毕业设计论文 论文正文

兰州交通大学本科毕业设计（论文）摘 要本文设计了基于数字锁相环的感应加热电源控制研究，利用Matlab软件搭建了锁相控制电路和逆变电源的仿真模型设计，最终实现了锁相环的跟踪频率同步以及感应电源串联谐振负载的输出电压和电流同相位。在了解了锁相环路的基本构成后，首先搭建出了锁相环中主要部分鉴相器、低通滤波器和数字振荡器的模型，然后再根据它们各自的工作原理和相互之间的关系，利用Simulink模块库搭建出了整个数字锁相环的仿真模型，经过仿真演示后，低通滤波器输出的压控信号可以达到一个固定值，锁相环路可以实现控制功能。其次在了解了感应逆变电源的基本组成后，可以搭建出加热电源的仿真模型。感应加热电源由整流滤波电路、逆变电路和谐振负载三部分组成，在本次设计中，整流滤波电路选用的是三相桥式不控整流电路，逆变器选用的是电压型串联逆变器，谐振电路选用的是串联谐振电路。根据设计出的逆变电源主电路图，搭建出了感应加热电源的仿真模型，然后将锁相环控制回路封装成了一个DPLL子系统，连接在了电源的仿真模型中，完成了数字锁相环控制感应加热电源的仿真模型设计。设计出的仿真模型最后可以实现数字锁相环的跟踪频率同步，示波器显示出的压控信号可以达到锁相控制的一个固定值，感应加热电源串联谐振负载上的电压和电流也可以实现同相位输出。关键词：数字锁相环；感应加热电源；不控整流；逆变器AbstractIn this paper, the control of induction heating power based on digital phase-locked loop is designed, the simulation model design of phase lock control circuit and inverter power source is built by using Matlab software. Finally, the tracking frequency synchronization of phase-locked loop and the output voltage and current phase of series-connected resonant load are realized.In order to construct the simulation model of digital phase-locked loop, after understanding the basic structure of the phase-locked loop, the model of the main part of phase-locked loop, low-pass filter and digital oscillator is built, and then according to their respective working principle and the relationship between each other, use the Simulink module library to build the entire digital phase-locked loop simulation model, after simulation demonstration, the low-pass filter output voltage control signal can reach a fixed value, phase-locked loop can achieve control functions. Secondly, after understanding the basic composition of induction inverter power supply, a simulation model of heating power can be built. Induction heating power from the rectifier filter circuit, inverter circuit and resonant load composed of three