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前言
在石油、化工、冶金或制藥領域，其生產現場中會有大量的熱交換器以及介質輸送管，而金屬管道內的除垢與防垢問題，一直是國內外眾多產業部門多年來未能介決的難題。目前普遍采用的是化學藥劑除垢、離子交換樹脂防垢，高壓水槍清洗等方法，但由于該類方法技術陳舊、因而成效不明顯。近年來，雖然也出現了用超聲波清洗技術，但由于可靠性技術沒有解決，故此類設備或裝置不是故障維修率高就是壽命短實用性差，無法解決管道污垢的清洗問題。隨著半導體功率器件集成控制技術的發展，一種新型模塊化的高聲強度高可靠超聲波管道清洗機已經聞世，正在各個領域被應用。
超聲波管道清洗
超聲波清洗機是通過超聲波發生器將高于頻率為20KHz的震蕩信號進行電功率放大后經超聲波換能器（震頭）的逆壓電效應轉換成高頻機械振動能量通過清洗液體中的聲幅射，使清洗液體分子振動并產生無數微小空穴和氣泡. 并沿超聲波傳播方向在負壓區形成、生長，并在正壓區迅速閉合而產生上千個大氣壓的間瞬間高壓而爆破，形成無數微觀高壓沖擊波作用于管道璧的成垢雜質并將此粉碎。此即稱之謂超聲波清洗中的“空化效應”. 超聲波管道清洗機就是基于“空化效應” 技術而工作的。從“空化效應” 可知空穴和氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強度的聲波而產生的.為此任何管道超聲波管道清洗機的組成都必須具備二個基本部件：高頻高壓大功率電信號的超聲波發生器、以及能將電能轉化為機械能（即壓電逆效能）并經液體流通過的管道式高聲強換能器。
高聲強度超聲波管道清洗機主要由高頻高壓大功率電信號的超聲波發生器（或稱信號源）、傳輸電纜、管道式高聲強壓電換能器組成，其換能器放置于管道內。
其工作過程是這樣: 當液體圍繞換能器流過，超聲波發生器產生高頻（22-25KHz）高壓（100-120V）大功率1000W的電功率信號，經電纜傳輸到換能器，由換能器實現電、機、聲的轉換并發出超聲波。而超聲波管道清洗機除垢防垢的作用，主要是利用超聲波高聲強場“空化效應”處理介質而獲得，成垢物質在強聲場“空化效應”作用下，其物理和化學性能發生一系列變化，導致成垢物脫落，并在這一強大的壓力峰分散成細粉末狀，形成松散而不易板潔的沉積物, 懸浮于液體介質中. 理論和實踐測算，對液體加以頻率為20KHz, 功率為 的超聲波時，可發生空化的氣泡數為5×，其局部增壓峰值數百甚至上千大氣壓。
管道式壓電換能器主要指標為：
* 靜態電容為(25℃)3--100nf;
* 機械品質因素2-10;
* 絕緣電阻1000MΩ;
* 壓電晶體耐壓1200V;
* 諧振頻率22-25KHz;
* 允許介質溫度≤135℃
實踐證明，該換能器技術比賽成熟主要指標能得到保證,而要確保超聲波管道清洗機性能的高可靠高聲強其關鍵是高頻高壓大功率的超聲波發生器，這是因為分立式高頻高壓大功率開關電源實用性差。
由于換能器需要的超聲波發生器。均必須是高頻高壓大功率開關電源，雖然此類開關電源均是用單個集成電源控制芯片和MOSFET或IGBT大功率全橋式組成，但還是多個分立元器件的組合, 連線間分布電容所形成的尖峰干擾時刻或特別在大負載開閉情況下會造成大功率管的擊穿或燒毀，故此類開關電源非但效率低，而且故障率高、難維護、壽命短、實用性差。為徹底改變此現狀，最緊迫的是應用高可靠模塊化的高頻高壓大功率開關電源。
我們采用了日本聯美蘭達（NEMIC -LAMBDA）公司產的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHz 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開關電源, 并作為超聲波發生器（或稱信號源)與換能器匹配組合成高聲高強度超聲波管道清洗機。
高頻高壓大功率開關電源設計
對高頻高壓大功率開關電源由前級AC-DC和后級DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要部分組成。
按目前常規的設計，前級AC-DC往往采用市電220v交流輸入經整流濾波；而后級采用電源管理IC（電源控制芯片）和全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開通、關斷的諧振電路 （ZVS）拓撲方式來實現DC-AC。
這種分立組合式的設計有較大缺陷。
雖然電源管理器(控制芯片IC)功能很強，但由于仍屬分立組合,故制作調試煩瑣，特別是與大功率管連接的功率驅動部分往往都是小型高頻變壓器與驅動三極管的合成，所以在負載匹配上經常出現由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖擊穿或燒毀器件。
進行AC-DC, 是將輸入交流的220V市電變換成直流高壓(320V-350V)的大功率變換，若是采用一的般的橋式整流加濾波，則在交流電源一個周期內，其整個開關電源只有很短時間從交流電源吸取電流，輸入脈沖電流的峰值很大，它含有非常高的諧波分量（三次諧波尤為突出），由于只有輸入電流的基波分量才能產生有功功率，因此功率因素很低，同時，諧波電流還會嚴重污染電網，并干擾其它設備。
