基于74HC4046AD的感应加热电源设计

姜翔文，马俊清，徐秀平

（1.五邑大学 信息工程学院，广东 江门529000；2.华南理工大学 电信学院，广东 广州510640）

0 引 言

感应加热是相对于传统电阻的电流热效应加热及火焰加热的一种新型加热方式，具有高效节能的特点［1］。感应加热电源属于非接触式加热，和电阻加热相比减少了由于热量的传导而损失的能量，热效率高。它是利用交变电磁场在铁质材料中产生的涡流进行加热的，对温度可以进行分段和局部控制。

1 半桥主电路拓扑及工作状态

1.1 半桥串联感应加热拓扑

感应加热电源采用市电220 V交流输入，半桥串联谐振。电路拓扑如图1所示，采用了交－直－交变频工作原理。市电输入后经过整流滤波变为300 V左右的直流电，经过逆变电路，输出高频交流电，整流部分采用不可控整流。工作过程如下：当S1导通时，直流母线电流流经S1、电感L和C2。当S2导通时，直流母线电流流经C1、电感L和S2。通过LC串联谐振，产生高频正弦交流电，交变的电流产生交变的磁场，在负载中产生交变电流，产生热量。

图1 半桥串联感应加热电源拓扑

1.2 半桥感应加热的三种工作状态

半桥感应加热有三种工作状态，即阻性状态、感性状态和容性状态。

（1）阻性状态。逆变器的工作频率等于谐振回路的谐振频率，IGBT可以实现零电流开通和关断。此时电路等效电阻最小。但是电路容易滑向容性工作状态，其工作波形如图2（a）所示。

（2）感性状态。其工作波形如图2（b）所示，电压超前电流一个角度。首先D1续流，电流过零时，给S1导通信号使S1零电流开通，S1导通一段时间后，给S2驱动信号，但是电感电流不能突变，D2经行续流，当电感电流降到0时，S2才有电流流过。可见负载电流由续流二极管向功率管换流发生在同一桥臂上，不存在续流管反向截止问题引起的上下桥臂直通问题。

（3）容性状态。其工作波形如图2（c）所示，电流超前电压一个角度。首先D2续流，给S1开通信号，使S1导通，D2反向截止。如果D2反向恢复时间慢，容易引起上下桥臂直通。所以应该避免工作在容性状态。

图2 半桥感应加热的三种工作状态

2 总体设计方案

总体电路如图3所示，它是由软启动电路、74HC4046AD锁相电路、电流整形电路、相位补偿电路、同步脉冲提取电路和SG3525驱动电路组成。其中软启动电路是由C3、R5和D1组成。工作过程如下：霍尔采样负载电流，经过波形变换后得到方波信号送入74HC4046AD的14脚，4脚输出信号经过相位补偿电路送入3脚。在74HC4046AD内部，经过相位比较器产生相位差信号。根据相位差信号控制4脚方波的输出频率，4脚信号经过同步提取电路产生同步脉冲，控制SG3525的PWM波的输出频率。

图3 总体设计图

3 锁相环电路的设计

3.1 74HC4046AD电路设计

74HC4046AD锁相器由3部分组成，即鉴相器、低通滤波器和压控振荡器（VCO）。鉴相器用于将信号相位差转化为相位差电平，该电平经过低通滤波器后，输入到压控振荡器输入端来控制输出频率。74HC4046AD有三个鉴相器，鉴相器I、鉴相器II和鉴相器Ⅲ。14脚和3脚的输入信号送入鉴相器中，如果14脚信号超前3脚信号，13脚输出高电平。如果14脚信号滞后3脚信号，13脚输出低电平。如果两脚信号相位差为0，13脚输出高阻态。不论14脚和3脚间相位是超前还是滞后，只要有相位差，1脚就输出低电平。鉴相器I对输入信号占空比有要求，均为50%，所以选择对占空比没有要求的鉴相器II。

