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一种新型的DBD臭氧发生器电源移相控制电路
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A Novel Phase Shift Control Circuit for DBD Ozonizer
Power Supply
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湖南大学电气与信息工程学院 唐杰 邓成 孟志强
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摘 要：本文提出了一种基于集成锁相环CD4046的DBD臭氧发生器电源移相控制电路。该电路结构简单，性能稳定，移相范围为0-180
，满足DBD臭氧发生器电源对移相控制电路移相范围的要求。
关键词：DBD臭氧发生器；移相控制；锁相环；CD4046
前言
在大功率DBD臭氧发生器用逆变电源中，为了减少电源对电网的谐波污染，提高网侧功率因数，电源主电路采用了三相不可控整流加移相控制全桥逆变的拓扑结构。电源输出功率的调节由移相控制电路实现。同时，考虑到DBD臭氧发生器负载的非线性以及发生器在产生臭氧的过程中等效参数的变化，为了使电路工作于稳定的运行状况，在控制电路中设置了频率跟踪电路。因此，臭氧发生器电源的控制电路主要由移相控制电路与频率跟踪电路组成。本文根据DBD臭氧发生器电源对移相控制电路提出的要求提出了一种充分利用集成锁相环CD4046特性实现的移相控制电路，该电路具有电路简单、性能稳定、频率捕捉范围宽等优点。此电路已成功的应用于产量为2kg/h的臭氧发生器电源控制电路中。
CD4046的基本工作原理
CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V~18V），输入阻抗高（约为100M ），动态功耗小。CD4046的内部结构图如图1所示。主要由相位比较器Ⅰ、相位比较器Ⅱ、压控振荡器、源跟随器等部分构成。比较器Ⅰ采用异或门结构,当两个输入信号的电平状态相异时,比较器输出信号为高电平；反之，当两个输入信号电平状态相同时，比较器输出为低电平。相位比较器Ⅰ输出信号的频率等于输出信号频率的两倍，并且与两输入信号之间的中心频率保持90。相移。输出波不一定是对称波形。对相位比较器Ⅰ，它要求两输入信号的占空比均为50%（即方波），这样才能使锁定范围最大。相位比较器Ⅱ是一个由信号上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定输入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输入信号之间保持零度相移。本文采用了CD4046中的相位比较器Ⅱ。
图1 CD4046的内部结构图（略）
DBD电源主电路及工作原理
DBD臭氧发生器电源主电路原理图如图2所示，图中未给出整流电路部分。其中VT1~VT4为主功率管，在电路中选用的是IGBT。Tr为升压变压器，
L5为补偿电感， Cd为发生器等效介质电容， Cg为发生器等效气隙电容， Z为双向稳压二极管，其击穿电压为放电维持电压。电容 的取值较大，在一个开关周期内，可近似的认为其上的电压保持不变。因此该逆变电路属电压型逆变电路。
对于如图2所示的逆变电路，当逆变器的工作频率与负载固有谐振频率相等时，电路发生谐振，此时负载电流i0接近于正弦波。根据负载电流i0的相位与输出电压uAB的相位关系的不同，电路可工作于容性工作状态、阻性（谐振）工作状态和感性工作状态。
图2 DBD 臭氧发生器电源主电路原理图(略)
当逆变器输出电压相位滞后负载电流相位时，电路工作于容性工作状态；当逆变器输出电压相位与负载电流相位相同时，电路工作于阻性工作状态；当逆变器输出电压相位超前负载电流相位时，电路工作于感性工作状态。采用移相PWM控制电路工作于容性工作就状态时的工作波性如图3所示。
图3 容性移相PWM控制波形图
由图3所示的容性移相PWM控制波形图可以看出，在这种控制方式下，逆变桥基准臂功率开关VT1和VT2可实现ZCS，移相臂 VT3和VT4
能实现零电流关断。因此容性移相PWM控制方式适合于由关断损耗比较大的IGBT功率管构成的全桥逆变电路。
基于CD4046的移相控制电路
DBD电源控制电路
图4 DBD臭氧发生器电源控制电路原理(略)
图4给出的是DBD臭氧发生器电源控制电路原理框图。负载电流i0经过零比较器后转换成与i0同频同相的方波。然后将此方波作为锁相环的输入，锁相环的输出直接用作基准臂功率管VT1驱动控制信号，锁相环的输出经反相后作为基准臂功率管
VT2驱动控制信号。锁相环的输出同时还作为移相控制电路的输入，移相控制电路的输出输入到第二个锁相环电路，锁相环的输出为移相臂功率管VT4的驱动控制信号，经反相后作为移相臂功率管VT3的驱动控制信号。图中各点波形如图5所示。
DBD电源移相控制电路
移相控制电路用集成锁相环CD4046实现，电路原理图如图6所示。该电路利用了图6中第一片CD4046第7脚上与输入PWM波同频同相的锯齿波，将该锯齿波与一给定电压相比较，然后将比较输出信号输入到第二片CD4046的输入端，达到移相的目的。电路中各关键点电路波形如图7所示。调节比较器输入端的电位器，即可实现输出信号对输入PWM波的移相。图6所示的移相控制电路移相范围为0~180o，当逆变电源主电路工作于容性工作状态时，0~90o的移相范围就可以满足电源输出功率调节的要求了。
图6 移相控制电路原理图(略)
图7 移相控制电路波形图(略)
结论
本文提出了一种利用价格低廉的集成锁相环电路CD4046实现的移相控制电路。实践证明，将该电路应用于臭氧产量为2kg/h的臭氧发生器电源中时，电路具有性能稳定、频率跟踪范围宽、抗干扰能力好等优点，且移相范围满足DBD臭氧发生器电源调功的要求。
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