parts, in this design, the rectifier filter circuit is selected as three-phase bridge uncontrolled rectifier circuit, the inverter is selected as voltage series inverter device, the resonant circuit is selected as series resonant circuit. According to the design of the main circuit diagram of the inverter power supply, the simulation model of the induction heating power source is built, and then the digital phase-locked loop circuit is encapsulated into a DPLL subsystem, which is connected with the power source simulation model to complete the digital phase-locked loop control simulation model design of induction heating power supply.The simulation model can finally realize the tracking frequency synchronization of the digital phase-locked loop. The voltage controlled signal displayed by the oscilloscope can reach a fixed value of the phase-locked control. The voltage and current in the series resonant load can also realize the same phase output.Key Words: Digital phase-locked loop, Induction heating power supply, Uncontrolled rectification, Inventer目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 选题背景和研究意义11.2 国内外研究现状11.3 设计依据31.4 设计内容32 数字锁相环设计42.1 鉴相器42.2 环路滤波器52.3 压控振荡器52.4 数字锁相环的模型仿真73 感应加热电源设计103.1 感应加热原理103.2 谐振电路113.3 逆变电路123.3.1 串联型逆变电路133.3.2 逆变电路开关器件133.4 整流滤波电路143.5 感应加热电源主电路图154 仿真设计16结 论18致 谢19参考文献20- 19 -1 绪论1.1 选题背景和研究意义通俗来说，感应加热就是一种相对于电阻的电流热效应加热以及传统火焰加热而言的新型加热方式，它是一种安全、高效、环保、节能的先进加热技术。上个世纪最初的二十年时间内，由于工频感应加热炉，发电机组及电子管高频振荡器等主要的加热装置缺乏促使感应加热技术快速发展的基础，即电力电子技术及半导体功率器件的支撑，因而感应加热技术发展比较缓慢，产品的技术也比较低。后来随着电力电子器件及生产技术的进一步成熟，感应加热开始兴起并且很快就开始普及，在新型的加热方式中得到了广泛的应用。由于感应加热从本质上来说是一种非接触式加热，加热的温度高，可以具有比较高的效率。同时感应加热方式比较容易实现对温度的实时控制，作业环境容易控制，能加热一些具有复杂形态的工件，因此感应加热电源正在逐渐成为国内研究的热点性问题。相对于别的加热电源来说，感应加热电源具有加热效率最高、速度最快、且低耗环保的特点，它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。