新型频率跟踪移相PWM控制电路.doc

第4章 新型频率跟踪移相PWM控制电路的研究本章重点阐述频率跟踪移相PWM控制技术的实现，即具体实现频率跟踪移相PWM控制的电路。前一章已经对在频率跟踪移相PWM控制下的DBD型臭氧发生器用串联谐振式逆变器的一些性能进行了分析，本章将承接上一章的内容，设计一种能完成频率跟踪与移相调功的电路。4.1几种串联谐振式逆变器频率跟踪移相控制实现方案介绍串联谐振式逆变器采用不控整流，通过移相控制，即通过调节斜对管驱动信号的移相角，调节输出电压的宽度来调节功率。考虑到串联谐振式逆变器在工作过程中负载等效参数会发生变化所引起的谐振频率的变化，为了确保逆变器输出电压与负载电流的相位关系以及功率管的软开关条件，在控制策略上必须采取负载电流的闭环频率自动跟踪技术。在具体实现时须采用具有频率跟踪功能的移相PWM控制电路来完成上述功能。频率跟踪移相控制电路的实现方案有很多，下面对几种常见的实现方案进行简单的介绍。文献48利用移相PWM时序扩展，从扩展后的移相PWM工作时序中得出一些规律，并在此基础上提出了一种基于负载电流向量和谐振电容电压向量合成的移相PWM控制方案。该方案在串联逆变器工作于阻性（谐振）状态的情况下，移相范围为0o-180。但当串联逆变器工作于容性或感性状态时，移相范围则为0-90o。这种移相PWM控制方法直观而且简单，也容易实现。但频率跟踪性能较差。再者，由于在控制电路中使用了两套传感变送装置，使得系统的可靠性、稳定性变差，成本升高。文献21，36提出的是一种利用集成锁相环CD4046实现频率自动跟踪、采用方波三角波比较器实现移相控制的频率跟踪型移相控制电路。其基本控制思路是：负载电流经过零比较器后作为锁相环的输入，锁相环的输出信号作为逆变桥基准臂功率管的驱动信号，锁相环的输出信号同时经移相控制电路后作为锁相环的输入，锁相环的输出信号作为逆变桥移相臂功率管的驱动信号。该方案较文献48中的实现方案来说，频率跟踪性能得到改善，电路工作在容性或感性状态时，移相范围可达0o-180，但移相控制电路显得复杂。文献49采用的是一种串联谐振式逆变器工作于谐振状态时的频率跟踪型移相控制电路。在该方案中，必须保证电路在工作过程中三角波信号与负载电流同频同相且幅度恒定，使得控制电路比较复杂。文献50提出了一种计数移相型频率跟踪移相控制电路。频率跟踪功能同样由集成锁相环CD4046实现，移相控制电路则采用了计数移相的控制策略。其基本控制原理是：负载电流取样、过零比较后变换为方波信号,经锁相环输出驱动功率管,可实现频率的自动跟踪。用移相控制产生的锁相脉冲与基准方波比较,产生精确的移相脉冲调节功率输出。负载电流经霍尔电流传感器线性变换成正弦波电压信号,过零比较器将正弦波电压信号变换成同频率方波经锁相环锁定输出,然后经同相反相缓冲器输出到同一桥臂上的开关管。移相控制电压经压控振荡器输出一系列方波与锁相环输出的基方波进入计数器进行移相处理,经锁相环输出方波,然后经同相反相缓冲器控制另一桥臂上的开关管。文献51,52充分利用了由集成锁相环CD4046鉴相器构成的基本锁相环路在锁定状态时输入信号与输出信号之间相差为零的特性，通过改变基本锁相环的结构，在低通滤波器与压控振荡器之间叠加了一级给定信号加法电路，使得改变后的锁相环路在锁定状态时输入信号与输出信号之间有一定的相位差，这个相位差正比与给定信号的幅值，从而实现了移相控制。这种移相控制电路设计复杂，电路稳定性较差。本文提出的频率跟踪移相控制电路的基本控制思想与文献21,36中的实现方案有类似之处。不同之处在于移相控制电路较文献21,36中的电路简单、更易实现。该方案充分利用了集成锁相环CD4046在锁定状态时第6、7脚输出的锯齿波与输入方波信号的稳定相位关系，用一给定直流电平与锯齿波作比较产生移相信号，达到频率跟踪移相PWM控制的目的。4.2基于集成锁相环CD4046的新型频率跟踪移相控制电路 4.2.1锁相环基本知识图4.1是锁相环路的基本方框图，它主要由相位比较器（PD）、低通滤波器（LPF）和压控制振荡器（VCO）所组成。当压控振荡器的输出频率与输入信号的频率相等时，锁相环路处于锁定状态。当输入信号的频率由于某种原因而发生变化时，必然相应的产生的相位变化。