交流电源锁相环：提高电源稳定性的技术

对于本书所述的三相PFC变换器，当采用基于同步旋转坐标系的空间矢量调制时，有必要实时掌握电网电压的相位信息，以方便计算交、直轴的电压、电流坐标变换以及瞬时的有功和无功功率。同样，对于其他电力电子变换器，如不间断电源、有源滤波器、静止无功补偿器、感应加热电源等，为了实现有效的控制，也必须掌握交流电网的频率和相位信息。目前电力电子领域中主要是采用锁相环（Phase Locked Loop，PLL）技术进行相位同步和频率跟踪，锁相环的性能对于交流电源系统控制至关重要。

锁相环技术是一种相位负反馈控制技术，作用是利用环路反馈原理实现外部输入信号与内部振荡信号同步。典型的锁相环电路由鉴相器（Phase Detector）、低通滤波器（Low Pass Filter，LPF）和压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）组成，如图5-60所示。

图5-60 锁相环电路

图5-60所示的锁相环电路中，设被同步的信号v_i已经被调整为占空比为0.5的矩形波，同步信号v_i和反馈信号v_o输入到鉴相器中，鉴相器将输入信号与反馈信号的相位差转化为与之成正比的电压信号，该电压信号经过低通滤波器滤波后作为压控振荡器的输入信号，调节压控振荡器的输出频率和相位，从而实现输入与输出信号的同步。

图5-61 鉴相器输入输出波形

最简单的鉴相器可以用异或门电路表示，如图5-61所示。图5-61所示的鉴相器，其输入信号必须为占空比是0.5的矩形波信号，当同步信号v_i和反馈信号v_o相位相同时，鉴相器输出信号为低电平；当同步信号v_i和反馈信号v_o相位逐渐增加时，鉴相器输出信号为一定占空比的矩形波，占空比随同步信号v_i和反馈信号v_o相位差增加而增加；当同步信号v_i和反馈信号v_o相位相差180°时，鉴相器输出信号为高电平。显然，以异或门表示的鉴相器，只能检测0°～180°之内的相差。在实际的鉴相器中，可以通过对输入信号分频的方法解决这个鉴相缺陷。

鉴相器输出信号为一定占空比的矩形波，为了把占空比信号转换为压控振荡器可以使用的模拟信号，需要引入低通滤波器，滤波器输入、输出波形如图5-62所示。锁相环系统中的低通滤波器除了起滤波作用外，还有调整环路参数的功能，常用的RC低通滤波器如图5-63所示。

图5-62 滤波器输入、输出波形

RC低通滤波器传递函数为

除了RC低通滤波器，常用的锁相环滤波器还有无源比例积分（PI）滤波器和有源比例积分（PI）滤波器，分别如图5-64、图5-65所示。

图5-63 RC低通滤波器

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图5-64 无源PI滤波器

无源比例积分滤波器传递函数为

有源比例积分滤波器传递函数为

图5-65 有源PI滤波器

压控振荡器是一个电压/频率变换装置，它的频率f_v（t）随v_c（t）变化，它们的关系可表示为

f_v（t）=f₀+Kv_c（t） （5-142）

式中，f₀为压控振荡器的中心频率，即控制电压v_c（t）为0时的输出频率；K为决定压控振荡器的灵敏度。压控振荡器输入、输出波形如图5-67所示。

图5-66 压控振荡器输入、输出波形

图5-60所示的锁相环电路中，同步信号v_i和反馈信号v_o的频率是相同的，而通过在锁相环中增加分频器、倍频器或混频器，可以使同步信号v_i和反馈信号v_o的频率不相同。图5-66所示的是采用分频器（Frequency Divider）的锁相环电路，压控振荡器输出信号v_o频率为同步信号v_i频率的n倍。在锁相环中，使用分频器可以提高锁相环的精度。

图5-67 采用分频器的锁相环结构