高品質(zhì)變頻電源的設(shè)計(jì)

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

新型變頻電源主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，D1～D4為常規(guī)整流器，S1～S4為常規(guī)逆變器，S5、D5為Boost斬波器。當(dāng)常規(guī)整流器與Boost斬波升壓電路結(jié)合，并由APFC技術(shù)來控制時，形成高入端功率因數(shù)的整流器；當(dāng)逆變器與鎖相環(huán)電路結(jié)合，由頻率跟蹤技術(shù)來控制時，形成高品質(zhì)變頻器。其中S1～S4和S5采用新一代電力電子器件功率MOSFET，工作頻率高、功率容量大。當(dāng)工作在開關(guān)狀態(tài)時，在ZCS或ZVS情況下，損耗小、工作可靠。

交流電經(jīng)整流濾波，形成直流電，再經(jīng)過APFC電路，利用其電流和電壓環(huán)來調(diào)控入端電流跟蹤電壓波形和相位，以提高入端功率因數(shù)，并實(shí)現(xiàn)調(diào)壓/穩(wěn)壓功能。通過逆變器將該直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率與負(fù)載(或換能器)諧振頻率一致的交變電壓，由電流采樣環(huán)節(jié)將電流信號送入鎖相環(huán)，跟蹤工作頻率得到相應(yīng)的頻率信號，經(jīng)過驅(qū)動電路得到驅(qū)動信號。相位補(bǔ)償電路為驅(qū)動信號加上補(bǔ)償時間，形成PWM波形，最后通過脈沖變壓器隔離后，作為開關(guān)的控制信號，使逆變器橋臂上的開關(guān)正確導(dǎo)通、關(guān)閉，形成閉環(huán)頻率控制電路。

2 基于APFC技術(shù)的整流器設(shè)計(jì)

基于APFC技術(shù)的整流器的主電路采用Boost變換器結(jié)構(gòu)，如圖1虛線框內(nèi)所示。APFC技術(shù)的核心是引進(jìn)電壓和電流反饋，以構(gòu)成一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)穩(wěn)定輸出電壓，內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入電流調(diào)控和整形，使之成為與電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，以提高入端功率因數(shù)。內(nèi)環(huán)的電流控制是對輸入端電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)控，使電網(wǎng)全周期向整流器提供電流。采用UC3854組成的APFC整流器如圖3所示，其中UC3854的5腳和4腳各通過一個電阻(R4和R3)接在主電路中電流采樣電阻R18的兩端，11腳接在APFC主電路輸出端，6腳輸入線電壓波形，8腳輸入線電壓有效值，經(jīng)過UC3854的運(yùn)算處理，在16腳得到PWM信號，以控制開關(guān)管MOSFET(S5)。以UC3854的5腳、4腳相連的電流采樣、6腳的整流電壓波形、16腳的PWM驅(qū)動和MOSFET(S5)開關(guān)管，在UC3854的內(nèi)部形成閉環(huán)的電流調(diào)節(jié)器；調(diào)控的結(jié)果使主回路的電流跟蹤整流電壓的波形。以UC3854的11腳相連的電壓采樣和整流電壓的有效值及16腳PWM驅(qū)動等電路在UC3854的內(nèi)部形成閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)器，使APFC整流器輸出高穩(wěn)定的直流電壓。APFC整流器中還設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，當(dāng)UC3854的10腳接高電平時，控制電路工作；芯片的工作電壓為l7V～22V，15腳接一個穩(wěn)壓管進(jìn)行電壓限幅保護(hù)。13腳接電容實(shí)現(xiàn)軟啟動功能，2腳處的電路用來限制最大電流。APFC電路中元件參數(shù)和雙閉環(huán)的分析可參閱文獻(xiàn)［2、3］。實(shí)驗(yàn)表明，其輸入端電流與電壓波形同相位，功率因數(shù)在0.98以上。

3 基于頻率跟蹤技術(shù)的逆變器設(shè)計(jì)

逆變器工作時，MOSFET開關(guān)根據(jù)負(fù)載(或換能器)的諧振頻率進(jìn)行切換，如圖1所示，S1、S4和S2、S3分別組成兩組開關(guān)。這兩組開關(guān)輪流導(dǎo)通，負(fù)載中的電流過零時開關(guān)切換。當(dāng)逆變器工作頻率等于負(fù)載(或換能器)的諧振頻率時，電路輸出電壓為方波，輸出電流為正弦波，如圖1(b)所示。電路中采用零電流開關(guān)模式，其開關(guān)損耗極小，du／dt及di／dt應(yīng)力大為下降，相應(yīng)的電磁干擾可以消除。

3.1 頻率跟蹤控制電路

CD4046集成鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)無相差的頻率跟蹤控制。將負(fù)載電壓或電流相位作為鎖相環(huán)的輸入信號，鎖相環(huán)的輸出作為逆變器的驅(qū)動信號，以實(shí)現(xiàn)逆變器對負(fù)載的頻率跟蹤?？刂齐娐啡鐖D4所示，霍爾電流傳感器檢測的負(fù)載正弦電流信號經(jīng)比較器LM339整形變換為方波信號，送入CD4046鎖相環(huán)14腳，經(jīng)頻率跟蹤控制后從3、4腳輸出，經(jīng)過驅(qū)動電路形成MOSFET的PWM驅(qū)動波形，最后由脈沖變壓器隔離后作為開關(guān)的控制信號，分別加在S1、S4和S2、S3上，使逆變器橋臂上開關(guān)根據(jù)負(fù)載(或換能器)的諧振頻率進(jìn)行切換。對于諧振頻率為定值的負(fù)載來說，頻率跟蹤技術(shù)可使逆變器在該諧振值附近的某一范圍內(nèi)工作時進(jìn)行調(diào)整，使其工作在諧振點(diǎn)。對于頻率參數(shù)變化的負(fù)載來說，只要該負(fù)載的諧振頻率在鎖相環(huán)的跟蹤頻率范圍內(nèi)，鎖相電路都可以實(shí)現(xiàn)頻率的自動跟蹤和鎖定。

