基于CD4046感應加熱電源的研究設計

袁倩，劉平，陳?？?/p>

（鄭州大學 河南 鄭州 450001）

基于CD4046感應加熱電源的研究設計

袁倩，劉平，陳睿科

（鄭州大學 河南 鄭州 450001）

為了解決傳統感應加熱電源開關損耗較高及功率因數較低的不良效果，本文設計出了一種以集成高速鎖相環CD4046為核心的控制電路，該控制電路可以對逆變器進行實時頻率跟蹤，根據反饋信號做出合理的相位補償，確保逆變器工作于弱感性狀態，并在獲得較高輸入功率因數的同時實現開關零電壓功能，實驗結果表明該控制電路結構簡單，工作性能穩定，在工業應用方面存在潛在價值。

CD4046；頻率跟蹤；相位補償；驅動信號；電流

感應加熱電源在工作過程中，隨工件溫度上升，其電阻率、導磁率等物理屬性發生相應變化，另外工件的加取過程等都會導致電源逆變器的諧振頻率及等效負載阻抗發生變化［1］，電流過熱過程中會有明顯的幅值變化，結果致使電源偏離最佳工作狀態。這就要求電源具有自動頻率跟蹤能力，以適應負載的動態變化。為使電源始終獲得較高功率因數，并具有較高效率，本文結合串聯諧振逆變電路弱感性負載特性，設計了相位補償電路并根據電流反饋信號的變化進行調節，使電壓電流相位差Δθ相對穩定，另外需根據開關管特性合理設置驅動信號死區時間td。文中根據控制電路功能分別對主電路工作特性，頻率跟蹤，死區生成和相位補償等原理進行了詳細分析。

1　主電路工作原理

基于串聯諧振逆變器的感應加熱電源的主電路如圖1所示。

圖1中為直流電壓源，K1～K4為4只IGBT開關管，D1～D4為IGBT內部體二極管；由于設計電源工作頻率在10～50kHz范圍內，頻率較低，故忽略IGBT極間電容；L、C、R是逆變器諧振網絡等效參數。在驅動脈沖的控制下，K1、K4與K2、K3交替導通，使加在諧振網絡A、B兩點間激勵是幅值為Vd近似交流方波電壓。同一橋臂的上下兩個IGBT不能同時導通，必須留有合理死區時間td，遵守“先關斷后開通”原則。

圖1　串聯諧振感應加熱電源主電路Fig．1　The main circuit of the series resonant induction heating power

圖2中，Vref為相位補償參考電壓；Vi為諧振網絡主線電流i的采樣反饋信號，圖中幅值不同反映工件加熱中等效負載變化情況；uAB圖1中AB間電勢差，即諧振網絡激勵電壓；QD2為開關管K1、K4驅動脈沖，QD1為K2、K3驅動信號，

串聯諧振感應加熱電源工作于弱感性狀態［2］，對此展開分析。圖1中以A到B為正電流方向，結合圖2分析，在一個工作周期內逆變器共有6種工作狀態。

圖2　電源主要工作波形Fig．2　The main work waveform of the power supply

狀態1［t0，t2］：QD2=1，QD1=0，K1、K4開通，K2、K3關斷，uAB=Vd，主線電流通過K1、K4從零正弦變化，如圖1中電流i1，正電流方向，uAB=Vd。

狀態2［t2，t3］：時刻，Vi＜Vref，QD2=0，QD1=0，K1～K4關斷，電流i不能突變而是通過二極管D2、D3續流，如圖1中電流i2，正電流方向，K2、K3集射電壓分別被二極管D2、D3嵌位于0，uAB=-Vd，電壓換向，i正在減小。

狀態3［t3，t4］：由t2到t3經過一個死區時間td后，QD1=1 即K2、K3開通，此時K2、K3集射電壓仍被二極管D2、D3嵌位于0，故實現了零電壓開通目的，降低開通損耗，uAB=-Vd，i仍正電流方向逐漸減小至0。

狀態4［t4，t5］：t4時刻，i減小為0，電流開始換向。換向后電流i通過K2、K3從零正弦變化，如圖1中電流i3，負電流方向，uAB=-Vd。

狀態5［t5，t6］：t5時，QD2=0，QD1=0，K1～K4關斷，電流i通過 D1、D4續流，如圖1中電流i4，負電流方向，K1、K4集射電壓分別被二極管D1、D4嵌位于0，uAB=Vd，i正在減小。

狀態6［t6，t7］：由t5到t6經過一個死區時間td后，QD2=1 即K1、K4開通，此時K1、K4集射電壓仍被二極管D1、D4嵌位于0，實現零電壓開通，uAB=Vd，i仍負電流方向逐漸減小至0。t7時刻，電流i過零點，電流變向流動，實現換流，返回到工作狀態1。

