穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)

穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)

摘要:系統(tǒng)地介紹穩(wěn)頻穩(wěn)壓（CVCF）電源的構(gòu)成原理,分析CVCF的頻率穩(wěn)定度、相位穩(wěn)定度及幅值穩(wěn)定度的影響因素,并介紹CVCF的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞:CVCF頻率穩(wěn)定性幅值穩(wěn)定性相位穩(wěn)定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Analysis and Design on the Stability of CVCF

Abstract:This paper introduces the structure and the principle of CVCF. It analyses systematically factors which affect the frequency stability and the scope stability and the phase stability of CVCF, and expounds static and dynamic design methods.

Keywords:CVCF Frequency stability Scope stability Phase stability System design

交流穩(wěn)頻電源,由于其幅值和頻率穩(wěn)定度高,波形失真小,輸出功率大,在電子、機(jī)電行業(yè),特別是在精密加工機(jī)械、半導(dǎo)體加工設(shè)備的制造、交流儀器儀表的調(diào)校、磁性材料的測量等測試系統(tǒng)中,作為激勵(lì)源或信息源得到廣泛的應(yīng)用，也可以取代傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)機(jī)組,在航天航空航海和精密加工等行業(yè)得到應(yīng)用。

1工作原理

交流穩(wěn)頻電源根據(jù)其工作方式可分為波形控制式和逆變器式。波形控制式是將信號(hào)源輸出的正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn),采用線性放大器進(jìn)行功率放大,通過耦合度高的線性變壓器與負(fù)載相連。這種穩(wěn)頻電源波形失真小,穩(wěn)定度高。逆變器式與波形控制式的主電路結(jié)構(gòu)基本相同,只是采用開關(guān)式逆變器取代線性放大器,通過正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(SPWM),使主電路中的電力電子器件工作于超音頻范圍的開關(guān)狀態(tài),輸出正弦波脈寬調(diào)制波,然后再通過濾波電路還原成正弦波,這種穩(wěn)頻電源效率高,無噪聲。但由于工作在開關(guān)狀態(tài),有一定的開關(guān)干擾,波形失真程度較大,其應(yīng)用范圍受到一定的限制。目前,一般多采用波形控制式穩(wěn)頻電源作為測試激勵(lì)源,采用逆變器式作為大功率驅(qū)動(dòng)電源。

根據(jù)輸出交流電源的相數(shù),穩(wěn)頻電源可分為單相式,兩相正交式和三相對(duì)稱式。單一輸出量的穩(wěn)頻穩(wěn)壓源由于各相間的相移恒定,因此不需要移相調(diào)節(jié)電路。當(dāng)輸出物理量既要求有電壓回路,還要求有電流回路,且電壓與電流的相位差要求既能調(diào)節(jié)又能穩(wěn)定以適應(yīng)不同負(fù)載時(shí),則相應(yīng)的穩(wěn)頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源應(yīng)包括電壓和電流輸出回路。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（a）單相式CVCF

(b)兩相正交式CVCF??? (c)三相對(duì)稱式CVCF

圖1CVCF原理框圖

穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的穩(wěn)幅原理取決于圖2所示的穩(wěn)幅放大電路。其中精密整流電路將穩(wěn)頻穩(wěn)壓源輸出的交流電壓取樣,經(jīng)整流變換為幅值與輸出的交流量成正比的直流電壓Uf,穩(wěn)幅放大電路將此Uf作為幅值反饋電壓,并與基準(zhǔn)源Uj相比較,取其偏差量Uj－Uf進(jìn)行積分放大,以改變可變增益放大器的增益。當(dāng)頻率穩(wěn)定、幅值也穩(wěn)定的信號(hào)源輸出的正弦波通過可變增益放大器時(shí),由于其增益取決于偏差量,故使輸入到功率放大器的信號(hào)幅值改變,從而自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出的幅值。如由于某一原因使穩(wěn)壓源的輸出幅值Uo下降時(shí),則經(jīng)過精密整流后的幅值反饋電壓Uf也降低,使比較器的偏差量增大,經(jīng)積分放大后,使可變增益放大器的增益提高,從而使功率放大器的輸入信號(hào)增大,穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出幅值Uo增大,以達(dá)到幅值穩(wěn)定的目的。

波形反饋環(huán)是將穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出量取樣后,以負(fù)反饋的形式反饋到功率放大器的輸入端,使功率放大器的凈輸入信號(hào)為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的偏差。通過這一較強(qiáng)的負(fù)反饋以減小功率放大器的非線性失真,使穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出波形盡量接近信號(hào)源的輸出波形。

