高品质变频电源中基于频率跟踪技术的逆变器设

    逆变器工作时，MOSFET开关根据负载（或换能器）的谐振频率进行切换，如图5-7所示，S1、S4和S2、S3分别组成两组开关。这两组开关轮流导通，负载中的电流过零时开关切换。当逆变器工作频率等于负载（或换能器）的谐振频率时，电路输出电压为方波，输出电流为正弦波，如图5-7(b)所示。电路中采用零电流开关模式，其开关损耗极小，du/dt及di/dt应力大为下降，相应的电磁干扰可以消除。
  图5-7    主电路结构及逆变器工作波形    (1)频率跟踪控制电路。频率跟踪控制电路如图5-9所示，图中采用CD4046集成锁相环实现无相差的频率跟踪控制。将负载电压或电流相位作为锁相环的输入信号，锁相环的输出作为逆变器的驱动信号，以实现逆变器对负载的频率跟踪。霍尔电流传感器检测的负载正弦电流信号经比较器LM339整形变换为方波信号，送入CD4046锁相环14脚，经频率跟踪控制后从3、4脚输出，经过驱动电路形成MOSFET的PWM驱动波形，最后由脉冲变压器隔离后作为开关的控制信号，分别加在S1、S4和S2、S3上，使逆变器桥臂上开关根据负载（或换能器）的谐振频率进行切换。对于谐振频率为定值的负载来说，频率跟踪技术可使逆变器在该谐振值附近的某一范围内工作时进行调整，使其工作在谐振点。对于频率参数变化的负载来说，只要该负载的谐振频率在锁相环的跟踪频率范围内，锁相电路都可以实现频率的自动跟踪和锁定。
    图5-9    频率跟踪控制电路    (2)相位补偿的实现。桥式逆变器S1、S4和S2、S3在电流过零时换流，但在实际电路中，电流采样、锁定跟踪、PWM信号的驱动都需要时间，这将引起驱动信号滞后负载电流一个相角度（逆变器工作在容性负载）。从电流采样到MOSFET完全开通，大约需要1.5~ 2.5μs的时间，对逆变电源而言，这个时间引起的负载电压与电流相位差是不容忽视的，它使MOSFET无法工作于零电流开关状态；另一方面，还影响开关的可靠开通与关断。    利用CD4046锁相环的特点，配合比较器来实现相位补偿。CD4046锁相环的特点是，输出信号占空比始终为50%，与输入信号占空比无关，输出信号上升沿触发有效。因此相位补偿电路在比较器输入正端加一参考偏置电压Up，使比较器输出信号上升沿提前△T时间。相位补偿原理如图5-10所示，经锁相环输出的控制信号相对于电流而言，提前△T时间。调节偏置电压Up值即可调节补偿时间值。若补偿时间大于电路延时时间值，负载工作在感性状态；反之，负载工作在容性状态，补偿时间等于电路的延时时间值，负载工作在谐振状态。
    图5-10    相位补偿原理图    (3)起动电路。CD4046锁相环上电时，压控振荡路(VCO)将以最低频率工作；在VCO控制端9脚加控制电压，可使VCO输出频率在最低与最高之间变化。因此，可以利用VCO的输出信号作为它的激励信号，而不必另设信号发生电路。图5-11所示为起动电路原理图，9脚是压控振荡器电压控制端。当控制端加电源电压(+5V)时，VCO输出最高频率。随着CT的充电，控制端电压逐渐降低，VCO从最高频率滑向最低频率。只要负载的固有频率在最高频率与最低频率之间，那么VCO的输出扫描频率就会引起负载产生谐振，锁相环进入锁定状态，起动极为容易。起动完成后，二极管VD将起动电路与滤波电路隔离，锁相环工作于无相差自动频率跟踪状态。只要参数设计合理，起动可靠性> 90%。
    图5-11    启动电路原理图    (4)保护与驱动。在图5-9的控制电路中还设计了过流保护措施。当谐振电流过大时，由采样环节得到的采样电流也会增大。如果这个电流超出了设计值，采样环节发出的信号经处理后可封锁锁相环，使其不工作，后面的驱动无信号，逆变器的负载谐振电流相应减小。当电流减小到正常范围时，锁相环又开始工作。    图5-9中MOSFET的驱动电路采用芯片UC3708。为了对UC3708进行输出电压钳位保护，电路设计中采用了UC3611芯片，它是四肖特基二极管阵列。主电路和控制电路之间采用变压器进行隔离。