整個工作過程從狀態1到狀態6循環進行。但其中也會有一些不同，從圖2觀察到，由于負載變化等原因導致諧振網絡電流反饋信號Vi大小不同時，若用恒定相位補償電壓Vref作參考，則明顯Δθ2＜Δθ1，即電流反饋信號幅值越小相位補償Δθ越大，這樣將降低電源整機功率因數。若能根據電流反饋信號Vi不同合理調整Vref，使Δθ在開關管實現零電壓開通（ZVS）前提下相對穩定，這樣也有利于提高逆變器功率因數。

2　電路設計

2.1CD4046核心電路分析

鎖相環是一個使輸出信號與輸入信號在頻率和相位上同步的電路，CD4046是通用的高速CMOS鎖相環集成電路，其特點是輸入阻抗高、電源電壓范圍寬、動態功耗小。圖3為本設計的CD4046核心電路［3］，集成了頻率跟蹤、驅動脈沖預發生、掃頻啟動、工作狀態指示等功能。

圖3　CD4046核心電路Fig．3　CD4046 core circuit

2.1.1頻率跟蹤

CD4046有兩個獨立的鑒相器PD1和PD2。PD2是鑒頻鑒相器，它由邏輯門控制的4個邊沿觸發器和三態輸出電路組成，其輸出為三態結構，系統一旦入鎖，PD2的兩個輸入信號上升沿可嚴格同步［4］。

如圖3示電路連接方法，CD4046集成鎖相環使用鑒頻鑒相器PD2，將壓控振蕩器輸出4腳與PD2的輸入端3腳相連，只要同步信號sig1頻率在鎖相環的捕獲頻率范圍內，4腳輸出信號sig2與14腳頻率跟蹤同步信號sig1（須為方波信號）上升沿就會嚴格同步，且與sig1占空比無關，實現無相差的頻率跟蹤，4腳輸出信號為占空比D=0．5的方波信號sig2，sig1與sig2的相位關系如圖2所示。

2.1.2驅動脈沖預發生

將sig2經過反相器74HC04得到與其完全同頻反相的信號再經后級死區添加處理即可做為主電路中開關管K1、K4和K2、K3的驅動脈沖QD2、QD1。

2.1.3電源掃頻啟動

電源上電啟動時，需要有驅動信號驅動開關管K1、K4和K2、K3工作，產生電流采樣反饋信號Vi并達到一定幅值后，CD4046開始進行頻率跟蹤，使得驅動信號與主電路電流頻率相同進入準諧振工作狀態，電源才進入穩定工作狀態［5］。設計中如圖3所示，在沒有同步信號sig1輸入時，CD4046輸出sig2頻率受9腳內部壓控振蕩器輸入電壓幅值控制。上電后9腳輸入電壓在C4、R8、D2作用下逐漸下降，頻率由高到低掃頻發生（掃頻范圍與C3、R5、R6有關），經過后級處理后作為驅動脈沖，開關管被動工作，主電路中產生電流。電流采樣反饋信號達到一定幅值后，與Vref作用比較處理后變為sig1同步信號，CD4046進入頻率跟蹤狀態進而穩定開關頻率。進入穩定狀態后，二極管D3的隔離作用下D3陽極低電平不會再影響CD4046的正常頻率跟蹤，實現了開關管它激到自激的切換，完成啟動過程。

2.1.4工作狀態指示

在工程中可以通過觀察CD4046的1腳2腳邏輯變化來監視電路工作狀態［6］。電源啟動時或者負載參數動態變化而進行頻率捕捉尚未完成同步狀態，引腳2為高電平，所連接的指示燈LED1點亮，完成同步后LED1熄滅；若電路出現故障，就始終不能進入同步狀態，則對應指示燈LED1始終點亮。當電路工作在同步鎖相狀態后，引腳l為由低變為高電平，指示燈LED2亮，指示說明電路已進入了穩定的鎖相狀態。

2.2驅動脈沖生成

由于器件的導通和關斷都不是瞬間完成的，為防止逆變器同一橋臂上下兩只IGBT直通損壞，需加入死區時間，工程經驗值設置IGBT死區時間td=2us。對圖3中sig2和進行死區添加處理，產生IGBT的驅動脈沖QD2、QD1，具體電路如圖4所示。

圖4　死區時間生成電路Fig．4　The circuit for generating dead time

CC4098是一種CMOS工藝的雙單穩態集成電路，輸出脈沖寬度由外部阻容器件R1、C1決定，幅值與其供電電壓相同［7］。當5腳TRIG-和3腳RST都為高，TRIG+出現上升沿時，從端就會輸出一個脈寬恒定的負脈沖，此脈沖信號發生與TRIG+的上升沿同步產生，脈沖寬度Tw=0．69R1C1。將sig2連接到時CC4098的TRIG+端，將端輸出的負脈沖，與sig2通過74HC08相與，給sig2添加2us死區得到驅動信號QD2。同樣做相同處理添加2us死區得到驅動信號QD1， QD2、QD1兩路驅動脈沖反相且之間有死區td，此時QD2、 QD1占空比D小于0．5。及及對應td1、td2（CC4098的6端Q輸出，方便觀察）之間波形關系具體如圖2中示。

