第1章绪论
近几年来，我国对超声技术的研究十分活跃，科学技术的快速发展，学科之间的相互渗透，超声工程学在很多领域中起着十分重要的作用，按其研究的内容，可以分为检测超声和功率超声。超声波获取若干信息，然后在通信上的应用，叫做检测超声川，检测超声主要应用于超声波流量计、超声波探伤、超声波测厚仪、水下超声定位与探测、超声对浓度与声速的检测等方面。用超声波使物体或物性变化的功率应用，叫做功率超声，功率超声主要应用在超声焊接、超声加工、超声清洗、超声波防盐垢、超声马达以及疾病的治疗等方面。
功率超声技术是以物理学、材料科学基础、电子技术基础、电力电子技术、计算机网络技术等学科构成的现代高新技术。目前，超声技术研究和应用的范围，已经从机械、电力、冶金等部门扩大到了越来越多的工业部门，并且取得了很好的社会效益和经济效益。超声技术已经成为公认的高科技领域，在有些方面我国已经达到或接近国际先进水平，与其有关的技术产品涉及到了机械、电力、电子以及材料等新技术。伴随着科学技术的发展，在日常生活中超声技术的应用会越来越广泛，在今后会涉及到更多的应用领域，它必将在我国国民经济建设中发挥很大的作用。
1.1超声波电源的发展
超声波电源也叫做超声波发生器，它的用途是把电能转换成与换能器(以及与它配合的变幅杆、工具头)相匹配的高频交流电信号〔习，根据其激励方式司以分为两种超声波电源，一种是自激式超声波电源，一种是他激式超声波电源。自激式超声波电源是由振荡电路、功率放大电路、变压器和压电换能器等部分组成一个闭环，振荡电路在满足相位平衡和幅度平衡的条件下，这样使振荡电路的频率跟踪超声波换能器的谐振频率，让电源工作状态处在最佳;他激式赶声波电源主要由一前级的振荡器和后级的功率放大电路两部分组成，通过变压器来传递能量，然后通过匹配网络，最后把能量加到超声波换能器上。随着科学技术的发展，电力电子器件的快速发展，其发展阶段经历了电子管构成的放沐电路阶段、晶体管模拟器件构成的放大电路阶段和晶体管数字开关构成的放沐电路阶段。
上世纪80年代前，由电子管构成的功率放大电路用的较多。电子管构成的功率放大电路有动态调节范围大的特点。不过对于超声波电源而言，好处并不是很明显，缺点太多。后来晶体三极管的出现，电子管遭到了淘汰。早期由电子管构成的功率放大电路有使用时间不长，效率低、功耗大、体积大、价格昂贵等缺点。
上世纪80年代到90年代中旬，由晶体三极管构成的功率放大电路的发展已经非常成熟了，相比电子管电源，优势明显，因此由电子管构成的功率放大电路遭到了淘汰，各种无输出变压器(OTL)以及无输出电容器(OCL)电路已经开始得到应用。伴随着晶体三极管模拟放大器的投入使用，重量和体积下降了，使用时间长，效率也提高了，但是由晶体三极管构成的放大电路也有体积较大、重量重、功耗较大以及使用微处理器来处理不是很方便等缺点
功率半导体器件的发展，尤其是垂直双扩散金属一氧化物半导体场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管的发展，使得开关型发生器开始发展。它是通过改变功率开关器件的占空比来控制功率。开关型发生器主要有重量轻、体积小、可靠性好、效率高、使用时间长、功耗低等特点[[5]。相比由电子管构成的放大电路和晶体管模拟器件构成的放大电路，晶体管开关型发生器也添加了复杂的保护电路，自动化程度比较高，可以输出大功率。
1.2电力电子器件的应用
电力电子器件也叫做功率半导体器件，它是电力电子技术或电能变换技术的基础，是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的器件。其发展过程经历了工频，低频，中频到高频的发展。超声波电源的发展与功率半导体器件的发展紧密相连。早期，功率半导体器件主要是双极型开关晶体管，它的价格比较便宜，但是开关频率不能太高，上升延时和下降延时较大。因此，在频率不高的场合应用较多。上世纪80年代，采用 VDMOS管，也就是垂直双扩散金属一氧化物半导体场效应晶体管。它是电压控制型器件，UDMOS管兼有双极型晶体三极管和普通MOS器件的优点，是理想的功率器件。主要缺点有导通电阻很大，功耗也较大，主要优点有驱动简单、输入阻抗高、抗击穿特性好、非常快的开关时间。因此，垂直双扩散金属一氧化物半导体场效应晶体管适合于功率小、开关频率高的场合。上世纪90年代，采用了工GBT管，即绝缘栅双极型晶体管，它是双极型晶体管和MOS管组成的产物.
2.5 驱动电路................... 26-28
2.5.1 驱动电路的设................... 26-27
2.5.2 驱动方案的................... 27-28
2.6 缓冲电路................... 28-29
2.7 功率反馈电路的................... 29-31
2.8 保护电路的设................... 31-32
2.8.1 过电流保................... 31
2.8.2 过电压保................... 31-32
2.9 本章小结................... 32-33
第3章 超声波电源与................... 33-40
3.1 换能器的特................... 33-36
3.1.1 串联谐振................... 34-35
3.1.2 并联谐振................... 35-36
3.2 匹配网络的设计................... 36-38
3.2.1 单个电感的匹................... 36-37
3.2.2 电感-电容匹................... 37-38
3.2.3 改进的电感-电容................... 38
3.3 阻抗匹配................... 38-39
3.4 谐振分析................... 39
3.5 本章小结................... 39-40
第4章 频率跟踪控制方法的研究 40-45
4.1 频率跟踪方法 40-43
4.2 频率跟踪方案的确定 43-44
4.3 本章小结 44-45
结论
本文主要的工作是解决超声波换能器由于负载变化剧烈、发热、老化、磨损等原因而发生变化，导致超声波换能器的谐振频率漂移的问题，研究的是一种传统的自激式超声波电源，串联谐振频率茬20KHz左右，频率跟踪采用负载分压式反馈系统，在以前手动调节电感的基础上，通过在反馈回路添加通过AVR单片机控制数字电感来跟踪超声波换能器的谐振频率，这种方法易操作，能稳定运行。本文的主要工作如下:
(1)讨论开关电源常见的拓扑结构包括升压斩波电路、降压斩波电路、升降压斩波电路、半桥功率放大电路、全桥功率放大电路、推挽式功率放大电路，介绍了半桥功率放大电路、全桥功率放大电路和推挽式功率放大电路的优点和缺点。确定了超声波电源的设计方案。