基于74HC4046AD的感應加熱電源設計

姜翔文，馬俊清，徐秀平

（1.五邑大學 信息工程學院，廣東 江門529000；2.華南理工大學 電信學院，廣東 廣州510640）

0 引 言

感應加熱是相對于傳統電阻的電流熱效應加熱及火焰加熱的一種新型加熱方式，具有高效節能的特點［1］。感應加熱電源屬于非接觸式加熱，和電阻加熱相比減少了由于熱量的傳導而損失的能量，熱效率高。它是利用交變電磁場在鐵質材料中產生的渦流進行加熱的，對溫度可以進行分段和局部控制。

1 半橋主電路拓撲及工作狀態

1.1 半橋串聯感應加熱拓撲

感應加熱電源采用市電220 V交流輸入，半橋串聯諧振。電路拓撲如圖1所示，采用了交－直－交變頻工作原理。市電輸入后經過整流濾波變為300 V左右的直流電，經過逆變電路，輸出高頻交流電，整流部分采用不可控整流。工作過程如下：當S1導通時，直流母線電流流經S1、電感L和C2。當S2導通時，直流母線電流流經C1、電感L和S2。通過LC串聯諧振，產生高頻正弦交流電，交變的電流產生交變的磁場，在負載中產生交變電流，產生熱量。

圖1 半橋串聯感應加熱電源拓撲

1.2 半橋感應加熱的三種工作狀態

半橋感應加熱有三種工作狀態，即阻性狀態、感性狀態和容性狀態。

（1）阻性狀態。逆變器的工作頻率等于諧振回路的諧振頻率，IGBT可以實現零電流開通和關斷。此時電路等效電阻最小。但是電路容易滑向容性工作狀態，其工作波形如圖2（a）所示。

（2）感性狀態。其工作波形如圖2（b）所示，電壓超前電流一個角度。首先D1續流，電流過零時，給S1導通信號使S1零電流開通，S1導通一段時間后，給S2驅動信號，但是電感電流不能突變，D2經行續流，當電感電流降到0時，S2才有電流流過。可見負載電流由續流二極管向功率管換流發生在同一橋臂上，不存在續流管反向截止問題引起的上下橋臂直通問題。

（3）容性狀態。其工作波形如圖2（c）所示，電流超前電壓一個角度。首先D2續流，給S1開通信號，使S1導通，D2反向截止。如果D2反向恢復時間慢，容易引起上下橋臂直通。所以應該避免工作在容性狀態。

圖2 半橋感應加熱的三種工作狀態

2 總體設計方案

總體電路如圖3所示，它是由軟啟動電路、74HC4046AD鎖相電路、電流整形電路、相位補償電路、同步脈沖提取電路和SG3525驅動電路組成。其中軟啟動電路是由C3、R5和D1組成。工作過程如下：霍爾采樣負載電流，經過波形變換后得到方波信號送入74HC4046AD的14腳，4腳輸出信號經過相位補償電路送入3腳。在74HC4046AD內部，經過相位比較器產生相位差信號。根據相位差信號控制4腳方波的輸出頻率，4腳信號經過同步提取電路產生同步脈沖，控制SG3525的PWM波的輸出頻率。

圖3 總體設計圖

3 鎖相環電路的設計

3.1 74HC4046AD電路設計

74HC4046AD鎖相器由3部分組成，即鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器用于將信號相位差轉化為相位差電平，該電平經過低通濾波器后，輸入到壓控振蕩器輸入端來控制輸出頻率。74HC4046AD有三個鑒相器，鑒相器I、鑒相器II和鑒相器Ⅲ。14腳和3腳的輸入信號送入鑒相器中，如果14腳信號超前3腳信號，13腳輸出高電平。如果14腳信號滯后3腳信號，13腳輸出低電平。如果兩腳信號相位差為0，13腳輸出高阻態。不論14腳和3腳間相位是超前還是滯后，只要有相位差，1腳就輸出低電平。鑒相器I對輸入信號占空比有要求，均為50%，所以選擇對占空比沒有要求的鑒相器II。

它激過程如下：上電后電容C3電壓不能突變，電容兩端電壓為0［2］。9腳輸入電壓為5 V，這時壓控振蕩器輸出最高頻率。5 V電源通過RC回路對電容C3充電，9腳電壓慢慢下降，壓控振蕩器輸出頻率降低，直到壓控振蕩器輸出方波頻率是諧振頻率后，二極管D1反向截止。鎖相電路進入自激狀態，9腳電壓會跟蹤負載變化，使輸出頻率跟隨負載頻率變化。C1、R1、R2用來設置壓控振蕩器的鎖相頻率范圍。調整C1、R2的大小確定鎖相環輸出的最低頻率，再確定R1的大小，使鎖相環輸出的中心頻率和最高頻率達到要求［3］。這里取C1＝33 pF，R1＝7.5 kΩ，R2＝100 kΩ。

