

16、 图 式( 7 ) 为理想 计算 公 式 ， 当外 界条 件不 同 时 ， 如滤 波 电容 、 电 阻的取 值 不 同时 ， 实 际 中会有 电压损 失 ； 另 外 ， 随着 通 电时 间 的延 长 ，电阻 电容 等元 件温 度 会有 所 变 化 ， 也会影 响最 终的输 出 电压值 。 因此 ， 实际 的输 出电压 会 略低于 理论计算 值 。 由于滤波 电容值 较大 ， 在 通 电瞬间会有 较 大的浪 涌 电流产生 。 因此 ， 在 整流 电路 的干 路上 串接 一 电阻 ， 用来 限制浪 涌电 流 ， 待 电路 中 电流稳 定 以后 ， 再 将 该 电阻短 路 。为 了限制 通电 瞬间带

17、来 的浪 涌 电流 ， 本 设计 中采用 晶闸管 ( D 2、 D 3) 控 制 电路 ， 当 电源通 电瞬 间 ， 先 将 限 流 电阻 ( 如 ， 、 ) 串入 电路 ， 延 时 一段 时 间 、 经 过 光 电 隔 离器 后给 晶 闸管发 送脉 冲 ， 使 晶 闸管 闭合 ， 将 限流 电 阻 短路 ， 以达 到减小 浪涌 电流 的 目的。 2 实 验 及 结 果 分 析 压 电陶瓷作动 器在精密 加工 中有着广 泛 的应用 。笔 者利用压 电陶瓷做 微位移 作动 器 ， 要求压 电 陶瓷的工 作 电压为 6 0 0 V，振动频 率在 O 1 5 0 0 H z，可产生 的位移 为 0

18、1 0 1 m。根 据这 一要求 ，制 作 了压 电陶瓷 动态驱 动 电 源， 并做 了相应 的实验 ， 以验证 所设计 驱动 电源 的性 能 。 实测 的加在压 电 陶瓷 上的 电压波形 如图 5所示 。 实验 中的主要参 数如下 ： ( 1 ) 脉宽调 制 电路 中的 调频 电容 C 为 0 1 F， 调 频 电 阻 为 4 0 k l - I ， 据 式( 4 ) 计算 得脉 宽调制 器输 出方波 信号 的频 率为 1 1 k Hz ， 即压 电陶瓷的振 动频 率 厂 =1 1 k Hz 。 ( 2 ) 变压器每组线圈升压 比为 1 5 ， 当输入 2 2 0 V交流 电 时，经高压 整

19、 流滤 波后 可得 8 8 0 V的直 流 电压 。经过 测 试 ， 滤波 效果很好 ， 纹 波小 于 4 。为 了使压 电陶瓷 堆不 被击穿 ，在实验 中，经 电 阻分压将 电压 限制 在 6 0 0 V 以 t p s 图 5 压 电 陶 瓷 上 的 电 压 波 形 下 。由于 电阻上有 电压损失 ， 实验显 示压 电 陶瓷上实 际 所加 电压稍低 于 4 5 0 V。 ( 3 ) 死 区时间 的设定要 满足两个 条件 ： 一 是要 使 自举 电容有 足够 的时 间充满 到能够 驱动 I G B T功 率器 件所需 要的 电荷 ； 二是要使 压 电陶瓷这个 容性 负载 有足 够的放 电时间

20、 ， 死 区时间要 大于 1 0 1 s 。实 验 中推挽 信号 占空 比 为 3 O ， 死区时 间为 2 7 2 1 s 。 在本 电路 的 H桥 电路 中， 自举 电容 C 、 c 4 取 2 2 F， 滤 波电容 、 取 2 2 1 F， T I A9 4的工作 电压 为 1 5 V， 输 出 的推挽 方 波信号 幅值 也为 1 5 V， 频率 为 1 1 k Hz ， 经 测量 ， 压 电陶瓷产 生 了约 7 m的位 移 ， 满 足 了设计 要求 。 由 图 5可 以看 出 ， 压 电 陶瓷 的工 作过 程是 一个充 放 电的重 复过程 ， 可以通过 改变 充放 电参数 来改 变容性

21、 负 载 的充 放 电的速度 。需要注 意的 是 ， 在 门极 电路 不 良或 门极 电路完全 未动作 ( 门极 开放状 态 ) 时 ， 在主 电路上外 加 电压 ， I G B T可 能破坏 。 因此 ， 在使 用本 电源时应 注 意 要先加 脉宽调 制器 的控 制 电源 ，即先 给 I G B T施 加 门极 驱 动 电压 ， 再加 直流 高压 ， 以免损 坏功率 器件 I G B T。 为满 足压 电陶瓷动态应用 特性而设计 的压 电陶瓷动 态驱 动电源 ， 可以很 好地为压 电陶瓷施加动态驱 动电压 ， 使压 电陶瓷产生连续 的正负双 向位 移。通过改 变脉宽调 制 电路 中的调频 电

22、容 和调频 电阻可改 变加在压 电陶瓷上 的 电压信号 的频率 ， 进而改变压电 陶瓷的振动频率 。通过 改变外加高 压直流电源 电压 的大小 ，可以改变加在 压 电 陶瓷两端的 电压和改变压 电陶瓷 产生的振幅。实验 证明 ， 本电源基本上满足 了压 电陶瓷驱 动电源的设计 要求 。 参考 文献 【 1 尹 德 芹 ， 颜 国正 ， 颜 德 田， 等压 电陶瓷 动 态应 用 的新 型驱动电源研究【 J 压 电与声光 ， 2 0 0 0， 2 2 ( 2 ) 【 2 周 亮 ， 姚 学英 ， 张 宏 志低 波纹 度 快 速 响应 压 电 陶瓷 驱 动电源的研制【 J 压 电与声光 ， 2 0

23、0 0， 2 2 ( 4 ) f 3 冯 晓 光， 赵 万 生， 栗 岩 ， 等 压 电陶 瓷微 位 移 器 驱动 电 源 及减小其纹波的方法【 J 压电与声光 ， 1 9 9 7， 1 9 ( 1 ) 【 4 J A C O B J M( 美 ) 功 率 电 子学 一 原理 与 应 用【 M 蒋 晓颖 ， 译 北 京 ：清华 大 学 出版 社 ， 2 0 0 5 【 5 周 惠潮 常用 电子 元件 及 典 型应 用 【 M 北京 ： 电 子工 业 出 版 社 ， 2 0 0 5 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 6 1 1 2 0) 1 4 6 欢迎 网上投稿 WW W a e t n e t c n WW W a e t n e t t o m c n 电子技术应用2 0 0 7年第 4期 维普资讯 http:/