Speiseanordnung für eine Ultraschallvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Speiseanordnung für eine Ultraschallvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 44 46 430 Al ist eine Ansteueranordnung für eine als ein Ultraschallwandler ausgebildete Ultraschallvorrichtung bekannt, die eine Steuereinrichtung mit einem aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehendes Netzwerk um- fasst. Das Netzwerk weist einen Reihenschwingkreis auf, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz eines mittels Rechteckgenerators bereitgestellten Rechtecksignals abgestimmt ist. Die Frequenz des Rechteckgenerators bestimmt zugleich die Frequenz der SinusSchwingung, mit der die Ultraschallvorrichtung beaufschlagt wird. Nachteilig an der bekannten Ansteueranordnung ist, dass die Schaltung für geringe Leistungen konzipiert ist und sie aufgrund der starken Belastung des Transistors und des zwischen zwei Spulen angeordneten Kondensators auch nicht für die nach der Erfindung geforderte Leistung hochskaliert werden kann. Die Schaltung benötigt zusätzlich noch eine regelbare Spannung .

Aus der DE 100 09 174 Al ist eine Ansteueranordnung für eine Ultraschallvorrichtung bekannt, bei der in einer

Steuereinrichtung für die Ultraschallvorrichtung ein puls-

weitenmoduliertes Signal erzeugt wird. Ein solches puls- weitenmoduliertes Signal kann beispielsweise mittels eines Pulsweitenmodulations-Wandlers erzeugt werden, der aus einem Artikel „Inverter Topologies for Ultrasonic Piezoe- lectric Transducers with High Mechanical Q-Factor" von C. Kauczor und N. Fröhleke, Proc . of IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) 2004 bekannt ist. In diesem Artikel werden die Vor- und Nachteile von unterschiedlichen Einrichtungen zur Speisung von Ultraschallvorrichtun- gen beschrieben. Als erste Variante wird eine Speiseeinrichtung mit einem LC-Wandler beschrieben, bei der eine Induktivität in Reihe zu der kapazitiv wirkenden Ultraschallvorrichtung geschaltet ist. Dieser Reihenschwingkreis wird mit einer Schaltfrequenz betrieben, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Ultraschallvorrichtung liegt. Vorteilhaft können hierdurch Verzerrungen der Oberschwingungen niedrig gehalten werden. Eine alternative Speiseanordnung kann einen so genannten LLCC-Wandler aufweisen, der eine parallel zur Ultraschallvorrichtung ange- ordnete Parallel-Induktivität sowie einen vorgeschalteten Reihenschwingkreis aufweist. Vorteilhaft kann dieser Wandler robust auf Kapazitätsschwankungen der Ultraschallvorrichtung reagieren. Nachteilig ist jedoch die höhere Beanspruchung der Bauteile des Wandlers sowie die größere Ver- zerrung von OberSchwingungen. Als dritte Variante für die Speiseanordnung ist ein Pulsweitenmodulations-Wandler (PWM-Wandler) untersucht worden, der vorteilhaft eine veränderte Einstellung der Resonanzfrequenz ermöglicht. Darüber hinaus können die Bauelemente des Wandlers kleiner und leichter ausgebildet sein. Nachteilig sind jedoch die relativ hohen Schaltverluste und der Kühlaufwand für die Bauelemente des Wandlers in Folge der erhöhten Schaltfrequenz. Die in dem Artikel beschriebenen Speiseanordnungen

beziehen sich ausschließlich auf Ultraschallvorrichtungen mit einer relativ hohen mechanischen Schwinggüte Qm.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Speisean- Ordnung für eine Ultraschallvorrichtung derart weiter zu entwickeln, dass die Effizienz und Kompaktheit erhöht wird, wobei insbesondere die Verzerrungen von Oberschwingungen niedrig gehalten werden und eine lokale Blindleistungskompensation der Ultraschallvorrichtung gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseanordnung ein LLCC-Filter mit ei- ner zur Ultraschallvorrichtung parallel angeordneten Parallelinduktivität und einen Reihenschwingkreis enthaltend mindesten eine Reiheninduktivität und mindestens eine Reihenkapazität aufweist.

überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Kombination eines Pulsweitenmodulations-Wandlers (PWM-Wandler) mit einem LLCC-Filter die Kompaktheit der Speiseanordnung erhöht, obwohl hierdurch die Anzahl der Bauelemente steigt. Vorteilhaft können die Bauteile der erfindungsgemäßen Speiseanordnung kleiner dimensioniert werden, da der PWM- Wandler eine geringere elektrische Belastung derselben verursacht. Durch die Parallel- Induktivität kann eine Kompensation der Blindleistungskomponente der Ultraschallvorrichtung erzielt werden, so dass die Bauteile, wie bei- spielsweise die Bauelemente des Reihenschwingkreises und das Kabel zum Anschluss des Aktors bei einer entfernten Positionierung, wegen geringerer Belastung kleiner dimensioniert werden können. Vorteilhaft ermöglicht die Kombi-

nation des PWM-Wandlers mit dem LLCC-Filter, dass zur Abstimmung der Speiseanordnung an unterschiedliche Ultraschallvorrichtungen ein Durchstimmen bzw. Trimmen derselben mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgen kann, um sie unter Großsignalanregung zu charakterisieren und die optimalen Resonanz-Moden herauszufinden. Die ressourcenaufwändige Finite-Elemente-Analyse ist dann nicht erforderlich. Vorteilhaft kann hierdurch eine optimierte Abstimmung zwischen der Speiseanordnung und einer beliebigen Ultra- schallvorrichtung erzielt werden.

Vorteilhaft ermöglicht der PWM-Wandler, dass die Speiseanordnung als eine Wechselspannungsquelle mit relativ geringem Innenwiderstand wirkt, so dass die übertragungsfunkti- on der Ultraschallvorrichtung im Durchlassbereich nicht stark schwankt, so dass das Design des Leistungs- und Steuerteils erleichtert wird. Ferner können infolge Belastungsreduktion das Gewicht sowie die Kosten des Leistungs- teils verringert werden. Darüber hinaus vereinfacht die Robustheit des Filters gegenüber Störungen der Piezokapa- zität Cp als Folge ihrer Exemplarschwankungen und von Temperaturseinflüssen auf den Aktor den Entwurf von Leistungs- und Steuerteil erheblich.

Nach einer Variante der Erfindung (Anspruch 4) kann die Resonanzfrequenz des Gesamtschwingkreises einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises bzw. der Arbeitsfrequenz der Ultraschallvorrichtung entsprechen. Hierdurch können die Bauteile des Serienschwing- kreises des LLCC-Filters relativ klein gehalten werden. Ferner wird das dynamische Verhalten dadurch verbessert .

Zusätzliche Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an- hand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild einer Speiseanordnung für Ultra- schall-Aktoren,

Figur 2 ein AusgangsSpannungssignal (PWM-Ausgangs- Spannung) eines PWM-Wandlers der Speiseanordnung und

Figur 3 ein Bodediagramm für eine vorbekannte Speiseanordnung enthaltend lediglich einen PWM-Wandler (gestrichelte Linie) und für eine erfindungsgemäße Speiseanordnung enthaltend einen PWM- Wandler mit LLCC-Filter.

Eine erfindungsgemäße Speiseanordnung für eine Ultraschallvorrichtung 1 ist in Figur 1 dargestellt.) . Der Ultraschallmotor kann als Direktantrieb für Flugzeuge, Auto- mobile, Robotikanwendungen und medizinische Messsystemegeräte verwandt werden, wobei er den mittel-hoch gedämpften piezoelektrischen Vibrationssystemen zuzuordnen ist. Die Ultraschallvorrichtung 1 kann auch als Ultraschallwandler oder als eine Ultraschallerzeugungseinrichtung mit einer Sonotrode ausgebildet sein zum ultraschallunterstützten Schneiden, Meißeln, Fräsen, Schweißen und dergleichen, wobei sie den schwach-gedämpften piezoelektrischen Vibrationssystemen zuzuordnen sind.

Die Ultraschallvorrichtung 1, in der Fachliteratur meist Ultraschall-Aktor genannt, weist als kapazitiver Verbraucher eine piezoelektrische Kapazität CP auf, der eine Speiseanordnung 3 vorgelagert ist.

Die Speiseanordnung 3 ist an eine Gleichspannungsquelle 4 mit der Ausgangsspannung Ui angeschlossen. Die Speiseanordnung 3 umfasst zum einen den Pulsweitenmodulierten- Wandler (PWM-Wandler 5) , der an die Gleichspannungsquelle 4 angeschlossen ist und als PWM-Ausgangsspannung UPWM ein pulsweitenmoduliertes Signal für einen nachgeordneten Reihenschwingkreis 6 zur Verfügung stellt. Der PWM-Wandler 5 kann wie in Fig. 1 skizziert aus einem 3 -Punkt Wechsel- richter bestehen, oder auch aus einem 2-Punkt Wechselrichter (H-Vollbrücke) , der mit optimierten Pulsmustern angesteuert wird.

Der Reihenschwingkreis 6 besteht aus einer Reihenindukti- vität Ls und einer Reihenkapazität Cs, die zusammen mit einem Parallelschwingkreis 7 ein LLCC-Filter 8 (Gesamt-

Schwingkreis) bilden. Der Parallelschwingkreis 7 wird durch die Kapazität CP der Ultraschallvorrichtung 1 sowie einer zu derselben parallel geschalteten Parallelindukti- vität LP gebildet.

