高频交流环节ACAC变频变换系统基准正弦电路研究

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节变频变换系统基准正弦电路研究作者：陈道炼，李磊，尹春0引言传统的逆变技术虽然成熟可靠、应用广泛，但存在体积大且笨重、音频噪音大、系统动态特性差等缺点。用高频变压器替代传统逆变器中的工频变压器，克服了传统逆变器的缺点，显著提高了逆变器的特性。高频脉冲交流环节逆变器具有双向功率流、两级功率变换(DC／HFAC／LFAC)、变换效率和可靠性高等特点，成为近几年电源界研究的热点。1新颖的变频变换系统新颖的高频交流环节AC／AC变频变换系统，如图1所示。该电路由输入周波变换器、高频变压器或高频储能式变压器、输出周波变换器构成，能够将一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电，具有两级功率变换(LFAC／HFAC／LFAC)、变换效率高、双向功率流、高频电气隔离、无音频噪音等优点，是实现新型变频电源的关键技术基础。图1所示变换系统中，输出电压。u0总是跟踪基准正弦电压ur山的。如果基准正弦电压ur与输入电网电压ui的n倍频或n分频信号不同步，当输入电网电压ui很小(如过零点)、且要得到较大的输出电压u0时，则要求PWM信号占空比很大，从而使PI调节器输出饱和，那么输出电压u0就无法跟踪基准正弦电压ur，输出电压u0波形就产生了畸变，仿真波形如图2(a)所示；如果基准正弦电压ur与输入电网电压ui的n倍频或n分频信号同步，即基准正弦电压ur与输入电网电压ui的过零点重合，则不会产生上述PI调节器输出饱和现象，输出电压u0能很好地跟踪基准正弦电压ur，仿真波形如图2(b)所示。图2中，ui为输入电网电压，u0为输出电压，ue为Pl调节器输出电压。1沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节因此，基准正弦电压ur与输入电网电压ui的n倍频或n分频信号必须同步。本文提出并深入研究了一类全数字化技术、与电网电压n倍频或n分频信号同步的基准正弦电路，并给出了关键电路参数设计准则和试验结果。2与电网电压n倍频或n分频信号同步的基准正弦电路构成与原理2.1基准正弦电路构成与电网电压n倍频或n分频信号同步的基准正弦电路，由电网电压取样和正弦波／方波转换电路、倍频电路或分频电路、时钟信号形成电路(包括锁相环和分频电路)、相位同步电路(即地址发生器清零信号形成电路)、正弦波幅值和极性控制电路、正弦波产生电路(包括EPROM、D／A转换电路和运放)等6个部分组成，如图3所示。2沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节变换成一个与其同步的电压方波信号，将电压方波信号n倍频后(如n=8)得到基准电压方波信号，输入到锁相环，锁相环输出信号经爪分频电路(如m=450)后再送回锁相环，作为基准电压方波信号的比较信号。当锁相环处于锁定状态时，锁相环输出频率为基准电压方波信号m倍的时钟信号。该时钟信号送入地址发生器，然后依次读取出事先固化在EPROM中的数字化的标准正弦信号，再经过D／A转换和运放，变换成与基准电压方波信号同步的基准正弦电压。2.2基准正弦电路原理与电网电压8倍频信号同步的基准正弦电路的各环节电路，如图4所示。3沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节电网电压取样与正弦波／方波转换电路由变压器取样、过零比较器组成，其输出的电压方波信号与电网电压同步。倍频电路，如图4(a)所示。电路中，R1和C1组成微分电路，输入方波信号前沿经R14沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节，并通过与非门产生输出方波。与此同时，输入方波信号后沿通过反相器和R2和C2微分电路，再经与非门也产生输出方波，于是在与非门输出端得到的是倍频方波信号。上述一级电路得到倍频，3级电路串联得到8倍频方波信号即基准电压方波信号。时钟信号形成电路，如图4(b)所示。将基准电压方波信号输入锁相环，由锁相环输出电路所需的时钟信号。在锁相环的锁定状态下，该时钟信号频率为基准电压方波信号频率的450倍。该时钟信号经分频器4520和40175实现450分频，所得信号作为锁相环的比较信号。将此时钟信号送入地址发生器4040。