高频串联谐振逆变器频率跟踪控制电路的仿真与应用

２００８ 年第 ５ 期宁 波 职 业 技术学 院 学报高频串联谐振逆变器频率跟踪控制电路的仿真与应用郭 红（ 江 阴职业技术 学 院 机 电 系 ， 江 苏 江 阴 ２１４４０５ ）摘 要 为了解决 高频逆变电 源 负载 参 数 变 化 引 起 固 有 谐振频率变 化 ， 导 致 逆变器 效 率降 低 及 开 关 器件应 力增加 的 问题 ， 提出了一 种 以 集 成 高 速 锁相环 ７４ＨＣ４０４６ 为 核 心 的 、 应用于 功 率 ＭＯＳＦＥＴ 为 主 开 关 器件的高频串联谐振逆变电 源 的 无 相 差 频率跟踪控制系统 ， 对电 源 的 输 出 频率 进 行 实 时 控制 ， 并 用 Ｐｓｐｉｃｅ 进 行了 仿真分析 。 结 果 证 明 ， 该 系统 具 有 较 好 的应用 前 景 和推 广 价 值 。关键词 高频 ； 频率跟踪 ； 锁相环 路 ； 仿真中图分类号 ＴＰ ２７３ ， ＴＰ ３９１．９ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６７１－２１５３ （ ２００８ ） ０５－００２２－０５收稿日期 ２００７－０９－３０作者简介 郭 红 （ １９７２－ ）， 女 ， 江 苏 江 阴 人 ， 讲 师 ， 硕士 研究 生 ， 研究方 向 为 电 力 电 子 。０ 引 言高频逆变电 源 在 运 行 过 程中 ， 由 于 被 加热 金属 的 状 态 发 生 变 化 ， 导 致 负 荷 的谐振频率发 生 变化 ， 如果 电 源 的 工 作 频率不 能 保持 接 近 负 荷 的谐振频率 ， 电 源 的 效 率 会 明 显 下 降 。 为 保 证 电 源正常运 行 ， 应 使 逆变器 始 终 工 作 在 功 率 因 数接 近 或 等于 １ 的 准 谐振 或 谐振 状 态 ， 以 实现 逆变器 开 关 器件的 零 电 流 或 零 电压 开 关 ， 因 而 逆变电路 必 须 具有 频率 自动 跟踪 能 力 ， 以 适 应 负载 参 数 的 时 变 性质 。高频逆变电 源 的频率跟踪 可 以通过锁相环 电路 来 实现 ， 最 早 开 始 广 泛 使 用的 是 ＣＤ４０４６ 锁相环 ， 采 用模 拟 控制 。 后来 随着 对电 源 控制 要求 的不断 提 高 ， 出 现 了 单 片 机 、 ＤＳＰ 等 数 字 化 控 制 ， 同 时还 出 现 了 数 字 锁相环 ， 这 些 都 使 频率跟踪控制 技术 得 到 了 很 大 的发 展 。 但 在高频 （ １ＭＨｚ 以 上 ） 频段 ， 数 字 化 还 显得 力 不 从 心 ， 一 般 只 能 采 用模 拟 控制 技术 ， 而 且 随着 频率的 提 高 ， 对频率跟踪的快 速性 和 准 确 性 的 要 求 相 应 提 高 。 本 文 采 用 高 速７４ＨＣ４０４６ 锁相环 对 负 载 电 流 进 行 频 率 跟 踪 并 用Ｐｓｐｉｃｅ 进 行 仿真分析 ， 仿真结 果 证 明 整 个 电路 具 有跟踪快 、 跟踪频率 准确 、 抗 干 扰 能 力 强 等优点 。１ 锁 相 环路 仿真 模型 的 建立１．１ 锁 相 环 的 组成 及工作原理 [ １－２]锁相环 是一 个 相位 反 馈 控制系统 ， 其 特 点是实现 对 输 入 信 号 频率和 相位 的 自动 跟踪 。 锁相环最 基 本 的结构 如图 １ 所示 。 它 由 ３ 个 基 本 的 部 件组 成 鉴 相 器 （ ＰＤ ）、 环 路 滤 波器 （ ＬＰＦ ） 和压控振 荡器 （ ＶＣＯ ）。