Zusätzlich weist ⁷ das LLCC-Filter 8 zwischen dem Reihenschwingkreis 6 und dem Parallelschwingkreis 7 einen Transformator 9 auf .

Der PWM-Wandler 5 weist vier in Reihe geschaltete Transistoren Sl, S2, S3, S4 auf, zu denen jeweils eine Diode parallel geschaltet ist. Die Transistoren Sl, S2, S3 , S4

sind als selbstsperrende N-Kanal-MOS-FET-Transistoren ausgebildet. Ein nachgeordneter paralleler Zweig wird durch zwei in Reihe geschaltete Transistoren S5, S6 gebildet, die als insulated gate bipolar-Transistoren (IGBT's) aus- gebildet sind. Denselben sind jeweils eine Diode parallel geschaltet. Ein Source-Anschluss des zweiten Transistors S2 bildet die positive Eingangsklemme für das LLCC-Filter 8. Ein Emitteranschluss des Transistors S5 bildet die negative Eingangsklemme für das LLCC-Filter 8.

Bezogen auf ein mittleres Bezugspotential N ermöglicht die Ansteuerung der Transistoren Sl, S2, S6 die Erzeugung einer positiven Halbschwingung Hl und die Ansteuerung der Transistoren S3 , S4 , S5 die Erzeugung einer negativen Halbschwingung H2, wie aus Figur 2 zu ersehen ist. In Abhängigkeit von der Ansteuerung von Sl oder S2 bzw. S3 oder S4 ergeben sich die unterschiedlichen beiden Stufen der beiden Halbschwingungen Hl, H2. Die Verbindung zwischen den Transistoren Sl und S2 sowie S3 und S4 sind jeweils über eine Diode D mit einem Mittenanschluss M der Eingangsspannungsquelle Ui verbunden.

Das am Ausgang des PWM-Wandlers 5 anliegende Spannungssignal UPWM ist ein hochfrequentes Spannungssignal, dessen Grundfrequenz mit der Resonanzfrequenz der Ultraschallvorrichtung 1 übereinstimmt.

In Verbindung mit dem LLCC-Filter 8 ergibt sich eine in Figur 3 dargestellte Ubertragungsfunktion (durchgezogene Linie) , wobei durch den 3 -Punkt Wechselrichter (PWM- Wandler 5) ein relativ breiter Arbeitsbereich zwischen 20 kHz und 60 kHz gewährleistet ist, trotz relativ niedriger Schaltfrequenz gegenüber einer 2-Punkt Schaltungsvariante

(H-Vollbrücke) . Eine Ansteuerung der Ultraschallvorrichtung 1 durch eine 1-pulsige H-Vollbrücke (siehe eingangs genannten Artikel Kauczor/Fröhleke) bewirkt eine übertragungsfunktion, die gestrichelt in Figur 3 dargestellt ist und lediglich einen Arbeitsbereich in einem Frequenzband zwischen 30 kHz und 40 kHz ermöglicht. Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Speiseanordnung eine Robustheit gegenüber Parameteränderungen, insbesondere der Kapazität CP der Ultraschallvorrichtung 1.

Der PWM-Wandler 5 ist derart anzusteuern, dass die Schaltfrequenz des PWM-Wandlers 5 bzw. die Frequenz der Ausgangsspannung UPWM des PWM-Wandlers 5 der Arbeitsfrequenz der Ultraschallvorrichtung 1 entspricht. Zur Blindleis- tungskompensation der Ultraschallvorrichtung 1 ist die Parallelinduktivität LP des Parallelschwingkreises 7 auf die Parallelkapazität CP und die Arbeitsfrequenz ft* der Ultraschallvorrichtung 1 abgestimmt. Die Parallelinduktivität berechnet sich nach folgender Formel: 1

Die zweite Resonanzfrequenz fo2 des GesamtSchwingkreises 8 kann ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises 7 betragen, beispielsweise kann sie dreimal so groß sein wie die Frequenz fM. Die Reiheninduktivität Ls und die Reihenkapazität Cs berechnet sich dann wie folgt:

Ls =

LR CR (2 π f ₀₂ ) ² - 1

Cs = C _F

Die Erfindung betrifft somit insbesondere einen leistungs- starken 3 -Punkt Wechselrichter, der durch einen Pulsweitenmodulator gemäß Pulsmuster (s. Fig. 2) angesteuert wird. Die erzeugte Wechselrichterspannung dient als Eingangssignal für den LLCC-Bandpassfilter, der zur Potentialtrennung noch den Transformator und bei entfernt ange- ordneten Ultraschall-Aktoren noch ein Kabel enthält und eine oberschwingungsarme, breitbandige Spannung .des Aktors herstellt. Das Filter nutzt die Kapazität des Ultraschallaktors, die Kabelkapazität und die Streuinduktivität des Transformators.