传统类型的感应加热电源多是采用模拟与数字相结合的控制方式或者单纯的依靠模拟来实现控制的方式，但是采取模拟方式实现控制时，需要依靠模拟电路，而模拟电路的设计通常比较复杂，灵活度低而且也不利于调试。随着数字元件的价格不断下降，性能不断增强，实现数字化控制感应加热电源也已经逐渐成为了新的发展趋势。相对于传统的感应加热电源，数字控制的感应加热电源具有可靠性、灵活性高，硬件结构简化程度高，更加方便于操作人员控制的特点。因此利用数字元件控制感应加热电源已经逐渐成为了国内外研究拓展的重要课题，对感应加热技术的发展也有着重要的意义。1.2 国内外研究现状对于感应加热技术的研究与应用，国内的起步相对比较晚，大约是在上世纪五十年代，从初步开始接触和引进国外的先进技术设备到有能力实现自主创新，经历了一段比较长的过渡期。我国国内现在应用的感应加热技术主要是应用于金属的热处理，制造的水平还不够高，与德国、美国等发达国家相比，还存在着相当大的差距。而造成这种差距的主要原因是电子元器件生产条件的约束，我国目前在半导体器件方面的加工设备以及制造工艺都还比较落后，因而国外一些发达国家常常会利用控制我国功率器件制造水平的方式来实现对我国工业现代化进程的制约。就目前国内对于感应加热器件生产销售的情况来看，仍有不少商家是通过直接引进或者组装国外产品的方式来满足国内对感应加热器件需求的。这些国家通常都是将整个的感应加热设备输入到我国，或者是直接在我国国内建厂来生产制造设备，而那些先进的制造工艺和技术一般是不可能输入到我国的。由于这些外国生产的设备具有技术先进、自动化程度高、电源功率大等优势，因而他们进入中国市场后，就抢占了国内感应加热很大一部分的市场，这些现象都从侧面反映出了我国感应加热发展的现状1。近些年来，我国的感应加热被广泛的应用在工业领域，并且被用来逐步改造传统的加热方式，发展还是比较迅速的，商用以及民用的中小功率类型感应加热产品生产的也越来越多，使用的越来越广泛。但是总体上来说，国内制造的感应加热电源同国外生产的相比较，还是有着不小的差距，尤其是在高频率逆变器及大功率的感应加热电源制造方面。就目前的发展现状来说，国外的MOSFET逆变器感应加热电源的普遍水平都在1000kW、400kHz，特别是最近的报道中，美国生产的MOSFET逆变器感应加热电源已经达到了2000kW、400kHz的水平，同时国外利用IGBT制造的逆变器感应加热电源也已经达到了1200kW、180kHz的普遍水平。而与之相比我国国内的生产水平却是相对比较低的，利用MOSFET逆变器生产出的感应加热电源水平还只能达到400kW、400kHz，IGBT逆变器感应加热电源的普遍水平则是1000kW、50kHz。感应加热电源的制造水平和电力电子半导体功率器件的生产技术之间有着密切的关系，同时先进的控制技术也影响着感应加热电源的技术发展。目前国内外对感应加热电源的重点发展方向主要有以下几点。(1) 高频化随着感应加热技术的发展，感应加热电源在其他行业中的应用也越来越广泛，因而对感应加热电源性能参数的要求也越来越高。因为在加热过程中，器件的工艺要求和性质对感应加热的频率有一定的要求，频率越高，加热的密度就越集中，伴随着器件的表面加热深度也就越浅，越容易实现精密的控制，所以加热电流的频率在现代生产中被设置的越来越趋向于高频化。比如在对一些细微的器件进行表面淬火等操作时，加热的工作频率就可能会要求需要达到数兆赫兹以上的水平1。(2) 高功率容量感应加热电源的功率容量是衡量设备性能的一个重要指标，功率容量越大在应用中更能满足器件的需求。由于加热对象的性质和规格各不相同，因而在实际制造中对感应加热电源功率容量的要求也会从数百伏安到数十兆伏安不等，在未来对感应加热电源的研究制造中，提升其功率容量无疑是需要突破的一个重要方向。(3) 智能化随着数字化控制的发展，对感应加热装置的智能化、自动化逐渐成为了人们新的需求，智能控制的快速发展能简化很多问题，方便人们的操作和使用，因而感应加热电源的智能化不仅是未来发展的新趋势，还是衡量加热电源现代化水平的重要依据。同时，更高的智能化也是电源可靠性以及提高加热处理自动化程度的要求，它可以促使加热电源更加模块化、精简化，对提高使用效率，维护设备都有着重要的意义。1.3 设计依据目前感应加热电源的设计中对数字化控制的使用越来越普及，而在感应加热中，核心器件的选用就是锁相环的使用。