3.2 低通濾波器

式中，Kd表示鑒相器增益 Kd＝Ucc/（4π）（V/r），Ucc表示74HC4046AD的供電電壓；F（s）表示無源比例積分濾波器傳遞函數，在圖3中，它是由R3、R4、C2組成的，其傳遞函數為

式中，τ1＝R3C2，τ2＝R4C2表示壓控振蕩器增益；Kv＝2π×2fL/UVCOrange（r/s/V）。UVCOrange＝ （4.1－0.9）V，2fL＝Umax－Umin，Umax表示壓控振蕩器最大輸出頻率時壓控振蕩器的輸入電壓。Umin表示壓控振蕩器輸出最低頻率時壓控振蕩器的輸入電壓。圖4中系統的傳遞函數為［4］

這是一個二階系統，系統特征方程是

圖4 鎖相環系統框圖

4 同步信號提取電路和驅動電路

圖5為同步信號提取電路。如果SG3525的PWM頻率是f，那么同步端頻率必須是2f，可以提取同步方波的上升沿和下降沿來實現。74HC4046AD的4腳輸出信號經過圖7所示電路后產生窄脈沖同步信號，其中可以通過RC延時電路來設置同步信號的脈寬。

圖5 同步信號提取電路

SG3525內部結構圖如圖6所示。它是由振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、欠壓鎖定電路、基準電壓源和輸出驅動等組成。其突出特點：

圖6 SG3525內部結構

（1）SG3525的振蕩頻率為fosc＝1/CT（0.7RT＋3RD）其中CT是5腳外接振蕩電容，RT是6腳外接振蕩電阻，RD跨接5腳和7腳間，用來控制驅動的死區時間［5］。

（2）SG3525具有軟啟動、外部同步和外部關斷功能。SG3525產生IGBT的驅動脈沖，PWM發生電路如圖7所示。少

圖7 PWM發生電路

在沒有外部同步信號輸入時，SG3525按照數據手冊中CT和RT設定的值，輸出對應頻率的驅動方波。當有外部同步信號，并且同步信號的頻率高于CT和RT的設定頻率時，同步信號有效。此外要求同步脈沖寬度小于200 ns［6］。所以在沒有同步信號輸入時，可以把頻率設定的低一些，這樣可以在較大范圍內跟蹤同步信號。

5 實驗結果

本文用上述方案設計了一臺2.5 kW/20 kHz感應加熱電源，對注塑機料筒經行加熱試驗。從圖8中可以看到同步信號提取電路可以完全提取74HC4046AD的4腳方波的上升沿和下降沿，同步脈沖頻率是2倍方波信號。圖9是由SG3525根據同步信號產生的PWM驅動信號，其頻率是同步信號的一半。根據圖10可以看出，IGBT是工作在零電流開關狀態。試驗結果符合設計要求。

圖8 74HC4046的4腳波形和SG3525的3腳波形

圖9 SG3525的3腳波形和SG3525的PWM輸出

圖10 S1和S2的驅動、S2漏源極電壓和負載電流波形

6 結束語

通過2.5 kW/20 kHz感應加熱樣機實驗結果可以看出，負載電流是正弦波，IGBT滿足零電流開關，減少了IGBT開關損耗。該方案解決了負載變化引起的鎖相頻率變化問題，對全橋感應加熱電源的設計有一定的指導意義。

［1］ 李定宣，丁增敏.現代高頻感應加熱電源工程設計與應用［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 熊臘森，全亞杰.CD4046鎖相環在感應加熱電源中的應用［J］.電焊機，2000，06：14－19.

［3］ 易立瓊.MM74HC4046在感應加熱電源中用法的改進［J］.通信電源技術，2010，27（7）：41－43.

［4］ 易立瓊.注塑機感應加熱系統的研究與實現［D］.廣州：華南理工大學，2010，6（7）：1－76.

［5］ 喬攀科，畢淑娥.基于SG3525調頻控制的半橋串聯感應加熱電源［J］.電測與儀表，2010，（9）：58－61.

［6］ 馬洪濤，沙占友，周芬萍.開關電源制作與調試［M］.北京：中國電力出版社，2010.