穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)

交流穩(wěn)頻電源,由于其幅值和頻率穩(wěn)定度高,波形失真小,輸出功率大,在電子、機(jī)電行業(yè),特別是在精密加工機(jī)械、半導(dǎo)體加工設(shè)備的制造、交流儀器儀表的調(diào)校、磁性材料的測(cè)量等測(cè)試系統(tǒng)中,作為激勵(lì)源或信息源得到廣泛的應(yīng)用，也可以取代傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)機(jī)組,在航天航空航海和精密加工等行業(yè)得到應(yīng)用。

1工作原理

交流穩(wěn)頻電源根據(jù)其工作方式可分為波形控制式和逆變器式。波形控制式是將信號(hào)源輸出的正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn),采用線(xiàn)性放大器進(jìn)行功率放大,通過(guò)耦合度高的線(xiàn)性變壓器與負(fù)載相連。這種穩(wěn)頻電源波形失真小,穩(wěn)定度高。逆變器式與波形控制式的主電路結(jié)構(gòu)基本相同,只是采用開(kāi)關(guān)式逆變器取代線(xiàn)性放大器,通過(guò)正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(spwm),使主電路中的電力電子器件工作于超音頻范圍的開(kāi)關(guān)狀態(tài),輸出正弦波脈寬調(diào)制波,然后再通過(guò)濾波電路還原成正弦波,這種穩(wěn)頻電源效率高,無(wú)噪聲。但由于工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),有一定的開(kāi)關(guān)干擾,波形失真程度較大,其應(yīng)用范圍受到一定的限制。目前,一般多采用波形控制式穩(wěn)頻電源作為測(cè)試激勵(lì)源,采用逆變器式作為大功率驅(qū)動(dòng)電源。

; 根據(jù)輸出交流電源的相數(shù),穩(wěn)頻電源可分為單相式,兩相正交式和三相對(duì)稱(chēng)式。單一輸出量的穩(wěn)頻穩(wěn)壓源由于各相間的相移恒定,因此不需要移相調(diào)節(jié)電路。當(dāng)輸出物理量既要求有電壓回路,還要求有電流回路,且電壓與電流的相位差要求既能調(diào)節(jié)又能穩(wěn)定以適應(yīng)不同負(fù)載時(shí),則相應(yīng)的穩(wěn)頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源應(yīng)包括電壓和電流輸出回路。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(b)兩相正交式cvcf (c)三相對(duì)稱(chēng)式cvcf

圖1cvcf原理框圖

穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的穩(wěn)幅原理取決于圖2所示的穩(wěn)幅放大電路。其中精密整流電路將穩(wěn)頻穩(wěn)壓源輸出的交流電壓取樣,經(jīng)整流變換為幅值與輸出的交流量成正比的直流電壓uf,穩(wěn)幅放大電路將此uf作為幅值反饋電壓,并與基準(zhǔn)源uj相比較,取其偏差量uj－uf進(jìn)行積分放大,以改變可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆妗．?dāng)頻率穩(wěn)定、幅值也穩(wěn)定的信號(hào)源輸出的正弦波通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃鲿r(shí),由于其增益取決于偏差量,故使輸入到功率放大器的信號(hào)幅值改變,從而自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出的幅值。如由于某一原因使穩(wěn)壓源的輸出幅值uo下降時(shí),則經(jīng)過(guò)精密整流后的幅值反饋電壓uf也降低,使比較器的偏差量增大,經(jīng)積分放大后,使可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嫣岣?從而使功率放大器的輸入信號(hào)增大,穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出幅值uo增大,以達(dá)到幅值穩(wěn)定的目的。

波形反饋環(huán)是將穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出量取樣后,以負(fù)反饋的形式反饋到功率放大器的輸入端,使功率放大器的凈輸入信號(hào)為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的偏差。通過(guò)這一較強(qiáng)的負(fù)反饋以減小功率放大器的非線(xiàn)性失真,使穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出波形盡量接近信號(hào)源的輸出波形。

2cvcf的穩(wěn)定度分析

2.1cvcf的頻率穩(wěn)定度分析

cvcf的頻率穩(wěn)定度在很大程度上取決于振蕩器,因此,設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的振蕩器是cvcf的關(guān)鍵之一。