圖2穩(wěn)幅原理框圖

2CVCF的穩(wěn)定度分析

2.1CVCF的頻率穩(wěn)定度分析

CVCF的頻率穩(wěn)定度在很大程度上取決于振蕩器,因此,設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的振蕩器是CVCF的關(guān)鍵之一。

首先,對(duì)任一振蕩器在不考慮電阻R時(shí),其振蕩頻率可用一般表達(dá)式表示

如果由于外界條件使L和C分別變化了△L和△C,則頻率的偏移量為△f==－(f△C/C＋f△L/L)/2

頻率的相對(duì)變化量為

△f/f=－(△C/C＋△L/L)/2（1）

電感的變化量△L取決于溫度和濕度的變化以及機(jī)械振動(dòng)等因素,電容的變化量△C除與濕度和溫度的變化有關(guān)外,還與電路的雜散分布電容、負(fù)載電容、元件的老化失效等因素有關(guān)。

其次，振蕩回路的有功負(fù)載將影響諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q,從而影響振蕩頻率的穩(wěn)定度。一般來說,Q值越高,頻率穩(wěn)定度越好,反之頻率穩(wěn)定度越差。而諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q為:

Q=ωoL/R=1/（ωoRC）（2）

可見,振蕩回路的有功負(fù)載—R的變化,將影響Q值,繼而影響頻率穩(wěn)定度,而諧振回路的有功負(fù)載R往往取決于導(dǎo)線的電阻、高頻集膚效應(yīng)、磁心的磁滯、渦流損耗及負(fù)載電阻等因素。

再次,電路元件的內(nèi)部相移也將影響頻率穩(wěn)定度。如晶體管由于結(jié)電容的存在,以及少數(shù)載流子在基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散時(shí)間的影響,使集電極電流總要滯后于基極輸入電壓的變化,即它們之間存在一個(gè)相移角φ，對(duì)這一附加相移φ在振蕩器中不可能考慮,因而使總相移增大。另外這一相移φ還隨電源電壓和溫度的變化而變化，這些都可能使諧振電路的頻率產(chǎn)生偏離。

2.2CVCF的幅值穩(wěn)定度分析

若將功率放大器,驅(qū)動(dòng)電路和波形反饋電路所構(gòu)成的閉環(huán)看成是CVCF的波形環(huán)節(jié),則CVCF的穩(wěn)幅放大電路是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)。

對(duì)于穩(wěn)幅放大電路,其靜態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示:K1為波形環(huán)節(jié)的增益,α為精密整流系數(shù),un為給定基準(zhǔn)電壓,K2為可變增益放大器的增益，所以系統(tǒng)的靜特性方程為:

uO=K1unui/(1＋αK1ui)（3）

當(dāng)1＋αK1ui?1時(shí),有uo≈un/α

CVCF就是采用改變給定基準(zhǔn)電壓的方法來實(shí)現(xiàn)輸出幅度調(diào)節(jié)的,所以給定基準(zhǔn)電壓和精密整流電路的穩(wěn)定性,將直接影響CVCF輸出幅值的穩(wěn)定度。

單閉環(huán)控制系統(tǒng)的電壓調(diào)整率框圖如圖4所示。該閉環(huán)系統(tǒng)中,積分放大器的傳遞函數(shù)為K2/Tos。在un不變時(shí),精密整流反饋系數(shù)為α,則反饋系統(tǒng)的基本方程是

△uo/uo=K1(△ui/ui－αK2△uo/T0suo)

經(jīng)整理后,得

△uo/uo=(K1△ui/ui)/(1＋αK1K2/T0s)(4)

因?yàn)?＋αK1K2/T0s?1,則有CVCF的幅值穩(wěn)定電路的輸出幅值穩(wěn)定度和瞬態(tài)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)近似表達(dá)式△uo/uo≈T0s△ui/αK2ui。

2.3CVCF的相移穩(wěn)定度分析

圖3單閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ????? 圖4電壓調(diào)整率框圖

CVCF中常采用圖5所示的有源移相電路。圖中

U＋=(1/jωC）Ui/(R2＋1/jωC)

U－=(UiRf＋UoR1)/(R1＋Rf)

圖5有源濾波電路

圖6閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

因?yàn)閁＋=U－,所以

(UiRf＋UoR1)/(R1＋Rf)

=(1/jωC)Ui/(R2＋1/jωC)