图 １ 锁 相 环 的基本 构成锁相环 电路 是一 个 相位 误 差 的控制 系 统 ， 它通过 比 较 输 入 信 号 和压控振 荡 器 输 出 信 号 间 的 相位 差 来 调 整 压控振 荡 器的频率 ， 从 而达到 输 入 、 输出 信 号 的同频 。ＰＤ ＬＰＦ ＶＣＯｕ ｏ （ ｔ ）ｕ ｃ （ ｔ ）ｕ ｄ （ ｔ ）ｕ ｉ （ ｔ ）宁 波 职 业 技 术 学 院 学 报Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｎｇｂｏ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ２ ０ ０ ８ 年 １０ 月 Ｏｃｔ ， ２００８第 １２ 卷 第 ５ 期 Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．５22２００８ 年第 ５ 期低通 滤 波器 数学 模型 表 达 式 为式 中 。 本文 压控振 荡 器中 心振 荡 频率 为 １ＭＨｚ ， 仿真 参 数 Ｋ Ｖ ， Ｒ １ ， Ｒ ２ ， Ｃ １ ， Ｃ ２ 的 选择 根 据 ω ｒ ＝２ π ｆ ｒ ＝２ π １０ ６ ｒａｄ ／ ｓ ， 选 取 Ｋ Ｖ ＝２ π １０ ６ｒａｄ ／ （ ｓ Ｖ ）， ω ｎ ＝２．２８１０ ５ ｒａｄ ／ ｓ ； Ｒ １ ＝８．３ｋ Ω ； Ｃ １ ＝３．８５ｎＦ ；Ｒ ２ ＝１．６１ｋ Ω ； Ｃ ２ 主 要 用于 消 除 鉴 相 纹 波 ， 一 般 选 取Ｃ ２ ＝ Ｃ １ ／ １０ ， Ｃ ２ ＝３８５ ｐＦ 。设 输 入 信 号 频率 为 ｆ ， 压控振 荡 器 自由 振 荡 频率 为 ｆ ０ 。 锁相环 的仿真 工 作 波 形如图 ３ 所示 。 图 ３中 ， 实线 表 示 输 入 信 号 ｕ ｉ ， 虚线 表 示 压控振 荡 器 输出 信 号 ｕ 。（ ａ ） ｆ ＝ ｆ ０ ＝ １ＭＨｚ（ ｂ ） ｆ ＝ １．１ＭＨｚ ， ｆ ０ ＝ １ＭＨｚ图 ３ 锁 相 环 的仿真由 图 ３ 可 以 看 出 ， 锁相环 在 频 率 跳 变 时 的 入锁 过 程 首 先 经 过 一 段 时 间 的 频 率 捕 捉 ， 这 段 时间 随 初始 频 差 的 增加 而 增 长 ， 频率 捕捉 到 一 定 时间 后进 入 相位 捕捉状 态 ， 相位 捕捉 时 间 由 环 路 参数 决 定 。 如果 初始 频 差 小 到只 存 在 相位 捕捉 过 程时 ， 相位 捕捉 时 间 随 初始 频 差 的 减 小 而减 小 。 当相 差 减 小 到 一 定 程 度 ， 即 可 认 为 环 路 进 入 锁定 状态 。２ 控制 电 路 及 其 仿真２．１ ７４ＨＣ４０４６ 锁 相 环 频 率跟 踪 控制 电 路７４ＨＣ４０４６ 锁相环 [ ４] 可 实现无 相 差 的频率跟踪 ，ｕ／Ｖｔ ／ μ ｓ１．２ 锁 相 环路 的 建模与 仿真 [ ３]在 Ｐｓｐｉｃｅ 仿真软件中 ， 没 有 现 成 的模型 可 用 ，为 实现 锁相环 的基 本功能 ， 构 造出 如图 ２ 所示 的仿真模型 框 图 。图 ２ 中 ， Ｖ １ 为 输 入方波 信 号 ， 频率 为 ｆ ； ｍｙ - ｐｄ为 电压型 鉴 频 鉴 相 电路的仿真模型 子 电路模块 ； 环 路 滤 波器 （ ＬＰＦ ） 采 用 有源 比 例 积 分 滤 波器 ；ｍｙ - ｖｃｏ 为 压控振 荡 器 （ ＶＣＯ ） 子 电路模 块 ； Ｋ Ｖ 为 压控振 荡 器压控 灵 敏 度 ， Ｋ Ｖ 一 般 选 取 在 ２ π １０ ４ ～２ π １０ ６ ｒａｄ ／ （ ｓ Ｖ ） 之 间 。 