这相位变化在鉴相器中与压控振荡器输出信号的相位相比较，使鉴相器输出一个与相位误差成比例的误差电压，经过低通滤波器，取出其中直流电压分量,用来控制压控振荡器中的压控原件数值，而这压控原件又是VCO振荡回路的组成部分，因此压控原件数值的变化使VCO的频率发生变化，并将VCO的频率拉回。这个因为某种原因使输入信号的频率发生改变时通过锁相环的调节使锁相还的输出频率又回到与输入频率相等的过程称为锁相环的跟踪（同步）过程。而当锁相环路本来处于失锁状态时，由于环路的作用，使压控振荡频率逐渐向输入信号频率靠近达到锁定的过程称为捕捉过程53。由以上锁相环路的基本工作原理知，锁相环路实际上是一个相位误差闭环控制系统。当锁相环的输出信号的频率与输入信号的频率相等时，它们之间的相位差保持不变。图4.1 锁相环路的基本方框图锁相环的应用很广泛，如广播通讯、频率合成、自动控制、时钟同步等。在DBD臭氧发生器电源中，利用锁相环来实现频率的自动跟踪控制，以实现电源的软开关技术和提高电源的效率。4.2.2集成锁相环CD4046介绍CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为，输入阻抗高（），动态功耗小54。CD4046的内部结构图如图4.2所示。主要由相位比较器、相位比较器、压控振荡器、源跟随器等部分构成。比较器采用异或门结构,当两个输入信号的电平状态相异时,比较器输出信号为高电平；反之，当两个输入信号电平状态相同时，比较器输出为低电平。相位比较器输出信号的频率等于输出信号频率的两倍，并且与两输入信号之间的中心频率保持相移。输出波不一定是对称波形。对相位比较器，它要求两输入信号的占空比均为50%（即方波），这样才能使锁定范围最大。相位比较器是一个由信号上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号两种输出，当达到锁定时，在相位比较器的两个输入信号之间保持零度相移。本文采用了CD4046中的相位比较器。由CD4046（采用鉴相器）构成的基本锁相环路的原理图如图4.3所示，环路在锁定状态下的工作波形如图4.4所示。由于图4.3中使用的是相位比较器,具体的工作原理如下55。当14脚信号超前3脚信号时,必须增加输出信号的频率,以便使其上升沿进入适当的相位,于是鉴相器的输出置为高电平,导致环路滤波器给输入端充电(即9脚电位升高),增加输出信号的频率。一旦检测到3脚信号的前沿,输出就变为高阻态,保持输入电压等于环路滤波器的电压,若仍然滞后于14脚,则鉴相器就会在2个波形的前边沿时间内继续给输入端充电,直到2个波形的上升沿一致。如果3脚信号超前14脚信号时,则当的前沿出现时,相位比较器的输出就变为低电平。这样环路滤波器放电,直到检测到14脚的前沿为止。此时环路滤波器的输出又无效,从而降低了输出信号的频率,重新使得两个波形的上升沿一致。当4脚信号(输出信号)与14脚信号(相位比较器输入信号)正边沿之间相差为0时,相位比较器迫使锁定。图4.2 CD4046的内部逻辑结构图图4.3 CD4046锁相环路原理图图4.4 锁定状态下锁相环路工作波形图4.2.3基于CD4046的频率跟踪移相控制电路图4.5示出了串联谐振式逆变器工作于容性状态时的频率跟踪移相PWM控制电路的原理框图。负载电流经过零比较器后转换成与同频同相的方波。然后将此方波作为锁相环的输入，锁相环的输出直接用作基准臂功率管驱动控制信号，锁相环的输出经反相后作为基准臂功率管驱动控制信号。锁相环的输出同时还作为移相控制电路的输入，移相控制电路的输出输入到第二个锁相环电路，第二个锁相环的输出为移相臂功率管的驱动控制信号，经反相后作为移相臂功率管的驱动控制信号。这样就能保证基准臂功率管的驱动控制信号始终与负载电流是同频同相（或反相）的，也能保证在移相角一定的条件下移相臂功率管驱动控制信号与负载电流的相位关系，因此实现了负载频率的自动跟踪。图中各点波形如图4.6所示。图4.5 频率跟踪移相控制电路原理框图图4.6 频率跟踪移相控制电路波形图图4.5中的锁相环外围电路与图4.3所示的CD4046基本锁相环电路相同。下面重点讲述移相电路的设计。