相对来说，传统意义上的锁相环主要是模拟锁相环，模拟锁相环主要是采用一些模拟电路器件或者拓扑关系图来搭建的，由于它是通过一些简单电路和模拟器件来实现的，因而可靠性不高，稳定性也不够。而数字锁相环在这些方面则要优化的多，因为它主要是通过一些数字模块来搭建模型实现其作用的，所以数字锁相环的保密性、可靠性、稳定性都比较高，也更合适作为对感应加热电源的控制器件来使用。1.4 设计内容本文首先设计了数字锁相环的仿真设计模型，然后根据感应加热电源的基本构成搭建出了电源的仿真模型，最后将数字锁相环作为控制模型连接到整个电路中，搭建出了用数字锁相环控制感应加热电源的仿真设计模型，设计内容过程如下所示。(1) 了解锁相环对感应加热电源控制的发展简史，关键技术及应用现状。(2) 在传统锁相环的基础上，设计全数字锁相环等控制系统软件。(3) 对所设计的数字锁相环进行仿真分析以验证是否正确。(4) 用设计出的锁相环去控制感应加热电源，并搭建仿真模型进行仿真分析。(5) 对设计出的仿真模型能够进行实验演示。2 数字锁相环设计锁相环是一种相位的反馈控制系统，它的作用是实现设备内部振荡信号与外部输入信号的同步，这个负反馈控制系统主要是由鉴相器(PDF)、环路滤波器(LPF)及压控振荡器(VCO)三个基本部件组成的，锁相环路的基本构成图如图2.1所示。在实际的生产应用中，会有很多各种形式的锁相环路，但它们基本上都是由这个最基础的锁相环路演变而来的。图2.1 锁相环路的基本构成传统意义上的模拟锁相环是基于模拟电路实现锁相技术的形式，它的锁定时间较短，可以保证输出的时钟和参考的时钟源之间具有稳定的相差。但是模拟锁相环的频率会受到压控振荡器(VCO)的限制，因而范围相对来说比较小，环路的带宽比较宽，并且当参考的时钟源出现瞬时断合或者进行状态切换时，VCO最后输出的时钟频率都会有比较明显的瞬时变化。数字锁相环是基于数字逻辑电路实现锁相技术的形式，全数字锁相环(DPLL)和利用传统的模拟电路实现锁相技术的PLL相比，具有更准确的精度，同时受电压和温度的影响也很小。并且数字锁相环的中心频率和环路带宽也都是可以调节的，在数字系统中应用时也更为的方便可靠。2.1 鉴相器鉴相器是锁相环路中的相位比较装置，通常被用来完成基准信号与输入信号之间相位的比较，鉴相器的输出电压和环路中两个输入信号之间的相位差一般是成正比的。在锁相基本环路中，鉴相器将监测到的相位差变成电压信号ud(t)后输出，而这个用来表示相位误差信号的电压信号ud(t)则是一个关于相差e(t)的函数，e(t)是两个输入信号的相位差，即输入的信号相位1(t)与反馈信号的相位2(t)之间的相位差。其中，电压信号ud(t)与相差e(t)的函数关系可以用式2.1表示： (2.1)这个函数关系在鉴相器应用中可以是多种多样的，我们通常称它为鉴相器的鉴相特性，鉴相特性有正弦形特性、锯齿形特性等多种种类。对于环路中的鉴相器，除了对鉴相特性的形状性能有要求以外，输出电压的幅值和鉴相特性的斜率也是影响环路的重要参数2。2.2 环路滤波器在锁相环路的设计中，环路滤波器是一个线性电路，它是影响锁相环路特性的一个重要因素。环路中输入的信号和压控振荡器反馈回来的信号经过鉴相器后会以电压信号的方式输出它们之间的相位误差，这个输出的电压经过环路滤波器中的低通滤波器后，会滤除掉相位差中的高频分量以及掺杂在信号中的一些噪音，起到平滑滤波的作用，输出给压控振荡器的控制电压。在环路滤波器中，它的传递函数可以用F(p)来表示，则经过环路滤波器输出的电压信号uc(t)与输入滤波器的信号ud(t)之间的关系可以用式2.2来表示： (2.2)环路滤波器的电压模型如图2.2所示。图2.2 环路滤波器电压模型当环路滤波器的效果不太理想，即不能满足环路滤波的要求时，整个的锁相环路都将无法实现锁定，所以说，环路滤波器与鉴相器中的低通滤波器作用不同，环路滤波器对整个环路参数的调整以及环路中的各项性能指标都有着重要的作用。2.3 压控振荡器锁相环路中的压控振荡器实质上是一个电压频率变换器，它的振荡频率受环路滤波器输出的电压信号uc(t)控制，与控制电压uc(t)之间存在着线性变化的关系，通过锁相环路我们可以看到，在实际应用中的PLL锁相环路电路中，压控振荡器除了输出最终生成的电压信号uo(t)以外，还将控制电压又转化为了相位输入到鉴相器之中，与最初的输入信号相位差相比较，以再次输出新的控制电压。