新型频率跟踪移相PWM控制电路

-47-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Ⅰ的输入，锁相环Ⅰ的输出信号作为逆变桥基准臂功率管的驱动信号，锁相环Ⅰ的输出信号同时经移相控制电路后作为锁相环Ⅱ的输入，锁相环Ⅱ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。频率跟踪功能同样串联谐振式DBD型臭氧发生器电源的研究与开发-48-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Ⅱ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Ⅱ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fo与输入信号的频率fi相等时，锁相环路处于锁定状态。当输入信号Ui的频率fi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U0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Ud，经过低通滤波器，取出其中直流电压分量Uc,Uc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fi。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]。-49-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。鉴相器PD低通滤波器LPF压控振荡器VCOUiUoUcUd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)18~3VV，输入阻抗高（M100约），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Ⅰ、相位比较器Ⅱ、压控振荡器、源跟随器等部分构成。比较器Ⅰ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Ⅰ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90o相移。输出波不一定是对称波形。对相位比较器Ⅰ，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Ⅱ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Ⅱ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Ⅱ。由CD4046（采用鉴相器Ⅱ）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Ⅱ,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VCO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Ⅱ的输出置为高电平,导致环路滤波器给VCO输入端充电(即9脚电位升高),增加VCO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VCO输入电压等于环路滤波器的电压,若VCO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VCO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VCO的前沿出现时,相位比较器Ⅱ的输出串联谐振式DBD型臭氧发生器电源的研究与开发-50-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VCO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(VCO输出信号)与14脚信号(相位比较器Ⅱ输入信号)正边沿之间相差为0°时,相位比较器Ⅱ迫使PLL锁定。PDPDVCO源极跟随器ⅠⅡA信号输入PD反馈输入VCOoutC1(1)C1(2)R1R2LOCKVssVzPDⅠ输出PDⅡ输出相位脉冲解调输出VDDVCO输入图4.2CD4046的内部逻辑结构图CD404676141391612118534输入信号输出信号VCCC1R1R2R3R4C2图4.3CD4046锁相环路原理图输入信号（14）输出信号（3，4）相位脉冲（1）PD||输出（13）VCO输入（9）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io经过零比较器后转换成与io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1VT驱动控制-51-信号，锁相环的输出经反相后作为基准臂功率管2VT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4VT的驱动控制信号，经反相后作为移相臂功率管3VT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。LEM电流传感器过零比较器锁相环移相控制电路锁相环io1VT2VT4VT3VTAB图4.5频率跟踪移相控制电路原理框图io)1(VTA)4(VTB2VT3VTttttt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。串联谐振式DBD型臭氧发生器电源的研究与开发-52-671416341158CD4046（1）139VCC12671416341158CD4046（2）139VCC12LM311VCC输入方波R1R2R3R4R5R6R7R8R9C1C2C3C4C51VT2VT4VT3VTACBVCCR10CW4010640106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2VCC,所以要求比较器的比较电压范围为0-2VCC。因此在电路中用一阻值与给定电位器阻值相等的电阻R10与CW串联，这样即可满足比较电压范围为0-2VCC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。输入PWM波ttAtBt输出信号（C）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C3，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