相位同步电路即4040清零信号的形成电路，如图4(c)所示。将基准方波电压信号及其经过与非门4011后的反相信号一起送人单稳态触发器4528，经或门407l后得到4040的清零信号，以实现4040的225分频计数，从而保证对EPROM中数据的正确读取，以及数据经D／A转换后与正弦波正负半周极性控制信号严格对应。正弦波幅值和极性控制电路由运放LF353与模拟开关4066及外围电阻R6、R7、R8组成，如图4(d)所示。取R6=R7=R8，则该电路实质是一个单位增益放大器。由于4066控制信号为基准电压方波信号，则LF353输出双极性方波信号。该双极性方波信号作为模数转换器DAC0832的参考电压信号，且与所需要产生的基准正弦电压同相。通过调节电位器，可以调节基准正弦电压的幅值。正弦波产生电路由地址发生器4040、EPROM27C64、DAC0832和LF353组成，如图4(c)所示。其核心是EPROM27C64和DAC0832。考虑到DAC0832的极性控制功能，可事先将半周期正弦波进行225分频离线采样，算好其幅值后按序排成数据表存入EPROM中。EPROM中存入的数据表的计算式为式中：i=0，1，2，3，4……224；225为FFH对应的十进制数。锁相环输出的时钟信号输入到地址发生器4040，4040顺序扫描存入EPROM中的数据表，则代表正弦波幅值的8位二进制数被送到DAC0832，将数字量转换成模拟量输出。周而复始，产生一串阶梯正弦波形。由于DAC0832为电流型器件，因此，必须与运算放大器连接，构成D／A转换器。3关键电路参数设计锁相环CD4046B是整个电路关键器件之一，其锁定范围和外围电阻R4、R5和电容C4有很大关系。R3和C3构成了锁相环CD4046B的外接低通滤波器。3.1CD4046B的外接电阻R4、R5和外接电容C4的设计当无须R5的补偿，即R5为无穷大时，锁相环的输出频率范围从零到昀高输出频率fomax，且此时fomin=0。在特定的使用状态下，若要限制锁相环的输出频率范围，可通过R5的补偿作用来实现。锁相环输出频率fo的估算式为式中：V1为锁相环压控振荡器的输入信号(即CD4046脚9的电平)，其幅值正比于基准电5沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节压方波信号和锁相环比较信号之间的相位差；VGS和VTP分别为锁相环内部MOS管的栅一源极压降和栅极的开启阈值电平；VD为锁相环工作电压。因为本电路要求锁相环的输出频率经过450分频后为400Hz，即锁相环必须锁定在180000Hz附近，故可取R4=10kΩ，R5=∞，C4=1000pF。3.2CD4046B低通滤波器R3、C3的设计适当选择R3和C3，对改善环路捕捉性能及工作稳定性很有作用。若取较大的时间常数R3C3，则会使环路跟踪较快变化的输入频率时引起过度的延迟；若取较小的时间常数R3C3，则会使环路跟踪快速变化的输入信号时，引起锁相环输出频率的反常变化。综合考虑，选择R3=100kΩ，C3=2μF。4基准正弦电路设计实例与试验与电网电压8倍频信号同步的基准正弦电路设计实例：输入电压=220(1±10％)V50Hz，基准输出电压=0~15V(峰值)400Hz，锁相环芯片CD4046B，地址发生器4040，EPROM27C64，数模转换芯片DAC0832，分频器4520及40175，单稳态触发器4528，C1=C2=100nF，C3=2μF，c3=1000nF。R1及R2用电位器504，R3=100kΩ，R4=10kΩ。R5=∞，R6=R7=R8=150kΩ。设计并研制成功的与电网电压8倍频信号同步的基准正弦电路试验结果，如图5所示。由图5可见，该基准正弦电路具有输出电压与电网电压8倍频信号同步、THD小、幅值可调但不受电网电压波动的影响等优点。试验结果与理论分析一致。5结语1)高频交流环节AC／AC变频变换系统基准正弦电压必须与电网电压的n倍频或n分频信号同步。2)与电网电压n倍频或n分频信号同步的基准正弦电路，由电网电压取样和正弦波／方波转换电路、倍频或分频电路、时钟信号产生电路、相位同步电路、正弦波幅值和极性控制电路、正弦波产生电路等6个部分构成。3)该基准正弦电路具有与电网电压n倍频或n分频同步、THD小、幅值可调但不受电网电压波动的影响、简单实用、价格低廉等优点。4)试验结果与理论分析一致。6沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节