其中，压控振荡器与控制电压uc(t)之间的线性变化关系可以用式2.3来表示： (2.3)式中，v(t)为压控振荡器瞬时的角频率，单位是rad/s； Ko是增益系数或者称之为控制灵敏度，单位为。上述的线性关系特性在实际的锁相环路所应用到的压控振荡器中控制范围是有限的，在这个范围之内，压控振荡器可以很好地实现它的作用，如果超出了这个允许的范围，压控振荡器的灵敏度就会下降。如图2.3所示，图内的实线部分是一条压控振荡器的实际控制特性曲线，而图中所示的虚线则是符合式2.3的控制特性曲线。由图我们可以看出，在以o为中心，左右各取一部分的范围内，两条特性曲线是相互吻合的，因而在环路分析中使用式2.3来反映压控振荡器的控制特性是正确的。压控振荡器的控制特性如下图2.3所示。图2.3 压控振荡器的控制特性对于压控振荡器，由于它的输出反馈是在鉴相器上，并且是以把输出的电压信号转变为相位的方式反馈到锁相环路鉴相器的，因而对鉴相器的输出ud(t)起作用的不是它的频率，而是它的相位。在压控振荡器中具有一个由角频率和相位之间的关系形成的积分因子1/p，通过这个积分的作用，VCO就可以将电压信号转化为相位输出，因此可以说锁相环中的积分环节就是压控振荡器，用2(t)来表示经由压控振荡器转变后的反馈相位信号，具有积分环节的压控振荡器模型则可以用图2.4所示。图2.4 压控振荡器的模型由鉴相器的输入输出，对式2.3两端积分可得式2.4如下所示： (2.4)即有： (2.5)将式2.5改写成算数形式则有： (2.6)从上述的压控振荡器模型及积分因子1/p可以证实振荡器具有线性控制特性，在实际应用中的压控振荡器电路有很多种形式，比较常见的是晶体压控振荡器、阻抗负载压控振荡器、LC压控振荡器等等。这些振荡器的性能指标参数各不相同，限制的范围和使用的情况也就各有不同，一般来说，振荡器的选择主要是看它的控制灵敏度Ko和线性特性的频率稳定性，灵敏度越高、频率越稳定则越好。现实情况中锁相环路所使用的压控振荡器通常是集成化的，这样的VCO集成化程度高，使用方便易于控制而且参数性能也比较稳定。2.4 数字锁相环的模型仿真数字锁相环是由数字鉴相器、数字滤波器和数字压控振荡器(DCO)三个数字电路部分组成的，它的一般组成结构图如图2.5所示。图2.5 数字锁相环的基本构成根据对数字锁相环基本构成的了解，熟悉了各个模块的原理和组成后，在Matlab软件的Simulink仿真模块中可以搭建出数字锁相环的仿真模块如图2.6所示。图2.6 数字锁相环的仿真模型图仿真模型图中采用了一个脉冲发生器输入一个脉冲信号，示波器Scope显示的是输入的参考信号和数控振荡器输出的反馈信号，示波器VCO显示的则是经过低通滤波器后的压控信号。波形经过锁相环路后，实现了压控信号的频率跟踪同步，即锁相环路的仿真设计能够实现它的作用。输入信号、数控振荡器输出的反馈信号以及压控信号的示波器仿真波形分别如图2.7、2.8、2.9所示。图2.7 输入参考信号波形图2.8 数控振荡器的输出信号图2.9 经过滤波器后的压控信号由示波器的仿真波形可以看出，经过低通滤波器后输出的压控信号虽然一开始有波动，但是锁定过程持续了10s后，压控信号输出就会趋向于一个稳定的频率，锁相环的锁定作用就可以实现。3 感应加热电源设计以电力电子半导体功率器件为核心的现代感应加热电源，不论其中用到的桥式整流电路是三相还是单相，逆变器类型是电压型还是电流型，谐振负载是串联的还是并联的，感应加热电源的基本组成结构是不变的。随着感应加热技术的发展，整个感应加热电源模块越来越简洁化，电源的特性越来越明显，工作频率也在不断地趋向于高频化。就感应加热电源的各功能模块来说，主要是由整流滤波部分、逆变部分以及谐振负载等组成的。在本文的感应加热电源主电路设计中，整流部分采用的是三相桥式不控整流电路，逆变器采用的是电压型串联逆变器，谐振电路采用的是串联方式谐振电路。3.1 感应加热原理要了解感应加热电源，首先需要了解感应加热的原理。传统的电加热方式一般是利用电阻等电路器件的热效应和热传导性进行加热的，而感应加热方式则是利用了电磁感应定律和电流的热效应，如下图3.1所示即能够比较典型的反应出感应加热的技术过程。