首先,對(duì)任一振蕩器在不考慮電阻r時(shí),其振蕩頻率可用一般表達(dá)式表示:
如果由于外界條件使l和c分別變化了△l和△c,則頻率的偏移量為

△f=－(f△c/c＋f△l/l)/2

頻率的相對(duì)變化量為

△f/f=－(△c/c＋△l/l)/2（1）

電感的變化量△l取決于溫度和濕度的變化以及機(jī)械振動(dòng)等因素,電容的變化量△c除與濕度和溫度的變化有關(guān)外,還與電路的雜散分布電容、負(fù)載電容、元件的老化失效等因素有關(guān)。

其次，振蕩回路的有功負(fù)載將影響諧振回路的品質(zhì)因數(shù)q,從而影響振蕩頻率的穩(wěn)定度。一般來(lái)說(shuō),q值越高,頻率穩(wěn)定度越好,反之頻率穩(wěn)定度越差。而諧振回路的品質(zhì)因數(shù)q為:

q=ωol/r=1/（ωorc）（2）

可見(jiàn),振蕩回路的有功負(fù)載—r的變化,將影響q值,繼而影響頻率穩(wěn)定度,而諧振回路的有功負(fù)載r往往取決于導(dǎo)線(xiàn)的電阻、高頻集膚效應(yīng)、磁心的磁滯、渦流損耗及負(fù)載電阻等因素。

再次,電路元件的內(nèi)部相移也將影響頻率穩(wěn)定度。如晶體管由于結(jié)電容的存在,以及少數(shù)載流子在基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散時(shí)間的影響,使集電極電流總要滯后于基極輸入電壓的變化,即它們之間存在一個(gè)相移角φ，對(duì)這一附加相移φ在振蕩器中不可能考慮,因而使總相移增大。另外這一相移φ還隨電源電壓和溫度的變化而變化，這些都可能使諧振電路的頻率產(chǎn)生偏離。

2.2cvcf的幅值穩(wěn)定度分析

若將功率放大器,驅(qū)動(dòng)電路和波形反饋電路所構(gòu)成的閉環(huán)看成是cvcf的波形環(huán)節(jié),則cvcf的穩(wěn)幅放大電路是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)。

對(duì)于穩(wěn)幅放大電路,其靜態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示:k1為波形環(huán)節(jié)的增益,α為精密整流系數(shù),un為給定基準(zhǔn)電壓,k2為可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆?，所以系統(tǒng)的靜特性方程為:

uo=k1unui/(1＋αk1ui)（3）

當(dāng)1＋αk1ui1時(shí),有uo≈un/α

cvcf就是采用改變給定基準(zhǔn)電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出幅度調(diào)節(jié)的,所以給定基準(zhǔn)電壓和精密整流電路的穩(wěn)定性,將直接影響cvcf輸出幅值的穩(wěn)定度。

單閉環(huán)控制系統(tǒng)的電壓調(diào)整率框圖如圖4所示。該閉環(huán)系統(tǒng)中,積分放大器的傳遞函數(shù)為k2/tos。在un不變時(shí),精密整流反饋系數(shù)為α,則反饋系統(tǒng)的基本方程是

△uo/uo=k1(△ui/ui－αk2△uo/t0suo)

經(jīng)整理后,得

△uo/uo=(k1△ui/ui)/(1＋αk1k2/t0s)(4)

因?yàn)?＋αk1k2/t0s1,則有cvcf的幅值穩(wěn)定電路的輸出幅值穩(wěn)定度和瞬態(tài)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)近似表達(dá)式:

△uo/uo≈t0s△ui/αk2ui

2.3cvcf的相移穩(wěn)定度分析

cvcf中常采用圖5所示的有源移相電路。圖中

u＋=(1/jωc）ui/(r2＋1/jωc)

u－=(uirf＋uor1)/(r1＋rf)

因?yàn)閡＋=u－,所以

(uirf＋uor1)/(r1＋rf)=(1/jωc)ui/(r2＋1/jωc)

經(jīng)整理得: (5)
其中φ=φ1＋φ2=tg－1ωcr2rf/r1＋tg－1ωcr2
若取r1=r2=rf=r,則得k=1

φ=2tg－1ωcr

△φ=2(ωr△c＋ωc△r)/{1＋(ωcr)2}

所以 (6)

