高品質(zhì)變頻電源的設(shè)計

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。相位補償電路為驅(qū)動信號加上補償時間，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

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)實現(xiàn)輸入電流調(diào)控和整形，使之成為與電壓同相位的標準正弦波，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)計了保護電路，當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)壓管進行電壓限幅保護。13腳接電容實現(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［2、3］。實驗表明，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

逆變器工作時，MOSFET開關(guān)根據(jù)負載(或換能器)的諧振頻率進行切換，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，負載中的電流過零時開關(guān)切換。當逆變器工作頻率等于負載(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)可實現(xiàn)無相差的頻率跟蹤控制。將負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，以實現(xiàn)逆變器對負載的頻率跟蹤?？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)負載(或換能器)的諧振頻率進行切換。對于諧振頻率為定值的負載來說，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)工作時進行調(diào)整，使其工作在諧振點。對于頻率參數(shù)變化的負載來說，只要該負載的諧振頻率在鎖相環(huán)的跟蹤頻率范圍內(nèi)，鎖相電路都可以實現(xiàn)頻率的自動跟蹤和鎖定。

3.2 相位補償?shù)膶崿F(xiàn)

橋式逆變器S1、S4和S2、S3在電流過零時換流，但在實際電路中，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)動信號滯后負載電流一個相角度(逆變器工作在容性負載)。實驗表明，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，配合比較器來實現(xiàn)相位補償。CD4046的鑒相器PD2構(gòu)成的鎖相環(huán)的特點是，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)補償時間值。若補償時間大于電路延時時間值，負載工作在感性狀態(tài)；反之，負載工作在容性狀態(tài)；補償時間等于電路的延時時間值，負載工作在諧振狀態(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載產(chǎn)生諧振，鎖相環(huán)進入鎖定狀態(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)。實驗表明，只要參數(shù)設(shè)計合理，起動可靠性＞90％。

3.4 保護與驅(qū)動

在圖4的控制電路中還設(shè)計了過流保護措施。當諧振電流過大時，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，逆變器的負載諧振電流相應(yīng)減小。當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進行輸出電壓箝位保護，電路設(shè)計中采用了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行隔離。

4 實驗情況和結(jié)論

實驗表明，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0.98以上，這對電網(wǎng)的經(jīng)濟安全運行非常重要。通過無相差頻率跟蹤控制，使逆變器實現(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，提高了變頻電源負載的功率因數(shù)，這對提高變頻電源的可靠性和負載的正常有效工作都具有十分重要的意義。

參考文獻：

［1］ 林渭勛.可控硅中頻電源［M］.北京：機械工業(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［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