文献56给出了一种利用CD4046和比较器LM311实现的移相电路，通过转换开关可实现超前或滞后移相，移相范围为00-1800。本文针对串联逆变器容性工作方式的需要，结合频率自动跟踪控制电路，利用文献56的基本控制思想提出了如图4.7所示的由移相控制电路。该电路利用了图4.5中第一片CD4046第7脚上与输入PWM波同频同相的锯齿波，将该锯齿波与一给定电压相比较，然后将比较输出信号输入到第二片CD4046的输入端，达到移相的目的。电路的工作波形如图4.8所示。该电路与文献21,36中的移相控制电路相比，电路大大简化，只需在频率跟踪电路中加一片比较芯片即可。图4.7 移相控制电路原理图电路中的CD40106除了对比较器LM311的输出波形进行整形外，还有抗干扰的作用。由于CD4046第七脚上的锯齿波信号的最大电压为,所以要求比较器的比较电压范围为0-。因此在电路中用一阻值与给定电位器阻值相等的电阻与CW串联，这样即可满足比较电压范围为0-的要求。对于如图4.7所示的电路，由于两锁相环电路输入信号的频率相等，因此在设计电路参数时，两锁相环外围电路的参数可取相同。图4.8 移相控制电路波形图从图4.8所示的移相控制电路波形图可以看出，输出信号的前沿始终与比较器输出信号的前沿同步，当调节图4.7中的电位器时，比较器的比较电平发生改变，比较器输出信号的前沿也因此移动，由于输出信号的前沿与比较器输出信号前沿的同步关系，输出信号对输入信号而言实现了移相。在该电路中要注意的问题是比较器的输出信号的前沿要保证无毛刺，否则电路难以锁定。为此在比较器的输出端接入了滤波电容，对比较器的输出信号进行简单滤波。4.2.4锁相环路的性能分析及参数计算4.2.4.1 基本锁相环路的数学模型及传递函数由于集成锁相环CD4046的鉴相器具有线性鉴相特性，因此我们可以得到由CD4046构成的锁相环路的线性相位模型（复频域），如图4.9所示。图4.9 锁相环路的线性相位模型图中为鉴相器灵敏度，为压控振荡器灵敏度，为环路滤波器传递函数。对于如图4.3所示锁相环电路中的无源比例积分滤波器，其传递函数为： （4.1）式中，；。令环路的总增益，可求得环路的闭环传递函数为： （4.2）再令： （4.3） （4.4）则式（4.2）可简化为： （4.5）从（4.5）式可以看出，图4.3所示的环路是一个二阶系统，为阻尼比，为无阻尼自然频率。4.2.4.2由CD4046鉴相器构成的锁相环路的特性在由CD4046构成的锁相环路中，采用的是鉴相器，而鉴相器是一种电流型三态鉴频鉴相器，其输出电路采用了电荷泵的形式。当环路处于锁定状态时，鉴相器输出为高阻态，鉴相器输入信号与压控振荡器反馈输入信号之间相差为零，即环路的稳态相差为零。此时滤波环路中电容无放电回路，电容两端的电压维持不变，压控振荡器输出频率恒定。鉴相器的这一功能使得由其构成的锁相环路具有以下几点特性54,5760：1.由CD4046鉴相器构成的锁相环路是一种直流增益为无穷大的高增益环路；2.由CD4046鉴相器构成的锁相环路严格来讲是一个离散时间系统，因此不再满足一般二阶环的无条件稳定；3.由CD4046鉴相器构成的锁相环路同步带与捕捉带相等，且与环路的滤波参数无关，这给电路的设计带来了方便；4.由CD4046鉴相器构成的锁相环路可实现无相差锁定；以上由CD4046鉴相器构成的锁相环路的特性使得在对其进行分析与设计时不能沿用常规的二阶系统的一些理论与方法。本文采用了文献60中的电荷泵锁相环设计方法。然后给出了设计示例中环路的阶跃响应。4.2.4.3参数的计算对如图4.3所示由CD4046构成的锁相环路，环路参数的计算主要是确定与输出频率有关的电阻、电容的值以及环路滤波参数的值，即、及的值。1.振荡电路参数的确定 CD4046中VCO的输出频率由11脚外接电阻和12脚的外接电阻、6、7脚之间的外接电容、9脚的控制电压共同决定。VCO输出的最低频率和最高频率分别为55： （4.6） （4.7）其中：,，。设计举例：要求VCO的输出频率范围为：。由于, 取。代入（4.6）、（4.7）式可得： （4.8） （4.9）由于环路中的鉴相器使用的是CD4046中的鉴相器2，所以环路的同步带和捕捉带为54： （4.10）2.