其中φ=φ1＋φ2=tg－1ωCR2Rf/R1＋tg－1ωCR2

若取R1=R2=Rf=R,則得K=1

φ=2tg－1ωCR

△φ=2(ωR△C＋ωC△R)/[1＋(ωCR)2

可見,相移角φ的穩(wěn)定度受移相電路中的電容C和電阻R變化的共同作用,它們都受環(huán)境因素的影響,同時(shí),電容C的失效,容量減小以及由于集成電路老化致使內(nèi)部半導(dǎo)體元件的結(jié)電容變化等因素,對(duì)相移的長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度指標(biāo)的影響很大。

3CVCF的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

CVCF在設(shè)計(jì)前,必須明確該系統(tǒng)所要求的技術(shù)指標(biāo),根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),從而明確各單元電路應(yīng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo),合理地分析并選擇各單元電路的類型,然后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,確定電路參數(shù)。還要根據(jù)電路工作特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路。

3.1靜態(tài)設(shè)計(jì)

就幅值穩(wěn)定系統(tǒng)來說,CVCF幅值閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖6所示。其中

比較環(huán)節(jié)△u=un－uf

乘法輸出u1=△uui=ui(un－uf)

放大器u2=K1u1=K1(un－uf)ui

功率放大u0=K2u2=K1K2(un－uf)ui

反饋電路uf=αun

所以,靜特征方程為:u0=Kunui/(1＋αKui)（7）

式中K=K1K2。其靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如7所示,根據(jù)靜態(tài)特性方程和系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，可以確定各單元電路的技術(shù)指標(biāo)。如系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定度指標(biāo)△uo/uo明確后,即可根據(jù)特征方程求出給定基準(zhǔn)電壓un的穩(wěn)定度指標(biāo)△un/un為：

△un/un=(αK1K2ui＋1)△un/K1K2uiun（8）

當(dāng)αK1K2ui＋1?1時(shí),有△un/un=α△uo/uo

依此類推可以確定其余各單元電路的技術(shù)要求。

圖7靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3.2動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

靜態(tài)設(shè)計(jì)并沒有考慮各單元電路的延時(shí)。事實(shí)上,各單元電路均可能存在延時(shí),它們將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,并可能引起系統(tǒng)振蕩。

在幅值閉環(huán)系統(tǒng)中,延時(shí)最大的是功率放大器,當(dāng)考慮驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的總延時(shí)為Ts時(shí),則功率放大器的傳遞函數(shù)為:

K2/(1＋Tss)（9）

積分乘法器的傳遞函數(shù)為：

ui(1＋Ts)/Ts（10）

反饋電路因有濾波環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為α/(1＋Tns)

當(dāng)忽略小時(shí)間常數(shù)時(shí),則得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),如圖8所示。

圖8動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)作系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)時(shí),令T=Ts,選擇積分乘法器傳遞函數(shù)為ui(1＋Ts)/Ts,則校正后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

K′/s(Tns＋1)=αK1K2ui/Ts(Tns＋1)（11）

所以K′=αK1K2ui/T。因?yàn)門Ss＋1≈TSs,選擇積分乘法器的傳遞函數(shù)為ui(1＋Ts)/Ts,則校正的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

K′(1＋Ts)/s2(Tns＋1)（12）

根據(jù)系統(tǒng)最終校正即可確定系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)。

3.3保護(hù)設(shè)計(jì)

CVCF的輸出功率一般為數(shù)百到數(shù)千瓦,使得通過功率器件的電流很大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,常采用多只功率器件并聯(lián)使用。在并聯(lián)過程中,除了要考慮均流

圖5有源濾波電路

圖6閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖8動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

措施外,還要考慮留有充足的電流儲(chǔ)備。除此之外,還要考慮器件的過電流保護(hù),過電壓保護(hù),di/dt限制保護(hù)和du/dt限制保護(hù)等。

對(duì)于CVCF來說,上述保護(hù)的接口問題需要注意,由于CVCF實(shí)際上是一個(gè)交—直—交電流變換器,中間經(jīng)歷了整流和逆變兩個(gè)過程。當(dāng)逆變過程中某一器件損壞而出現(xiàn)過電流時(shí),勢必引起穩(wěn)壓過程中出現(xiàn)過電流,造成整流穩(wěn)壓器件損壞,繼而引起電網(wǎng)過電流。為了提高系統(tǒng)的可靠性,防止事故擴(kuò)大,在CVCF設(shè)計(jì)中,常將各種保護(hù)作用于整流穩(wěn)壓電路,一旦逆變部分出現(xiàn)故障,立即自動(dòng)關(guān)斷主電路的直流穩(wěn)壓電源,并提供各種報(bào)警信號(hào)。

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