一種應用於納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變裝置的製作方法

2023-11-02 04:57:17 1

本發明涉及一種應用於納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變裝置。

背景技術：

現代電力電子技術對開關電源效率、可靠性的要求越來越高，且隨著開關電源應用範圍的不斷廣泛和技術的完善，人們越來越發現提高開關頻率對電源的巨大優勢，提高頻率最大的優點是可以大幅度減少電路中變壓器和感性容性器件的體積重量，從而減小整體的體積，使設備更加便攜。隨著開關管制造技術的發展，絕緣柵雙極型電晶體管和場效應管具有更高的工作頻率，耐壓條件，因此不斷被應用在開關電源上。

提高開關頻率的同時，對電路也出現了一些影響，首先電路的幹擾能力變強，其布線必須更加講究，其次開關管的損耗也相對呈比例增長，此時對於發熱的控制就顯得尤為重要，所以本設計研究的移相全橋技術，就是為了實現軟開關技術降低開關管的發熱，提高電路的可靠性。

軟開關與硬開關的區別，在於開關管動作期間電壓電流變化情況，硬開關工作條件下，開關管動作前後，電壓電流不為零，波形上出現重疊，導致功率損耗，開關管發熱，而在軟開關工作條件下，開關前後電壓或電流已經降到零，此時沒有損耗發生，軟開關一般是使用了諧振的原理。

移相全橋型零電壓開關PWM電路，它的電路比較簡潔，不需要在電路中增加輔助開關，它只需要在負載處增加一個電感值合適的電感，通過調節驅動信號的死區時間和相位移動的控制，使電容與電感在死區時間內發生諧振，在其動作前使開關管柵源兩端電壓為零，實現零電壓開通關斷的效果。最終的負載使用感應加熱線圈，感應加熱為通過電能與磁能相互轉換，使鐵件溫度上升。將高頻率大電流通過感應線圈，這時因為電磁感應定律和渦流定律，導磁物體內部分子高速移動和相互摩擦生熱，從而起到感應加熱的效果。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種應用於納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變裝置，以克服現有技術中存在的缺陷。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種應用於納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變裝置，包括：供電模塊、整流濾波模塊、移相信號控制模塊、驅動模塊、全橋逆變模塊以及線圈負載模塊；所述供電模塊將市電220V交流電壓通過通過降壓隔離，為所述整流濾波模塊提供直流輸入電壓；所述供電模塊將市電220V交流電壓通過電源適配器為所述移相信號控制模塊以及所述驅動模塊提供直流輸入電壓；所述移相信號控制模塊發送移相控制信號至所述驅動模塊；所述驅動模塊驅動所述全橋逆變模塊，將所述整流濾波模塊為所述全橋逆變模塊提供的直流輸入電壓轉換為交流電，並輸入至所述線圈負載模塊，驅動該線圈負載模塊加熱。

在本發明一實施例中，所述供電模塊包括一變壓器，將市電220V交流電壓降壓到24V。

在本發明一實施例中，所述整流濾波模塊包括一KBPC3510整流橋以及一電容濾波電路。

在本發明一實施例中，所述移相信號控制模塊包括一PWM移相控制器UCC3895、兩個超前臂開關管驅動電路以及兩個滯後臂開關管驅動電路；所述PWM移相控制器UCC3895用於驅動所述兩個超前臂開關管驅動電路以及所述兩個滯後臂開關管驅動電路。

在本發明一實施例中，所述PWM移相控制器UCC3895通過調節其8腳電阻RT以及7腳電電容CT的組合以控制其頻率，並通過調節9腳、10腳電阻控制其延時時間，從而進行移相，並生成4路符合預設頻率、預設佔空比以及預設延時的信號；

在本發明一實施例中，所述驅動模塊包括兩個驅動晶片IR2110。

在本發明一實施例中，所述全橋逆變模塊包括4個開關管，且均採用IRFP460場效應管，且並聯MKP電容，反並聯續流二極體FR10；第一IRFP460場效應管以及第二IRFP460場效應管均與第一驅動晶片IR2110相連，第三IRFP460場效應管以及第四IRFP460場效應管均與第二驅動晶片IR2110相連。

在本發明一實施例中，還包括一繼電器軟啟動電路，包括一與所述線圈負載模塊中繼電器相連的限流功率電阻以及一與所述線圈負載模塊中線圈並聯的電容；當啟動電路，電流先從所述限流功率電阻上流過，同時給電容充電，達到動作電壓後，繼電器動作，觸點閉合，將所述限流功率電阻短路，電流回復原來的值完成軟啟動。

在本發明一實施例中，所述第一驅動晶片IR2110輸出的驅動信號分別控制所述第一IRFP460場效應管以及所述第二IRFP460場效應管， 所述第二驅動晶片IR2110輸出的驅動信號分別控制所述第三IRFP460場效應管以及所述第四IRFP460場效應管；其中，輸入所述第一IRFP460場效應管以及所述第四IRFP460場效應管的驅動信號相位、佔空比一致，輸入所述第二IRFP460場效應管以及所述第三IRFP460場效應管的信號相位、佔空比一致，均為40%，輸入的電壓幅值均為5V，頻率均為20kHz。