环路滤波电路参数的确定 在确定环路滤波参数时，我们直接引用了文献60中的一些结论。为了与式（4.5）中的、相区别，在这里设环路的阻尼比为，自然谐振频率为。在移相控制电路中，CD4046采用单电源供电，且供电电源。因此可得鉴相器灵敏度为： （4.11）压控振荡器的灵敏度为： （4.12）所以： （4.13）利用文献60中的方法2计算电路参数时: （4.14） （4.15） （4.16） 所以环路的闭环传递函数为： （4.17）由文献60知：，其中为输入信号频率。设计举例：取，设，取。利用和的值，依据式（4.14）、（4.15）可求出电路中、和的值。在设计时，取。代入（4.14）式可得： （4.18） 将的值代入（4.15）式可得： （4.19）根据以上设计示例中和的取值作出的环路阶跃响应曲线如图4.10所示。图4.10 环路的阶跃响应曲线4.3相位补偿和起动问题 相位补偿和电源的起动问题是影响控制电路乃至整个电源性能的重要因数。相位补偿影响到电源中开关器件的损耗和开关应力，而起动问题则影响到电源在起动时能否迅速可靠的实现逆变器从它激工作状态切换到自激工作状态。4.3.1相位补偿由前面的分析知，在DBD型臭氧发生器电源中，为了实现基准臂功率开关器件的零电流开关，在控制电路中采用了在负载电流过零的瞬间开通或关断基准臂功率开关的措施，使得基准臂功率开关器件的触发脉冲与负载电流同频同相（或反向），即实现基准臂功率开关器件触发脉冲与负载电流的无相差频率跟踪；且为了使电路在调功的过程中或者因其它因数的影响使负载固有谐振频率发生变化时逆变器的工作频率能跟随负载固有频率的变化，在控制电路中采用了负载电流的频率自动跟踪控制技术。因此，从理论上说，基准臂功率开关器件能实现零电流开关。但在实际应用中，基准臂功率开关器件并不是一种非常理想的零电流开关，总存在一定的开关损耗产生开关应力。究其原因，主要有三：一是基准臂上、下两功率管之间有死区时间，以防止两功率管的直通；二是负载电流经霍尔电流传感器、过零比较器、锁相环路和驱动电路有延时，使得功率管的驱动控制信号与负载电流之间存在相位差57；三是功率管本身的开、关需要一定的时间。其中原因一和三可以在条件允许的前提下通过选择开关时间小的功率器件得以改进。相位补偿方法主要是从电路的角度出发来改善原因二引起的功率器件开通时的条件，达到减少开关损耗和开关应力、提高电源效率的目的。相位补偿的实现通常有两种方法，一种方法通过锁相环路实现37，让锁相环路的输出信号先延时再送鉴相器比较，这样压控振荡器输出信号可以超前负载电流一固定的时间，该时间可对控制电路引起的延时予以定时补偿。另一种方法是利用CD4046锁相环的特点，配合比较器实现54。图4.11为该方法的原理图。在比较器的正向输入端加一偏置电压，使比较器的输出信号上升沿提前时间，图4.11(b)中的信号。锁相环的输出信号和作为和的驱动控制信号。这样驱动控制信号相对电流而言提前了时间，而就是相位补偿时间。电容和二极管对采样电流起整流滤波作用，和的幅值成正比。这样可保证不随的幅值波动而变化。调节电位器,即可根据需要调节的值。不同的相位补偿时间会影响开关功率器件的开关条件，相位补偿时间过大或过小都会增大功率管的开关损耗。而控制电路的延时又很难从理论上计算出来，因此只有在实际调试过程中通过实验的办法确定。下面就相位补偿时间与控制电路的延时之间的关系对开关管的开关条件的影响进行讨论（在讨论过程中忽略了开关管驱动信号之间的死区时间）。 a）b)图4.11 相位补偿原理图当相位补偿时间与电路的延时时相等时，电路工作于临界补偿状态，逆变器的输出方波电压与负载电流的波形如图4.12所示。此时逆变器输出方波电压正向部分的下降沿始终处于负载电流的过零点，逆变器基准臂功率开关器件的驱动控制信号与负载电流同相（或反相），基准臂功率开关器件能实现零电流开关。这正是设计相位补偿电路的目的所在。图4.12 临界补偿时的电流/电压波形 当相位补偿时间大于电路的延时时，电路工作于过补偿状态，逆变器的输出电压与电流波形如图4.13所示。图4.13 过补偿时的电流/电压波形 当相位补偿时间小于电路的延时时，电路工作于欠补偿状态，逆变器的输出电压与电流波形如图4.14所示。