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1、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
2、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，
3、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-
4、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
5、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
6、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
7、组成。当压控振荡器的输出频率f与输入信号 o 的频率 f 相等时，锁相环路处于锁定状态。当输入信号 U 的频率 f 由于某种原i i i 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 U 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U0U ，经过低通滤波器，取出其中直流电压分量 U ,U 用来控制压控振荡器中的d c c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f。这个因为某种原因使输i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
8、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。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。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 C
9、MOS 锁相环集成电路， 其特点是电源电压范围宽（为 3V18V），输入阻抗高（约100 M ），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
10、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
11、环路滤波器给VCO输入端 充电（即9脚电位升高），增加 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
12、）正边沿之间 相差为0时，相位比较器II迫使pll锁定。信号输入PD反馈输入VCO输入VCOoutC1(1)C1(2)R1R2LOCKPDI输出PDI 输 出相位脉冲解调输出VzVss图 4.2 CD4046 的内部逻辑结构图C输入信号 （14）图 4.4 锁定状态下锁相环路工作波形图输出信号（3，4）相位脉冲（1）PD|输岀（13）VCO输入（9）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 i 经过零比较器后转换成与 i 同频同相的方波。然后 oo 将此方波作为锁相环的输入，锁相环的
13、输出直接用作基准臂功率管 VT 1驱动控制图 4.5 频率跟踪移相控制电路原理框图信号，锁相环的输出经反相后作为基准臂功率管 VT 2 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 VT 4 的驱动控制信号，经反相后作为移 相臂功率管 VT 3 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。VT 1VT 2VT 3VT
14、4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 00-180 0。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
15、 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。V T 4VT 3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v込，所以要求比较CC器的比较电压范围为0- V。因此在电路中用一阻值与给定电位器阻值相等的CC电阻R10与CW串联，这样即可满足比较电压范围为0- V CC 2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。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 C ，对比较器的输出信号进行简单滤波。C34.2.4 锁相环路的性能分析及参数计