加热物体的外围缠绕了一些金属线圈，当金属线圈中通过交频电流且交流电流不断变化时，就会产生一个交变的磁场，磁场中的磁力线方向垂直于金属线圈以及加热物体的横截面。当交变磁场随线圈中的电流不断变化时，磁场中的磁力线也是不断变化的，这样在金属被加热物体的表面就会生成一个涡旋电流，涡旋电流流经加热物体时，因为有电流的热效应存在，就会使被加热物体温度升高，从而实现了感应加热的全过程3。感应加热的原理图如图3.1所示。图3.1 感应加热原理而电流流经闭合回路，克服导体电阻时所产生的热能则是依据了焦耳楞次定律，即电流的热效应可以表述为：电流通过导体时所产生的热量与电流的平方、导体的电阻和通电的时间成正比。数学表达式如式3.1所示： (3.1)式中，Q是电流热效应产生的热能，单位为W；I是电流的有效值，单位为A；t是通电的时间，单位为s。和效率低、使用寿命短、污染程度高的传统电加热方式相比，感应加热作为一种新的绿色环保加热方式，它的加热速度快，加热效率高，在加热过程中能有效提高能源的利用率，并且加热时的工作环境也比传统方式要好，因而感应加热技术在日常的应用中越来越普及，以感应加热技术为基础的感应加热电源也成为了重点研究的对象。3.2 谐振电路在同时含有电感和电容的电路中，由于电感和电容与电流中的频率有一定的函数关系存在，因此当电路中的频率发生变化时，由感抗和容抗共同影响的电路阻抗就会发生变化，在实际电路中会体现出感性或者容性，有些情况下电路还会出现纯电阻性，这些时候，电路中的电压和电流则是同相位的，这种现象就是谐振。虽然谐振电路的组成十分简单，但是谐振技术的引用在感应加热电源中有着重要的意义，谐振在电源中可以有效降低开关器件开通关断时产生的损耗，同时利用电源中的锁相部分它还可以将逆变器的工作频率锁定在电路的固有频率之内，这样就可以使得电源的工作效率显著提高4。谐振电路有串联和并联两种连接方式，在本文的设计中采用的是串联方式的谐振电路，串联谐振电路的电路图如图3.2所示。图3.2 串联谐振电路上图所示即为RLC谐振电路，根据电路分析理论，假设回路中电源内阻值为零，则整个回路的阻抗可以用式3.2来表示： (3.2)根据上式的函数关系可知，随着角频率的变化，电抗中的感抗部分与频率是正比的关系，容抗部分与频率则成反比的关系，可以将电抗和频率变化之间的关系用图3.3直观的表示出来。图3.3 电抗与频率关系曲线从关系图中可以看出，由于串联电路中的感抗和容抗可以相互抵消，所以在o时刻有X()值为零，此时阻抗中电抗部分值为零，电路中的电压和电流是同相位的，符合谐振产生的条件5。o时刻感抗容抗满足的关系式如式3.3所示： (3.3)即有此时电路中的谐振频率为： (3.4)由上式可以得出，此时的o只和谐振电路中的参数值L、C有关，这个谐振频率即为电路中的固有频率。3.3 逆变电路逆变电路又称为DC-AC变换电路，因为当逆变电路中的直流侧电源向交流负载供电时，电流必须要进行从直流到交流的转换，也就是DC-AC转换。逆变过程也就指的是把直流电能转化成负载所需要的可调频率和可调电压或者是固定频率和固定电压的变流方式，这个变流电路也就是逆变电路。逆变电路根据直流侧电源的性质不同可以分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两种，电压型逆变电路直流侧电源采用的是电压源，电流型逆变电路直流侧电源采用的是电流源。根据前面对谐振电路的分析，逆变电路中逆变器的种类也有串联型逆变器和并联型逆变器两种。由于并联型逆变器中需要串联大电感，因而它的成体、体积都比较高。而与之相比，串联型逆变器整体结构更为简洁，操作控制上也更为方便。而且就逆变器的启动方面来说，并联型逆变器只能自激启动，满足其谐振状态是才有可能启动成功，而串联型逆变器则没有这样的局限性，它既可以自激启动，也可以它激启动，因而在功率感应加热电源的实际应用中，串联型逆变器以它独特的优势逐渐成为了主流拓扑结构。本文中采用的就是电压源的串联型谐振逆变器6。3.3.1 串联型逆变电路直流侧为电压源的串联型逆变电路拓扑结构图如图3.4所示。图3.4 串联型逆变电路拓扑结构图上述的串联型逆变电路直流侧是电压源供电，并联大电容后相当于是一个恒压源，因此在串联回路中，交流侧输出的电压波形近似于矩形波，电流波形则近似于正弦波，直流侧电容有缓冲无功的作用，逆变桥各个臂上并联的反馈二极管则是为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。