图4.14 欠补偿时的电流/电压波形从图4.13和图4.14可以看出，不管是过补偿还是欠补偿情况，逆变器中基准臂的开关损耗和开关应力都比临界补偿时大得多。这是电路在工作过程中不希望出现的情况。由文献37,41知，当逆变器的输出电压与负载电流得波形如图4.13、4.14所示时，逆变器的调功性能也会受到影响，输出功率与移相角之间不再是一种单调递减关系。4.3.2起动问题DBD型臭氧发生器电源在起动的瞬间，电流反馈信号为零，压控振荡器VCO始终在最低频率处振荡，这样就存在起动时不能自动入锁问题。因此在电源中一般采用它激到自激的转换电路来解决这一问题。也就是说，电源起动时，触发脉冲信号外加振荡电路产生的定频脉冲，当反馈信号达到一定幅值时，由电子开关或手动切换到频率自动跟踪电路产生脉冲发生的自激状态。串联谐振负载在谐振点阻抗最低，对应的最大，在该点它激起振最容易。当它激起动频率偏离负载固有谐振频率过大时，负载品质因数值过高和逆变器输入电压过低都可能引起它激过小而不能起动。逆变器起动必须满足两个条件:负载固有频率在锁相环的跟踪范围内；它激足以使比较器工作。采用它激起动时，它激频率应接近负载固有谐振频率，因此起动前需要根据负载固有谐振频率选择它激频率59。本文采用文献55,59提出的频率扫描式它激到自激的转换电路，它利用锁相环CD4046自身的特点，实现它激频率扫描和它激到自激的自动转换。与外加振荡电路式它激自激转换电路相比，具有控制电路简单，起动可靠性高等优点。图4.15为由CD4046实现的它激自激转换电路57。其工作原理是：在起动瞬间，可视为短路，当CD4046的VCO端加时，VCO输出最高频率，随着的充电，VCO端的电压逐渐下降，VCO从最高频率滑向最低频率。只要负载固有谐振频率在最高频率与最低频率之间，那么VCO的输出扫描频率就会引起负载产生谐振，锁相环进入锁定状态。起动完成后，二极管将起动电路与滤波电路隔离，锁相环工作于无相差跟踪状态。图4.15 它激到自激转换电路4.4仿真波形运用Matlab软件对频率自动跟踪功能的移相PWM控制方案进行了仿真。仿真参数：,，。图4.16为逆变器运行于自激状态时的仿真波形图。图4.16自激状态时逆变器输出电压与电流波形图逆变器由它激向自激状态转换的仿真波形图如图4.17所示。图4.17 它激自激转换时逆变器输出电压与电流波形图负载固有频率突变时的仿真波形图如图4.18所示。图4.18 负载频率突变时逆变器输出电压与电流波形图4.5本章小结本章首先介绍了几种频率跟踪移相PWM控制技术实现方案。利用其中几种方案的优点，结合集成锁相环CD4046的特性，提出了一种基于CD4046的新型频率跟踪移相PWM控制电路，对电路的工作原理进行了详细的分析，并给出了电路参数的计算方法。该电路的移相范围为0o-180o，满足电源输出功率调节的要求。与其它频率跟踪移相PWM控制电路相比，该电路具有电路简单、工作稳定可靠等优点。参考文献1 郭一飞, 朱新锋, 田艳兵. 用水消毒技术发展现状. 中国消毒学杂志, 2005,22(2): 215-2162 张晓光. 臭氧氧化技术在水处理中的应用. 净水技术, 1996, 58(4): 22-253 湖南远超臭氧设备有限公司. 臭氧及其应用. 长沙: 湖南远超臭氧设备有限公司, 20004 徐学基，揭亚雄.介质阻挡放电击穿过程的研究.复旦学报(自然科学版)，1997，36(3)：268-2745 徐学基，诸定昌.气体放电物理.上海：复旦大学出版社，19966 彭燕昌，严萍，舒立等.介质阻挡放电用大功率高频高压电源的研究.高电压技术，2002，28(120)：35-367 马虹斌，邱毓昌，高压臭氧发生器的研究与发展.电工电能新技术，1995，(4)：6-108 孟志强，唐雄民，彭永进. 中低频正弦电压供电 DBD 型臭氧发生器基波等效电路与动态特性研究. 电工技术学报, 2004， 19(7): 21-259 Oleg Kordriavtsev, Shengpei Wang, et al. 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