采用模塊化技術是克服上述缺陷的最有效設計。前級AC-DC大功率變換為了提高功率因素，限制電流畸變和諧波，必須采用功率因素校正（PFC）技術，即具有諧波和功率因素校正及各種過壓、過流等保護功能的功率變換模塊電路。
據此，采用了PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊，將交流(AC)輸入220V變換成直流(DC)360V。交流輸入220v加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線)和AC(N零線)，經功率因素和諧波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。
后級DC-AC的設計,是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊, 應用美國IR公司的功率器件和貼片工藝生產。用戶可以簡單方便地直接利用它或其組合設計制作，成各類高頻大功率開關電源。
IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特性有：
* 具有功能較強的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護電路。
* 內含IC驅動電路代替脈沖變壓器隔離。
* 采用全橋DC-AC變換器。
* 應用P1電流檢測，實現恒流控制。
* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護電路。
模塊式高頻(22-25KHZ)高壓(100V-120V)大功率（1000W）高頻開關電源的電路
技術要求
?輸入電壓：交流220V
?輸出脈沖電壓：幅值為100V-120V、頻率f為(22-25)KHz±1%，占空比D0.4-0.5，可調。
?輸出功率:1000W
從該高頻高壓大功率開關電源可看出該開關電源由前級IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級IC2的DC/AC IPM-4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大部分一起組合而成, 即成為超聲波管道清洗機的信號源（超聲波發生器）。
模塊式高頻高壓大功率開關電源的工作調試過程：
合上進線交流電源220V后，當IC1的(AC/DC)PF-1000A-360型變換模塊輸出電壓為直流360V并加于IPM-4M(DC/AC) 模塊IC2的P1、P4引腳上時，則輸出脈沖變壓器(功率應大于1200W)T的初級二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對角線端)將并獲得360V高頻(22-25)KHz脈沖電壓。
脈沖輸出電壓取決于大功率脈沖變壓器T次級N2端不同的匝數,可獲得的幅值為100V-120V的脈沖電壓。
IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形輸送,調整W3便可看到脈寬變化。
當K1、K2在斷開位置，頻率計顯示模塊標稱頻率22KHz。當合K1上時，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當K2合上時，增加W1阻值，頻率將向低端變化。根據需要來決定使用參數。
調整W3，可改變穩定的輸出電壓的幅值。
調整W2，可改變輸出電流輸出值。這個功能不用時可懸空。
當大功率脈沖變壓器T次級N2輸出的100v-120v的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調高頻電感線圈, C為超聲波換能器的等效電容,由此則組成LC諧振器), 通過調整高頻電感線圈L可使諧振器得到串聯諧振，其諧振頻率f0為換能器固有頻率 并在電容C(換能器)兩端將獲得諧振后的高壓高頻(22-25 KHz)正弦波。以上整個過程實現了從AC-DC再從DC-AC高頻(22-25 KHz) 高壓(100V-120V) 大功率(1000W) 的輸出。
結語
(AC-DC)PF-1000A-360模塊與(DC-AC)IPM-4M模塊組合成的新型模塊式高頻高壓大功率開關電源其設計、調試、制作簡單方便，實踐證明與由PF-1000A-360模塊和移相諧振軟開關PWM全橋控制芯片ML4818及MOSFET大功率管分立組合應用方案相比較,該模塊式高頻高壓大功率開關電源作為信號源(或稱超聲波發生器)經與大功率超聲波換能器配套反復使用和現場運行，其性能穩定可靠，徹底克服了以往用單個集成和分立式大功率管組合而成的開關電源那種經常被燒毀、擊穿及故障率高、維修難等不足之處，經反復使用，該新型模塊式高頻高壓大功率開關電源實現了高效率（效率達95%以上）高可靠免維護，是屬新一代高頻高壓大功率開關電源技術和產品。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號