压控振 荡 器的 输 出 电压 为图 ２ 锁 相 环 的 模型Ｖ １ＨＳ １Ｕ ０ ｍｙ - ｐｄｉｎｐｕｔＶＣＯ - ｏｕｔ ＰＤ - ｏｕｔＩ ｐ Ｒ１Ｒ ２Ｃ ２Ｃ １ＶＣＯ - ｉｎＨＳ ２Ｉ ｐＶＣＯ - ｏｕｔｍｙ - ｖｃｏＶ ＋Ｖ －４６７３２ｔ ／ μ ｓｕ／Ｖ郭 红 高频串联谐振逆变器频率跟踪控制电路的仿真与应用Ｖ ｏｕｔ ０Ｖ ０ ｄ 。，23 ２００８ 年第 ５ 期宁 波 职 业 技术学 院 学报如果将 逆变器 负载 电压 或 电 流 相位 作为 锁相环 的输 入 信 号 ， 将锁相环 输 出作为 逆变器 驱 动 电路的控制 信 号 ， 就 正 好 可 以 实现 逆变器对 负载 的频率跟踪 。 基于 上 述 思 路 ， 本文 设计 了 如图 ４ 所示 的 集成 锁相环 无 相 差 频率跟踪控制电路 ， 为 串联逆变器 实现 零 电 流 谐振 开 关 创 造了 条 件 [ ５] 。 从 高频电 流互 感 器 反 馈 来 的 负载 电 流 信 号 ， 经电 阻 变换 为 电压 信 号 ， 然 后 经 ＬＭ３１１ 变 成 方波 信 号 ， 由 ７４ＨＣ４０４６的 １４ 脚 进 入 相位 比 较 器 ２ ， 它 代表 负载 的电 流 信号 ， 而 ３ 脚 的 输 入 信 号 与逆变器的 驱 动信 号 一 样 ，它 近 似 为 逆变器的 输 出 电压 信 号 ； 电压和电 流 的相位 在 鉴 相 器 内 进 行 比 较 ， 从 １３ 脚 输 出 误 差 电压信 号 ， 再 经 Ｒ ３ ， Ｒ ４ ， Ｃ ６ 组 成 的 低通 滤 波器 ， 在 此 得 到一 个 正 比于 从 １４ 脚 和 ３ 脚 输 入 信 号相 位 差 的 平均 电压 ， 这 个 控制电压 从 ＶＣＯ 的 ９ 脚 输 入 改 变 其振 荡 频率 ， 使 逆变器 输 出 电压和 负载 电 流 的 相位差 不 断 减 小 ， 直到 两 者 同 相 。 只 要 负载 固 有 谐振频率的变 化 在 锁相环 的跟踪 范围 内 ， 就 可 保 证 锁相环 实现自动 跟踪 。 图 ５ 为 基于 ７４ＨＣ４０４６ 的频率跟踪控制电路 Ｐｓｐｉｃｅ 仿真 原 理 。图 ４ ７４ＨＣ４０４６ 的频 率跟 踪 控制 电 路Ｒ ５Ｒ ７Ｒ ８Ｒ ９Ｒ ２Ｒ １Ｒ ２Ｒ ３Ｒ ４Ｒ ５ Ｒ １０Ｃ ３Ｄ １Ｃ ６Ｃ ４Ｒ １Ｕ １Ｃ ２Ｃ ７Ｉ ０Ｕ ２０．１ μ Ｆ０．１ μ Ｆ０．１ μ Ｆｋ Ωｋ Ωｋ Ωｋ Ωｋ Ωｋ Ωｋ Ω ｋ Ωｋ Ω图 ５ ７４ＨＣ４０４６ 的频 率跟 踪 控制 电 路 Ｐｓｐｉｃｅ 仿真原理ＶＯＦＦ＝０ＶＡＭＰＬ＝８ＦＲＥＱ＝１．２５ｍｅｇＲ １Ｒ ２ Ｒ４Ｒ ３Ｃ ２Ｒ ６Ｒ ７Ｒ １Ｒ ２Ｃ １Ｃ ２Ｃ ３Ｒ ８Ｒ ９Ｒ １０Ｃ ５Ｕ １＋ ５ＶＲ ５Ｃ １Ｕ ２Ｖ ３Ｖ ２Ｖ １Ｖ ４Ｖ ５＋ ５Ｖ＋ ５Ｖ － ５Ｖ＋１２Ｖ－１２Ｖ１２Ｖｋ Ωｋ Ωｋ Ωｋ Ω３２ｋ Ωｋ Ω１０ｋ Ωｋ Ωｋ Ωｋ Ω－１２Ｖμ Ｆμ Ｆ１ｎＦ－ ５Ｖ＋－＋－＋－＋－Ｃ ４μ Ｆ24２００８ 年第 ５ 期图 ８ 为 锁 相 环 锁 定 时 的 试 验 波 形 。 图 ８ 中 ，方 波 信 号 为 逆 变 器 输 出 电 压 ｕ ０ ， 正 弦 波 信 号 为负 载 电 流 ｉ ０ 。 仿 真 结 果 证 明 ， 该 锁 相 环 控 制 电 路能 使 逆 变 器 很 好 地 跟 踪 负 载 的 谐 振 频 率 ， 逆 变器 输 出 电 压 和 负 载 电 流 的 相 位 差 不 断 减 小 ， 直到 两 者 同 相 ， 从 而 使 高 频 逆 变 电 源 在 功 率 因 数接 近 或 等 于 １ 的 状 态 下 运 行 ， 提 高 了 电 源 效率 。