2.3相位補償

由上文分析串聯諧振感應加熱電源工作于弱感性狀態工作過程知，需要進行相位補償，使電壓超前于電流一個相位Δθ，且滿足T·Δθ/2π≥td（T為諧振周期），但Δθ隨著i減小而增大將降低電源功率因數，因此設置一個較為穩定的Δθ是必要的。

設計相位補償電路如圖5所示。圖中LM319同相輸入端為參考電壓Vref，此Vref并非一個固定參數，反相輸入端為電流采樣反饋信號Vi，兩者比較結果為同步信號sig1。Vi先經二極管D1進行半波整流，然后電容C2濾波得到幅值變化較為平緩的直流電壓，較小的電流采樣反饋信號對Vi應較小的整流電壓，再經過R2、R3進行電平調整，作為相位補償參考電壓Vref，這種正相關于Vi的Vref在較大程度上改善Δθ隨反饋Vi變化的情況，即對不同Vi設置不同的參考電壓Vref以保持Δθ相對恒定。

圖5　相位補償電路Fig．5　The circuit for phase compensation

3　實　驗

實驗主電路如圖1示，設置死區時間td=2us，諧振網絡諧振頻率經觀察約為13．7 kHz。

圖6　驅動脈沖QD2與死區脈沖tdFig．6　The driving pulse QD2 and the dead time pulse td2

td2為圖4中CC4098的6端Q出窄正脈沖，與輸出正好互補，由圖6可觀察到td2下降沿與QD2上升沿對齊；由

3．2分析td2知上升沿與圖2中CD4098輸出sig2上升沿相對應，這樣即知QD2是由sig2前沿截取td寬度波形變換而來。同理，QD1是由前沿截取td寬度波形變換而來。sig2為占空比0．5脈沖，與其反相，即能保證QD2、QD1具有相同占空比，具相互之間有td寬度死區。

圖7　采樣信號與驅動脈沖QD2Fig．7　The sampled signal and the driving pulse QD2

為了能更加清楚看到相位關系，將Vi整流后觀察。圖中Vi能夠正弦變化，可知電路完成頻率跟蹤功能。

驅動脈沖QD2的兩個邊沿均在電流過零換向前，由2中分析工作狀態2、5知，驅動脈沖QD2下降沿是LRC網絡激勵電壓換向處，激勵電壓相位超前于主線電流，即網絡工作于準諧振弱感性狀態。圖中還可觀察到，QD2下降沿距i過零點處相位差Δθ幾乎一樣，并沒有隨著i的幅值減小而明顯增大，故相位補償電路實現了保持Δθ相對恒定的目的，提高電源功率因數。

驅動脈沖QD2上升沿到來時電流尚未換向，如2中工作狀態3、6分析能夠實現零電壓開通（ZVS），能夠有效降低IGBT的開通損耗。

4　結　論

基于CD4046集成鎖相環的串聯諧振感應加熱控制電路，能夠進行無相差頻率跟蹤，諧振網絡工作于準諧振弱感性狀態，實現了零電壓開通，降低了IGBT的開通損耗。另外，在保證弱感性工作狀態同時，根據主線電流幅值確定相位補償參考電壓值，得到相對恒定相位差，可有利于提高電源功率因數。

［1］徐應年．感應加熱電源負載感應器模型與恒頻調功研究［D］．武漢：華中科技大學，2009:10-15．

［2］韓廣朋，張奕黃，劉彥忠，等．感應加熱電源頻率跟蹤技術研究［J］．電源技術，2014，38（1）:111-112．

［3］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，2000，30（6）:14-16．

［4］陳鑫．Matlab環境下的全數字鎖相環仿真模型［J］．微電子學，2007，37（4）:489-493．

［5］王增福，李昶，魏永明，等．電力電子軟幵關技術及實用電路［M］．北京:電子工業出版社，2009．

［6］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．

［7］劉暢，黃正興，陳毅．雙閉環控制感應加熱電源設計與仿真分析［J］．電了器件，2012，35（6）:736-740．

The research on induction heating power supply based on CD4046

YUAN Qian，LIU Ping，CHEN Rui-ke
（Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

In view of the disadvantages that there are higher switching loss and lower power factor in the traditional induction heating power supply，this paper proposes a kind of control circuit taking high-speed integrated phase-locked loop CD4046 as the core．The control circuit can carry out real-time frequency tracking to the inverter．In order to to ensure that the inverter works in the weak inductance state，it makes reasonable phase compensation according to the feedback signal．With gaining higher input power factor，it realizes the function of ZVS．The experimental results show that the control circuit has simple structure，stable working performance and higher industrial application value．

CD4046；frequency tracking；phase compensation；Drive signal；current

TN202

A

1674－6236（2016）02-0101-04

2015-03-19稿件編號：201503259

河南省重點科技攻關計劃項目（112102310073）

袁 倩（1989—），女，湖北武漢人，碩士。研究方向：電路設計。