一種大功率高頻激勵源驅動電路及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電路設計技術領域，具體涉及一種大功率高頻激勵源驅動電路及其設 計方法。
【背景技術】
[0002] 由于電磁超聲具有非接觸、無需耦合劑、易實現在線檢測，對檢測環境要求較低、 可方便激發出多種類型超聲波等諸多優點，在管道內檢測以及高溫，高速等特殊場合金屬 缺陷的檢測有著廣泛的應用。電磁超聲具有非接觸的特點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，它是一種利用E 類變換器工作在ZVS的狀態同時保留D類變換器的雙管圖騰柱結構而形成的一種技術。由 于D類變換器工作在"硬開關"模式，損耗大，開關利用率低；DE類功率放大器具備的獨特優 勢克服了上述缺點，但同時也使DE類變換器的工作過程變得復雜而使得驅動電路的設計 增加困難。激勵源要求產生高峰值電流、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良性能密不可分，而驅動電路作為激勵源設計中重要的組成部 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的驅動多采用自舉電容實現，但是自舉電容 會因為頻率的升高迅速失效，并不具有較好高頻特性，尤其應用于管道內檢測時，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動電路設計方面的要求。

【發明內容】

[0004] 為解決上述問題，本發明提供了 一種大功率高頻激勵源驅動電路及其設計方法， 目的是為了使驅動電路能更好的適應管道內檢測的復雜環境，改善高頻激勵源的性能，實 現電磁超聲激勵源的高頻驅動。
[0005] 本發明公開了一種大功率高頻激勵源驅動電路，所述驅動電路包括驅動電路模塊 和圖騰柱電路；
[0006] 所述驅動電路模塊包括信號發生器、隔離模塊、第一驅動模塊和第二驅動模塊，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 別與第一驅動模塊和第二驅動模塊相連，第一驅動模塊和MOS 1相連，第二驅動模塊和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] 驅動電路模塊的等效驅動電路和圖騰柱電路的MOS內部等效電感構成等效電感 回路。
[0009] 所述隔離模塊還包括穩壓模塊、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；穩壓模塊的輸入端IN 與第一隔離變壓器的輸出端+Vciut相連；穩壓模塊的輸出端OUT與電阻R i相連，穩壓模塊的 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] 所述第一驅動模塊和第二驅動模塊結構相同，都包括比較器、驅動器；
[0012] 所述第一驅動模塊和第二驅動模塊與隔離模塊的連接方式均為：
[0013] 信號發生器通過隔離模塊內的光纖隔離器的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端都與穩壓模塊的+5V端相連；比較器的端和驅動器的 IN端相連，驅動器的電源端Vdd和第一隔離變壓器輸出端+V _相連，驅動器的OUTH和OUTL 相連，驅動器的OUTH和OUTL與第二隔離變壓器的輸出端+Vciut相連。
[0014] 所述第一驅動模塊和第二驅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 和比較器的負向輸入端-V1相連；正向輸入端+V i和負向輸入端-V i相連；比較器的輸出引 腳和接地端-Vdr相連；比較器的端和驅動器的IN端相連；驅動器的電源端V dd和第一隔 離變壓器輸出端+Vciut相連；驅動器的OUTH和OUTL相連，R 6和R 7組成并聯電路，R 6和R 7并 聯電路的一端和P-Gate相連，另一端和驅動器的OUTH和OUTL相連；驅動器的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S 1、電阻R2、等效開關S2、電感 L4、L5組成的等效驅動電路和由MOS的柵源極、L s組成的MOS內部等效電感；所述等效電感 回路的連接方式為：從電源正極到電源負極，電感Lp L3、電阻R1、等效開關S1、電阻R2、等效 開關S 2、電感L4、L2依次串聯組成閉合回路；電感L 5、L6、Ls、MOS的柵源極、1^依次串聯，然 后并聯于電阻R 2和等效開關S 2組成的串聯電路S 2-R2兩端。
[0017] 根據MOS的圖騰柱結構，選擇第一隔離變壓器、第二隔離變壓器作為隔離模塊，實 現"浮地"的驅動方式。
[0018] 本發明還公開了一種大功率高頻激勵源驅動電路的設計方法，該方法包括：
[0019] 步驟一、構建權利要求1-5任一項所述的大功率高頻激勵源驅動電路；
[0020] 步驟二、基于所述的大功率高頻激勵源驅動電路，根據MOS實際的工作參數，選擇 合適的MOS規格；
[0021] 步驟三、由MOS規格相對應的柵源總電荷量與柵源電壓關系曲線，選擇所需的柵 源電壓對應的柵源總電荷量，根據MOS工作頻率確定開關時間，通過柵源總電荷量和開關 時間計算驅動電流；
[0022] 步驟四、根據柵源總電荷量、驅動電壓和工作頻率計算驅動電路的損耗，根據驅動 電路的損耗和驅動電流選擇驅動器。
[0023] 所述步驟二包括：
[0024] 根據柵源電壓Vss確定驅動MOS i、MOS^最低電壓峰值，根據漏源電壓V DS確定 MOSpMOSd^最大耐壓值；根據導通電阻Rcin確定MOS 1、10&導通電流i sl、is2;根據輸入電容 Clss，確定舢51、1052導通時間和關斷時間；根據輸出電容C _，確定MOSpMOS2的最高工作頻 率；根據MOS柵源電壓Vss、漏源電壓V ds、輸入電容Clss，選擇MOS規格。
[0025] 所述步驟三包括：
[0026] 選取MOS規格后，由MOS規格相對應的柵源總電荷量與柵源電壓關系曲線，選擇所 需的柵源電壓V ss對應的柵源總電荷量Q 根據MOS ^MOS2的工作頻率f，確定MOS pMOS^ 開關時間t = 0. 05Xf ;由公式I = Q(；/t確定驅動電流I。
[0027] 所述步驟四包括：
[0028] 由公式Pd= Q Jdf得出驅動電路的損耗，Vd為驅動電壓，根據計算得出的驅動電流 I和驅動電路的損耗Pd選擇驅動器。
[0029] 所述驅動器的選擇標準為：所選驅動器承受的損耗至少SPd，最大驅動電流至少 為I。
[0030] 當給MOS的柵極電容充放電時，所需充放電時間為整個導通周期的5%，驅動電路 的損耗可根據公式：
[0031] Pd= Q GVdf
[0032] 其中，Qti為柵極總電荷量，V d為驅動電壓，f為工作頻率。
[0033] 與現有技術相比，本發明的有益效果為：
[0034] 本發明公開了一種大功率高頻激勵源驅動電路及設計方法，通過選擇第一隔離變 壓器、第二隔離變壓器，實現大功率高頻激勵源驅動電路的"浮地"的驅動方式；通過選用光 纖隔離器，實現了信號隔離，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柵源極提供了穩定的驅動電壓；通過設計驅