高频交流环节AC/AC变频变换系统基准正弦电路研究

出处：davidli88 发布于：2007-04-03 19:32:43

首次提出并深入分析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与试验结果，试验结果与理论分析一致。该基准正弦电路具有输出正弦电压与电网电压n倍频或n分频信号同步、THD小、幅值可调且不受电网电压波动的影响、简单实用、价格低廉等优点，在高频交流环节AC/AC变频变换系统和UPS中具有重要应用价值。

1引言
新颖的高频交流环节AC/AC变频变换系统[1,
2]，如所示。该电路结构由输入周波变换器、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2级功率变换（LFAC/HFAC/LFAC）、变换效率高、双向功率流、高频电气隔离、无音频噪声等优点，是实现新型变频电源的关键技术基础。

所示变换系统中，输出电压uo总是跟踪基准正弦电压ur的。如果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uo时，要求PWM信号占空比很大，使PI调节器输出饱和，那么uo就无法跟踪ur，使uo波形产生畸变，仿真波形如(a)所示；如果ur与ui的n倍频或n分频信号同步，即ur与ui的过零点重合，则不会产生上述PI调节器输出饱和现象，uo能很好地跟踪ur，仿真波形如(b)所示。中，ui为输入电网电压，uo为输出电压，ue为PI调节器输出电压。

因此，ur与ui的n倍频或n分频信号必须同步。对电网电压n倍频或n分频信号同步的基准正弦电路的研究，是高频交流环节AC/AC变频变换器的重要内容。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，如所示。

该电路的原理是先将电网电压ui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m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，如所示。
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（a）所示。电路中，R1和C1组成微分电路，输入方波信号前沿经R1和C1，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（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（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入单稳态触发器4528，经或门4071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（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（e）所示。其是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

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
3.1CD4046B的外接电阻R4、R5和外接电容C4的设计
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。
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输出频率fomax[3]，且

式中
Vt的幅值正比于基准电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-源极压降；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=10kW，R5=∞，C4=100pF。
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=100kW，C3=2mF。
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ui=220V±10%，频率fi=50Hz；基准输出电压ur=0~15V(峰值)，频率fo=
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、40175；单稳态触发器4528；C1=C2=100nF；C3=2mF；C3=100pF；R1，R2用电位器504；R3=100kW；R4=10kW；R5=∞；R6=R7=R8=150kW。

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，如所示。由可见，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结论
（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、正弦波产生电路等六个部分构成。

（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。
参考文献
[1]陈道炼（ChenDaolian），高频交流环节AC/AC变换器原理研究（ResearchonAC/AC
converterswithhighfregqrencyac
link）[R]．南京：国家及江苏省自然科学基金申请（ApplocationreportofNational
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Prouince），1999．
[2]陈道炼，李磊，胡育文（ChenDaolia，LiLei，Hu
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phase-shiftedcontrolledvoltagemodeAC/ACconverterswith
highfrequencyAClink）[J]．中国电机工程学报（Proceedingsofthe
CSEE），2002，22(9)：69-73．
[3]《CMOS集成电路》（CMOSintegratedcircuit）[M]．国防工业出版社，（Nitional
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[4]李成章，王淑芳（LiChengzhang，Wang
Shufang）．《新型UPS不间断电源原理与维修技术》（Principleandofnovel
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