高频脉冲电源的研制

　　1 引言

　　利用压电换能器激发超声波检测物体缺陷时，需要在换能器和被检测体之间加入耦合介质。20世纪60年代末，人们研制了电磁超声换能器。与压电换能器相比，它具有换能器与被检测体非接触、无须加耦合剂、环境适应性强、重复性好等优点[1]。但电磁超声换能器转换效率低，需要大功率的脉冲电源来激励。为此，研制高频大功率脉冲电源成为电磁超声实验的首要问题。

　　2 脉冲电源的主要技术指标

　　电磁超声换能器需要大电流脉冲激励，而且脉冲的频率很高。根据电磁超声实验的要求，脉冲电源的主要技术指标为：脉冲电流20A;信号频率100kHz～1MHz之间可调;脉冲信号的周期个数可调，相邻脉冲间隔时间可调;电源效率高于80%。

　　3 脉冲电源设计

　　首先，由信号发生模块产生方波信号，通过控制模块对方波信号的截取，使之输出方波脉冲;然后，驱动模块将方波脉冲放大并用以驱动逆变模块中的MOSFET;最后，逆变模块输出的大电流方波脉冲经过调谐滤波后成为正弦脉冲。图1示出利用全桥逆变原理研制的脉冲电源框图。

　　3.1 信号发生电路设计

　　信号发生电路采用移相全桥控制芯片UCC2895，它是一种高性能 PWM控制器。其特点是[2]：可编程设置输出开通延时和自适应延时;既可用于电压模式，又可用于电流模式;输出脉冲占空比从0～100%可调;具有软关断能力;最高工作频率达1MHz等。电磁超声换能器一般工作于100kHz~1MHz，所以UCC2895能够达到信号发生电路要求。OUTA和OUTB输出两路互补方波信号，其周期由电容C3和电阻R1确定，周期tosc满足如下公式：

　　方波信号占空比由电阻R2，R3和R4确定。为保证逆变模块中MOSFET的可靠通断，要求方波信号的占空比小于50%，即两路方波信号之间有一定死区时间(tDELAY)。其波形示意图如图2所示。

　　为了产生一组脉冲信号，需要对UCC2895进行控制。该芯片具有控制管脚SS/DISB，只要将该管脚置为低电平，OUTA和OUTB就输出低电平。利用单片机定时向SS/DISB输出高低电平，就可以控制UCC2895周期性输出方波脉冲。通过设置单片机输出高电平的时间，就可以控制UCC2895输出脉冲包含的方波个数;改变单片机输出低电平的时间，就可以控制两个脉冲串的时间间隔。这样，就能产生脉冲间隔时间及其包含方波个数均可控的脉冲信号。

　　OUTA管脚输出的脉冲信号如图3所示。

　　3.2 栅极驱动电路设计

　　由于UCC2895产生的信号驱动能力有限，需要经过驱动芯片放大后再驱动MOSFET。在选择驱动芯片时，要根据MOSFET的特征参数来确定驱动芯片参数，因为不同的MOSFE 有不同的极间电容，其开通和关断时所需的驱动电流也不同。为了使MOSFET正常工作，其栅极驱动峰值电流Ip要满足其通断时的极间电容充放电要求。一般用下式估算电流峰值[3]：