２．２ 仿真及结果分析为了 验 证 该 频率跟踪控制电路的 特 性 ， 应用Ｐｓｐｉｃｅ９．０ 软件分 别 对 图 ５ 电路 进 行 仿真 。图 ６ 为 仿 真 试 验 结 果 波 形 图 ， 图 ６ 中 ， 方波 信 号 为 ＶＣＯ 输 出 信 号 ， 正 弦 波 为 电 流 反 馈信 号 。 由 图 ６ 可 以 看 出 ， 锁 定 时 的 ＶＣＯ 输 出 信号 （ 方 波 ） 和 电 流 反 馈 信 号 （ 正 弦 波 ） 相 位 逐 渐趋 于 一 致 。 只 要 负 载 固 有 谐 振 频 率 的 变 化 在 锁相 环 的 跟 踪 范 围 内 ， 就 可 保 证 锁 相 环 实 现 自 动跟 踪 。将 上 述 频率跟踪控制电路应用于 １ＭＨｚ ／ １ｋＷ的 ＭＯＳＦＥＴ 串联谐振逆变电 源 系统中 [ ４] 。 频率跟踪范围 为 ９００ｋＨｚ～１．１ＭＨｚ ， 中 心 振 荡 频率 为 １ＭＨｚ 。图 ７ 为 该 电 源 系统仿真 原 理 。郭 红 高频串联谐振逆变器频率跟踪控制电路的仿真与应用ｕ／Ｖｔ ／ μ ｓ图 ６ 频 率跟 踪 控制 电 路 仿真 试验 结果０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ３．５ ４．０ ４．５ ５．０６．０４．０２．００ＴＤ＝５００ｎＴＦ＝１ｎＰＷ＝３８０ｎＰＥＲ＝１ｅ－６Ｖ １ ＝－５ＴＲ＝１ｎＶ ２ ＝１５ＴＤ＝５００ｎＴＦ＝１ｎＰＷ＝３８０ｎＰＥＲ＝１ｅ－６Ｖ １ ＝－５ＴＲ＝１ｎＶ ２ ＝１５ＴＤ＝５００ｎＴＦ＝１ｎＰＷ＝３８０ｎＰＥＲ＝１ｅ－６Ｖ １ ＝－５ＴＲ＝１ｎＶ ２ ＝１５ＴＤ＝５００ｎＴＦ＝１ｎＰＷ＝３８０ｎＰＥＲ＝１ｅ－６Ｖ １ ＝－５ＴＲ＝１ｎＶ ２ ＝１５图 ７ 高 频 逆 变电 源 仿真原理Ｒ １Ｅ １ Ｍ １Ｒ ８Ｒ ６Ｃ １Ｅ ３ Ｒ ４ Ｍ ３Ｒ １１Ｃ ３Ｒ ７Ｒ ５ Ｍ ４Ｃ ４Ｒ １０Ｅ ４Ｃ ２Ｖ ３Ｒ ９Ｒ ３ Ｍ ２Ｅ ２Ｖ ４Ｖ ２Ｖ １＋－Ｃ ５Ｒ １２Ｖ ５Ｌ １ｋ ΩｐＦ μ Ｈｚｋ Ωｋ Ωｋ ΩＥＮＯＭＥＮＯＭＥＮＯＭＥＮＯＭ25 ２００８ 年第 ５ 期宁 波 职 业 技术学 院 学报３ 结 论本文 利 用 ７４ＨＣ４０４６ 集 成 锁相环 对高频逆变电源 负载 电 流 频率 进 行 跟踪 并进 行了 仿真研究 。 仿真结 果 表 明 ， 由 于 采 用 了 所 设计的频率跟踪电路 改 进高频逆变电 源 逆变器控制电路 ， 使 频率跟踪 能 快 速准确地 实现 ， 逆变器的 开 关管 基 本 上 实现 了 零 电 流软 开 关 ， 因 而 使得 电 源 的 开 关 损耗 大大 降 低 ， 运 行可 靠 性 提 高 。 该 方法 具 有 良 好 的应用 前 景 和 实 用 价值 。参考文献 [ １] 段 海雁 ， 张 光 先 ． 感 应 加热 电 源 中的频率跟踪 技术 [ Ｊ ] ．电 焊 机 ， ２００７ （ ２ ） ４４－４７．[ ２] 王 顺 英 ． 锁相环原 理 、 设计 及其 应用 [ Ｍ ] ．北京 人 民邮电 出 版社 ， １９８８．[ ３] 赵雅 兴 ． Ｐｓｐｉｃｅ 与电 子 器件模型 [ Ｍ ] ．北京 北京 邮 电 大学 出 版社 ， ２００４ ２０－４０．[ ４] ＰＨＩＬＩＰＳ Ｓ．７４ＨＣ ／ ＨＣＴ４０４６Ａ Ｐｈａｓｅ - Ｌｏｃｋｅｄ - ＬｏｏｐｗｉｔｈＶＣＯ [ Ｍ ] ．Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ， １９９７．