3.2 相位補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

橋式逆變器S1、S4和S2、S3在電流過零時換流，但在實(shí)際電路中，電流采樣、鎖定跟蹤、PWM信號的驅(qū)動都需要時間，這將引起驅(qū)動信號滯后負(fù)載電流一個相角度(逆變器工作在容性負(fù)載)。實(shí)驗(yàn)表明，從電流采樣到MOSFET完全開通，大約需要1.5～2.5μs的時間，對逆變電源而言，這個時間引起的負(fù)載電壓與電流相位差是不容忽視的，它使MOSFET無法工作于零電流開關(guān)狀態(tài)；另一方面，還影響開關(guān)的可靠開通與關(guān)斷。

本文利用CD4046鎖相環(huán)的特點(diǎn)，配合比較器來實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。CD4046的鑒相器PD2構(gòu)成的鎖相環(huán)的特點(diǎn)是，輸出信號占空比始終為50%，與輸入信號占空比無關(guān)，輸出信號上升沿觸發(fā)有效。因此相位補(bǔ)償電路在比較器輸入正端加一參考偏置電壓Vp，使比較器輸出信號上升沿提前ΔT時間。相位補(bǔ)償原理如圖5所示，經(jīng)鎖相環(huán)輸出的控制信號相對于電流而言，提前ΔT時間。調(diào)節(jié)偏置電壓Vp值即可調(diào)節(jié)補(bǔ)償時間值。若補(bǔ)償時間大于電路延時時間值，負(fù)載工作在感性狀態(tài)；反之，負(fù)載工作在容性狀態(tài)；補(bǔ)償時間等于電路的延時時間值，負(fù)載工作在諧振狀態(tài)。

3.3 起動電路

CD4046鎖相環(huán)上電時，壓控振蕩路(VCO)將以最低頻率工作；在VCO控制端9腳加控制電壓，可使VCO輸出頻率在最低與最高之間變化。因此，可以利用VCO的輸出信號作為它激信號，而不必另設(shè)信號發(fā)生電路。圖6所示為起動電路原理圖，9腳是壓控振蕩器電壓控制端。當(dāng)控制端加電源電壓(+5V)時，VCO輸出最高頻率。隨著Cr的充電，控制端電壓逐漸降低，VCO從最高頻率滑向最低頻率。只要負(fù)載的固有頻率在最高頻率與最低頻率之間，那么VCO的輸出掃描頻率就會引起負(fù)載產(chǎn)生諧振，鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，起動極為容易。起動完成后，二極管D將起動電路與濾波電路隔離，鎖相環(huán)工作于無相差自動頻率跟蹤狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，只要參數(shù)設(shè)計(jì)合理，起動可靠性＞90％。

3.4 保護(hù)與驅(qū)動

在圖4的控制電路中還設(shè)計(jì)了過流保護(hù)措施。當(dāng)諧振電流過大時，由采樣環(huán)節(jié)得到的采樣電流也會增大。如果這個電流超出了設(shè)計(jì)值，采樣環(huán)節(jié)發(fā)出的信號經(jīng)處理后可封鎖鎖相環(huán)，使其不工作，后面的驅(qū)動無信號，逆變器的負(fù)載諧振電流相應(yīng)減小。當(dāng)電流減小到正常范圍時，鎖相環(huán)又開始工作。

圖4中MOSFET的驅(qū)動電路采用芯片UC3708。為了對UC3708進(jìn)行輸出電壓箝位保護(hù)，電路設(shè)計(jì)中采用了UC3611芯片，它是四肖特基二極管陣列。主電路和控制電路之間采用變壓器進(jìn)行隔離。

4 實(shí)驗(yàn)情況和結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，通過APFC控制，變頻電源的交流輸入電流IAC呈平滑正弦曲線，與輸入電壓UAC之間相角近似為0，入端功率因數(shù)高達(dá)0.98以上，這對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行非常重要。通過無相差頻率跟蹤控制，使逆變器實(shí)現(xiàn)零電流諧振開關(guān)，減輕了器件的開關(guān)應(yīng)力和電磁損耗，提高了變頻電源負(fù)載的功率因數(shù)，這對提高變頻電源的可靠性和負(fù)載的正常有效工作都具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 林渭勛.可控硅中頻電源［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［2］ 黃曉林，余世春.中小容量低諧波高功率因數(shù)AC/DC(開關(guān)型)電源變換器的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀器與自動化裝置，1997，(5).

［3］ 黃曉林，余世春.AC／DC(開關(guān)型)電源變換器APFC技術(shù)的研究［J］.電氣傳動自動化，2000，(2).

［4］ 萬心平.集成鎖相