相較於現有技術，本發明具有以下有益效果：

(1)應用諧振的工作原理，由於加熱線圈本身帶有電感，通過線圈與開關管並聯的電容實現諧振，與傳統儀器相比，簡化了電路結構。

(2)通過達到軟開關實現ZVS開通關斷，提升轉化效率，進而提升電源品質。

附圖說明

圖1為本發明一種應用於納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變裝置原理框圖。

圖2為本發明一實施例中超前臂開關管以及滯後臂開關管的電路圖。

圖3為本發明一實施例中交流220V轉直流24V整流濾波電路電路。

圖4為本發明一實施例中整流濾波後波形與交流電波形比較圖

圖5為本發明一實施例中驅動模塊的電路圖。

圖6為本發明一實施例中負載電阻為100Ω的電流波形圖。

圖7為本發明一實施例中負載電阻為1KΩ的電流波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。

本發明的目的在於通過軟開關實現ZVS開通關斷，提升轉化效率，進而提升電源品質的應用納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變系統設計的實現方案。該系統實現了使用晶片調節相應的引腳來達到移相的目的，最終生成4路頻率，佔空比，延時滿足要求的信號，從而實現軟開關，提高轉化效率的要求。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種應用納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變裝置，包括供電電路模塊、整流濾波電路模塊、信號控制電路模塊、驅動電路模塊、全橋逆變電路模塊、線圈負載電路模塊等；整流濾波電路模塊並聯濾波電容達到整流目的；信號控制電路模塊通過調節相應的引腳來達到移相的目的，最終生成4路頻率，佔空比，延時滿足要求的信號；驅動電路模塊使信號帶有驅動能力，能夠控制開關管工作；全橋逆變電路模塊將直流電轉化成交流電的作用；線圈負載電路模塊用來感應加熱。

進一步的，市電220V交流電壓通過降壓隔離，轉為24V直流電壓，作為整流濾波電路模塊工作的輸入電源；另一方面，市電220V交流電壓通過電源適配器轉為12V直流電壓，作為移相控制電路模塊與驅動電路模塊的電源。

移相控制電路模塊調節相應的引腳產生滿足要求的信號，其產生的信號輸入到驅動電路模塊，從而使驅動電路模塊能夠控制開關管的工作。

全橋逆變電路模塊接受驅動電路的信號，將直流電轉為交流電，實現電磁感應加熱，並實現軟開關功能，使得原件損耗較小。

進一步的，在本實施例中，移相全橋型零電壓開關PWM電路，電路比較簡潔，不需要在電路中增加輔助開關，只需要在負載處增加一個電感值合適的電感，通過調節驅動信號的死區時間和相位移動的控制，使電容與電感在死區時間內發生諧振，在其動作前使開關管柵源兩端電壓為零，實現零電壓開通關斷的效果。最終負載使用感應加熱線圈，感應加熱為通過電能與磁能相互轉換，使鐵件溫度上升。將高頻率大電流通過感應線圈，這時因為電磁感應定律和渦流定律，導磁物體內部分子高速移動和相互摩擦生熱，從而起到感應加熱的效果。

為了讓本領域技術人員進一步了解本發明所提出的一種應用於納米腫瘤加熱治療技術的全橋移相逆變裝置，下面結合具體實施例進行說明。

圖1中，P、U1、U2、U3為控制部分，S、T、Z、L、R為負載供電部分，N為逆變部分，O為負載線圈部分。圖2為用於感應加熱的移相全橋電路中超前臂開關管以及滯後臂開關管的電路圖。

P為晶片供電，使用直流12V輸出的電源適配器。U1為UCC3895移相控制晶片用於產生控制開關管的方波信號，且通過控制其外部電路參數，實現佔空比，頻率，延時的控制。如圖2所示，U2和U3分別為全橋電路兩個超前臂和兩個滯後臂開關管的驅動電路，通過接受U1給出的信號，使其帶有驅動能力，負載供電部分中。PWM移相控制器UCC3895通過調節其8腳電阻RT和7腳電電容CT的組合控制其頻率，通過調節9腳，10腳電阻控制其延時時間，達到移相的目的，最終生成4路頻率，佔空比，延時滿足要求的信號。S為市電接入的交流220V電壓，接入T，T為變壓器，將使市電降壓到24V；Z為整流電路，使用KBPC3510整流橋，將交流電變為直流，並聯濾波電容達到整流目的。交流220V轉直流24V整流濾波電路如圖3所示。整流濾波後波形與交流電波形比較圖如圖4所示。

L為電容濾波電路，配合整流電路將波形變成平波；R為繼電器軟啟動電路，為了防止電路啟動電流過大，要在啟動時電路上接一個功率電阻限流，同時在繼電器線圈並聯一個電容，繼電器常開觸點並聯在限流電阻上，當啟動電路，主電路電流先從電阻上流過，同時給電容充電，達到動作電壓後，繼電器動作，觸點閉合，將限流電阻短路，電流回復原來的值達到軟啟動目的。

N為逆變電路，為開關管上並聯電容與反並聯二極體的全橋電路，通過U2、U3接入的驅動信號控制開關管工作實現逆變，通過延時和佔空比的設置實現軟開關工作，降低開關管溫升。在本實施例中，驅動模塊使用驅動晶片IR2110，其功能是使信號帶有驅動能力，能夠控制全橋逆變模塊中開關管工作。全橋逆變模塊中開關管使用IRFP460場效應管，並聯MKP電容，反並聯續流二極體FR107。負載O為加熱線圈，通過逆變電路使其通以交流電，通過電磁感應定律和渦流定理使線圈上的鐵件加熱。圖5為驅動部分電路圖。驅動晶片IR2110輸入四個方波驅動信號，同一個驅動晶片的輸入為控制上下橋臂的兩路互補信號，U1輸出的驅動信號分別控制開關管Q1、Q2， U2輸出的驅動信號分別控制開關管Q3、Q4，其中輸入Q1、Q4的信號相位、佔空比一致，輸入Q2、Q3的信號相位、佔空比一致，都設置為40%，輸入的電壓幅值都設置為5V，頻率暫時設置為20kHz。圖6和圖7分別為負載電阻為100Ω和1KΩ的電流波形圖。

以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。