[ ５] 沈锦 飞 ， 颜 文 旭 ． 钢丝 热 处 理高频 感 应 加 热 电 源 的 研制 [ Ｊ ] ．电 力 电 子技术 ， ２００３ ， ３７ （ ６ ） ５６－５８．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ - ｔｒａｃｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒ ＨＦ - ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙＧＵＯ Ｈｏｎｇ（ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ， Ｊｉａｎｇｙｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ ， Ｊｉａｎｇｙｉｎ ２１４４０５ ， Ｃｈｉｎａ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｈｉｃｈ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｙ ｌｏａｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌｅｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ ａ Ｈｉｇｈ - Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ - Ｉｎｖｅｒｔｅｒ， ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋ ｄｅｖｉｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＨＣ４０４６ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ａ ｓｅｒｉａｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ ａｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｔｉｍｅｌｙ ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｌｗａｙｓｗｏｒｋｉｎｇ ｏｎ Ｚｅｒｏ Ｖｏｔａｇｅ - ＺｅｒｏＣｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ．ＰＬＬ＇ｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ Ｐｓｐｉｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｖａｌｕｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ； ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ； ｐｈａｓｅ - ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ图 ８ 高 频 逆 变电 源 仿真波 形ｕ／Ｖｔ ／ μ ｓｉ／μＡ１９．０ １９．５ ２０．０ ２０．５ ２１．０ ２１．５ ２２．０４００－４０２０００－２００26