基于CD4046锁相环200KHZ的高频感应加热电源频率跟踪的研究

无锡机电高等职业技术学校 徐良芝

感应加热的过程中，工作温度不断变化，负载线圈的电参数将随时间而变化，这将使逆变器偏离最佳工作点，因而不仅使逆变桥开关管MOSFET的关断电流增大，进而引起关断损耗增大，而且当逆变器工作点高于负载谐振点较远时，在一定Q值下，还会使负载阻抗增大，逆变器的功率容量不能充分利用。为了实现逆变器开关器件的零电流或零电压开关，需要逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，这就需要频率跟踪电路来实现。感应加热电源的频率跟踪主要通过锁相环电路来实现，本文分析设计利用锁相环专用芯片CD4046实现频率跟踪。

一、锁相环的基本原理和CD4046结构

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环（Phase Locked Loop-PLL）。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。高频感应加热电源为了能够实现逆变电流与电压的同步，提高工作效率和可靠谐振，同时实现开关器件的软开关，必须要能够很好地实现频率跟踪。

锁相环主要由鉴相器（PD）、压控振荡器（VCO），低通滤波器（LDF）三部分组成，如图1所示。

图1 锁相环的结构框图

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100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。

二、CD4046锁相环控制的实现

图2（a）是串联谐振式感应加热电源逆变器的基本原理图。它包括直流电压源，开关T1～T4和RLC串联谐振负载。图4-8（b）是串联谐振负载，由电感L、电容C和负载等效电阻R组成。

在逆变器的控制中，使逆变器的开关频率始终跟踪串联负载谐振频率，就可以实现零电流开关要求，因此，我们选用双极性控制方式，即开关管T1和T4、T2和T3同时开通和关断，其开通时间不超过半个开关周期，即它们的开通角小于180°。

逆变系统控制电路原理框图如图3所示。从图中可以看出，逆变电路可以工作在他激和自激两种状态。当逆变电路工作在他激状态时，控制信号从他激信号发生器发出，电路工作频率固定，由他激信号发生器控制。当逆变电路工作在自激状态时，电路的输出电流信号经过电流互感器采样，通过波形变换把正弦波变成方波，然后方波信号经单稳态电路防止干扰，接着送到频率跟踪电路，使得开关管的工作频率能够跟踪电流反馈信号。工作在自激状态时，逆变电路的工作频率由负载本身的固有频率决定。

图2 串联谐振逆变器原理图及负载电路

图3 逆变控制电路原理框图

图4 限幅和单稳态电路

图5 频率跟踪电路

图6 自激状态下锁相环控制图

图7 信号的延时补偿

图8 控制信号的补偿电路与各点波形

1.限幅、整形和单稳态电路

如图4所示，从电流互感器CT取出的反馈信号，通过电阻R1引入控制电路。引入控制电路的信号跟负载电流的大小，电流互感器的变比以及取样电阻R1的大小有关。在实际应用中，这个引入控制电路的信号可能会超过CMOS器件的最大工作电压而导致器件的损坏，因而有必要在这个信号后面加一个限幅电路。二极管D1及D2就起到这个作用。电流反馈信号近似正弦波，经过D1及D2和比较器以后，生成占空比为50%的方波信号。

电路在工作过程中不可避免地受到各种各样的外部干扰，加上其本身元器件的分布参数，使得电流反馈信号并不是理想的波形。由于CD4046锁相环用的是边沿触发，如果前面的方波信号不好，会导致后级频率跟踪电路跟踪失败，从而导致了电路无法正常工作。所以，在电路中必须加入一个具有特定功能的电路，将有干扰的波形重新整形，然后输入后一级电路。单稳态触发器4098就实现这种功能，它在外部脉冲的作用下，输出具有特定宽度和幅值的矩形脉冲，经过一定时间，又自动回复到初始状态。

2.频率跟踪电路

由电路的负载特性分析可知，电路的负载不是固定的负载。当电压升高，功率增大以后，负载固有的自然谐振频率会发生改变。这个时候如果逆变电路工作在开环状态下，由于电路的工作频率偏离了负载的自然谐振点，这就使得电路的输出功率不能随着直流母线电压的升高而同步升高，输出功率达不到要求。因此，必须使得逆变电路工作在闭环状态，实现频率的自动跟踪。

频率跟踪电路如图5所示。电路启动的时候，先断开控制电路，此时电流反馈信号没有建立，逆变电路不能工作在自激状态。开机后，电流反馈信号为0，比较器U1B输出为高电平，电子开关4066导通，Vcc通过R4与RP1分压以后供给4046的压控振荡器输入端，这个电压用来控制压控振荡器的频率，调节RP1，就可以得到他激电路所需要的频率。一般都把他激信号发生器的输出频率调得跟负载的自然谐振频率相差不大，这样有利于电流反馈快速建立，让逆变电路尽快进入自激工作状态。

在主电路开机时，可控整流电路输出电压调得比较低，这时候电流反馈信号比较小，随着直流母线电压慢慢升高，电流反馈信号逐步增大。在这个信号经过半波整流后得到的直流电平（C3上的电压）没有超过R2两端电压以前，电路还是工作在他激状态。当电流反馈信号达到一定值使得C2上的电压超过了R2两端电压后，比较器U1B输出为低电平，把4066关断，RP1分压为0，没有办法通过二极管影响压控振荡器，这样压控振荡器的电压就由低通滤波器提供，逆变器工作在自激状态。由于电容C2的存在，使得电路在他激转自激的过程中，能够平稳地过渡，不至于出现压控振荡器输入为0的情况。

当逆变器工作在自激状态，其工作频率随着负载自然谐振频率的变化而变化。此时从前面的单稳态电路引入电流反馈信号，让锁相环输出的方波频率跟踪输出电流的频率。在这种状态下，锁相环的控制框图如图6所示。相位比较器PD2输出为两个信号的相位差，经过低通滤波器（LPF）以后，得到了反映两个输入信号上升时间差的直流电压，然后送入压控振荡器（VCO），将VCO的输出信号延迟△t时刻送到PD2中，与电流反馈信号进行相位比较。PD2进入锁相工作以后，电流反馈信号和延迟电压驱动信号的上升沿就被锁相至同步。

在自激信号发生器的设计过程中，没有考虑电路信号传输中的延时。实际上控制电路、驱动电路以及芯片都有延时，因此，电路的延时不能忽略。延时导致负载的输出电压滞后于输出电流δ角度，负载工作于容性状态，如图7所示。由于存在延时，工作在容性状态时的开关管软开关条件就被破坏了，导致开通损耗大大增加。图8是由反相器和RCD充放电电路组成的信号补偿电路及其波形。

当输入到R、L、C上的电压与电阻R上的电流波形有相位差时，通过调节电位器Rp使负载电流与输入电压同步。

3.锁相环参数选择

图9 补偿电路输入输出波形

图10 逆变器两端电压与输出电流波形

本文中感应加热电源频率为300KHz，故锁相范围定为200KHz～400KHz，即由公式4.1和4.2得到：

选定实验参数后，测得补偿电路和逆变器输出波形分别如图9和10所示，逆变器工作在近似感性状态，有利于开关器件的软关断。

基于CD4046的频率跟踪控制电路简单、实现方便，只要设定好上限频率和下限频率即可。但由于采用的是模拟电路的形式，系统电路一旦固定下来就很难再改变，即难以进行宽范围频率变化系统的跟踪系统设计。

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