可見(jiàn),相移角φ的穩(wěn)定度受移相電路中的電容c和電阻r變化的共同作用,它們都受環(huán)境因素的影響,同時(shí),電容c的失效,容量減小以及由于集成電路老化致使內(nèi)部半導(dǎo)體元件的結(jié)電容變化等因素,對(duì)相移的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度指標(biāo)的影響很大。

3cvcf的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

cvcf在設(shè)計(jì)前,必須明確該系統(tǒng)所要求的技術(shù)指標(biāo),根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),從而明確各單元電路應(yīng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo),合理地分析并選擇各單元電路的類(lèi)型,然后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,確定電路參數(shù)。還要根據(jù)電路工作特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路。

3.1靜態(tài)設(shè)計(jì)

就幅值穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)說(shuō),cvcf幅值閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖6所示。其中比較
環(huán)節(jié)△u=un－uf
乘法輸出u1=△uui=ui(un－uf)
放大器u2=k1u1=k1(un－uf)ui
功率放大u0=k2u2=k1k2(un－uf)ui
反饋電路uf=αun
所以,靜特征方程為:u0=kunui/(1＋αkui)（7）
式中k=k1k2。其靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如7所示,根據(jù)靜態(tài)特性方程和系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，可以確定各單元電路的技術(shù)指標(biāo)。如系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定度指標(biāo)△uo/uo明確后,即可根據(jù)特征方程求出給定基準(zhǔn)電壓un的穩(wěn)定度指標(biāo)△un/un為：

△un/un=(αk1k2ui＋1)△un/k1k2uiun（8）

當(dāng)αk1k2ui＋11時(shí),有△un/un=α△uo/uo
依此類(lèi)推可以確定其余各單元電路的技術(shù)要求。

3.2動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

靜態(tài)設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮各單元電路的延時(shí)。事實(shí)上,各單元電路均可能存在延時(shí),它們將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,并可能引起系統(tǒng)振蕩。

在幅值閉環(huán)系統(tǒng)中,延時(shí)最大的是功率放大器,當(dāng)考慮驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的總延時(shí)為ts時(shí),則功率放大器的傳遞函數(shù)為:

k2/(1＋tss)（9）

積分乘法器的傳遞函數(shù)為：

ui(1＋ts)/ts（10）

反饋電路因有濾波環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為α/(1＋tns)
當(dāng)忽略小時(shí)間常數(shù)時(shí),則得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),如圖8所示。

當(dāng)作系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)時(shí),令t=ts,選擇積分乘法器傳遞函數(shù)為ui(1＋ts)/ts,則校正后的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

k′/s(tns＋1)=αk1k2ui/ts(tns＋1)（11）

所以k′=αk1k2ui/t。因?yàn)閠ss＋1≈tss,選擇積分乘法器的傳遞函數(shù)為ui(1＋ts)/ts,則校正的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

k′(1＋ts)/s2(tns＋1)（12）

根據(jù)系統(tǒng)最終校正即可確定系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。

3.3保護(hù)設(shè)計(jì)

cvcf的輸出功率一般為數(shù)百到數(shù)千瓦,使得通過(guò)功率器件的電流很大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,常采用多只功率器件并聯(lián)使用。在并聯(lián)過(guò)程中,除了要考慮均流措施外,還要考慮留有充足的電流儲(chǔ)備。除此之外,還要考慮器件的過(guò)電流保護(hù),過(guò)電壓保護(hù),di/dt限制保護(hù)和du/dt限制保護(hù)等。

對(duì)于cvcf來(lái)說(shuō),上述保護(hù)的接口問(wèn)題需要注意,由于cvcf實(shí)際上是一個(gè)交—直—交電流變換器,中間經(jīng)歷了整流和逆變兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)逆變過(guò)程中某一器件損壞而出現(xiàn)過(guò)電流時(shí),勢(shì)必引起穩(wěn)壓過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電流,造成整流穩(wěn)壓器件損壞,繼而引起電網(wǎng)過(guò)電流。為了提高系統(tǒng)的可靠性,防止事故擴(kuò)大,在cvcf設(shè)計(jì)中,常將各種保護(hù)作用于整流穩(wěn)壓電路,一旦逆變部分出現(xiàn)故障,立即自動(dòng)關(guān)斷主電路的直流穩(wěn)壓電源,并提供各種報(bào)警信號(hào)。