3.3.2 逆变电路开关器件近年来随着场控型器件制造工艺和水平的不断进步，绝大多数的逆变电路都开始采用电力半导体开关器件来控制逆变电路的导通和关断。通常来说在实际的应用中，一些小功率逆变电路多采用的是MOSFET场效应管来作为其开关器件，而对于大多数的中、大功率逆变电路来说则一般采用IGBT双极型晶体管来作为控制其通断的开关器件。从结构上来说，IGBT与MOSFET相似，只是多了一个引出的P+层作为它的发射极。利用IGBT作为逆变电路的开关器件，它兼并有场效应晶体管和双极型晶体管的优点，控制时具有场效应晶体管的特点，即作为电压型控制器件，它的开通、关断特性好，速度快；导通时又具有双极型晶体管的特点，即电压电流的容限大，压降小。在中、大功率的逆变电路中，IGBT作为其开关器件，明显具有电压高、速度快、损耗小、温度特性好、热阻小的优点，因此本文中逆变电路中所采用的开关器件就是IGBT，而采用IGBT功率模块构成的感应加热电源，更容易使感应加热装置实现模块化、高频化。3.4 整流滤波电路整流滤波电路部分在感应加热电源中的作用是将交流电转换成需要的直流电然后再送到逆变电路中去。在实际应用的开关电源中，大部分采用的都是利用不可控整流电路经过电容或者电感滤波的形式后，给后面的逆变器等提供能使用的直流电源。不可控整流电路中，多采用的是整流二极管来实现整流电路中的通断，其中，最常见的两种整流电路的形式是单相桥和三相桥两种电路。而一般经过二极管的电流虽然已经是直流电，但是其大小还是有变化的，这就需要滤波部分来将这种大小不断变化的脉动直流变成波形平滑的直流电，即将其中的波动成分尽可能的减小，再输入到逆变电路中。常见的滤波方式有电容滤波和电感滤波。电容滤波是在不控整流桥后并联了一个阈值较大的电容器来作为其储能元件，这种方式利用的是电容器两端电压不能突变的特点。而电感滤波则是利用了电感两端电流不能突变的特点，将电感和负载串联了起来，实现了电流的平滑输出。如果在整流电路设计中，将电容器与电阻负载并联，电感器与负载串联，就会实现电感电容的共同滤波作用，滤波效果更好7。在本次设计逆变电源的整流滤波电路中，整流部分采用的就是三相桥式不可控整流，滤波部分采用的是电感电容组合的复式滤波电路。整流滤波电路的拓扑结构图如下所示。图3.5 整流滤波电路拓扑结构图如上图所示，U、V、W分别代表的是三相，VD1-VD6代表的是整流回路中的六个二极管，RL是整流器的等效负载阻抗，在感应加热电源中，就是逆变器等效负载。3.5 感应加热电源主电路图本次设计中搭建的感应加热电源整流滤波部分采用的是三相桥式不控整流滤波电路，逆变电路采用的是电压型的串联谐振逆变器，逆变感应加热电源的主电路图如图3.6所示。图3.6 感应加热电源主电路图4 仿真设计由于本次实验设计的最终演示要在Matlab软件中仿真实现，因此需要利用Simulink中的仿真元件搭建出锁相环控制感应加热电源的模型，模型中需要有能够实现频率跟踪同步的数字锁相环仿真模型8。根据本文的设计，在Matlab中搭建了有锁相环控制的串联谐振式逆变电源仿真模型，如图4.1所示。图4.1 感应电源仿真模型上图的仿真模型中，DPLL子系统即为数字锁相环的封装子系统，仿真模块中利用了一个直流电压来取代三相桥式不控整流电路，由于在回路中逆变器选用的是直流侧为电压源的串联型逆变器，因此换成直流电压输入后不会影响仿真结果的有效性。从感应加热电源的模型仿真图可以看出逆变电路中有两条通路，为简化模型，示波器仅仅显示验证了一条通路上的电压和电流波形是否同相位，验证的结果同样不影响最后需要验证的结论和仿真结果。搭建好仿真模型后，对模型中的元件参数进行设置，直流电压输出为220V，50Hz；逆变器部分IGBT选用100A/1200V的模块，串联负载设置为R：10，L：1H，C：1F。最后示波器显示出的输出电压和输出电流波形如图4.2所示，其中方波为负载电压信号，正弦波为负载电流信号。图4.2 逆变输出电压和电流根据示波器的仿真波形可以看出，输出的电压和电流相位一致，锁相环可以实现对感应加热电源的控制。结 论本次毕业设计中首先搭建了数字锁相环的仿真模型，然