它激过程如下：上电后电容C3电压不能突变，电容两端电压为0［2］。9脚输入电压为5 V，这时压控振荡器输出最高频率。5 V电源通过RC回路对电容C3充电，9脚电压慢慢下降，压控振荡器输出频率降低，直到压控振荡器输出方波频率是谐振频率后，二极管D1反向截止。锁相电路进入自激状态，9脚电压会跟踪负载变化，使输出频率跟随负载频率变化。C1、R1、R2用来设置压控振荡器的锁相频率范围。调整C1、R2的大小确定锁相环输出的最低频率，再确定R1的大小，使锁相环输出的中心频率和最高频率达到要求［3］。这里取C1＝33 pF，R1＝7.5 kΩ，R2＝100 kΩ。

3.2 低通滤波器

式中，Kd表示鉴相器增益 Kd＝Ucc/（4π）（V/r），Ucc表示74HC4046AD的供电电压；F（s）表示无源比例积分滤波器传递函数，在图3中，它是由R3、R4、C2组成的，其传递函数为

式中，τ1＝R3C2，τ2＝R4C2表示压控振荡器增益；Kv＝2π×2fL/UVCOrange（r/s/V）。UVCOrange＝ （4.1－0.9）V，2fL＝Umax－Umin，Umax表示压控振荡器最大输出频率时压控振荡器的输入电压。Umin表示压控振荡器输出最低频率时压控振荡器的输入电压。图4中系统的传递函数为［4］

这是一个二阶系统，系统特征方程是

图4 锁相环系统框图

4 同步信号提取电路和驱动电路

图5为同步信号提取电路。如果SG3525的PWM频率是f，那么同步端频率必须是2f，可以提取同步方波的上升沿和下降沿来实现。74HC4046AD的4脚输出信号经过图7所示电路后产生窄脉冲同步信号，其中可以通过RC延时电路来设置同步信号的脉宽。

图5 同步信号提取电路

SG3525内部结构图如图6所示。它是由振荡器、PWM比较器、误差放大器、欠压锁定电路、基准电压源和输出驱动等组成。其突出特点：

图6 SG3525内部结构

（1）SG3525的振荡频率为fosc＝1/CT（0.7RT＋3RD）其中CT是5脚外接振荡电容，RT是6脚外接振荡电阻，RD跨接5脚和7脚间，用来控制驱动的死区时间［5］。

（2）SG3525具有软启动、外部同步和外部关断功能。SG3525产生IGBT的驱动脉冲，PWM发生电路如图7所示。少

图7 PWM发生电路

在没有外部同步信号输入时，SG3525按照数据手册中CT和RT设定的值，输出对应频率的驱动方波。当有外部同步信号，并且同步信号的频率高于CT和RT的设定频率时，同步信号有效。此外要求同步脉冲宽度小于200 ns［6］。所以在没有同步信号输入时，可以把频率设定的低一些，这样可以在较大范围内跟踪同步信号。

5 实验结果

本文用上述方案设计了一台2.5 kW/20 kHz感应加热电源，对注塑机料筒经行加热试验。从图8中可以看到同步信号提取电路可以完全提取74HC4046AD的4脚方波的上升沿和下降沿，同步脉冲频率是2倍方波信号。图9是由SG3525根据同步信号产生的PWM驱动信号，其频率是同步信号的一半。根据图10可以看出，IGBT是工作在零电流开关状态。试验结果符合设计要求。

图8 74HC4046的4脚波形和SG3525的3脚波形

图9 SG3525的3脚波形和SG3525的PWM输出

图10 S1和S2的驱动、S2漏源极电压和负载电流波形

6 结束语

通过2.5 kW/20 kHz感应加热样机实验结果可以看出，负载电流是正弦波，IGBT满足零电流开关，减少了IGBT开关损耗。该方案解决了负载变化引起的锁相频率变化问题，对全桥感应加热电源的设计有一定的指导意义。

［1］ 李定宣，丁增敏.现代高频感应加热电源工程设计与应用［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］ 熊腊森，全亚杰.CD4046锁相环在感应加热电源中的应用［J］.电焊机，2000，06：14－19.

［3］ 易立琼.MM74HC4046在感应加热电源中用法的改进［J］.通信电源技术，2010，27（7）：41－43.

［4］ 易立琼.注塑机感应加热系统的研究与实现［D］.广州：华南理工大学，2010，6（7）：1－76.

［5］ 乔攀科，毕淑娥.基于SG3525调频控制的半桥串联感应加热电源［J］.电测与仪表，2010，（9）：58－61.

［6］ 马洪涛，沙占友，周芬萍.开关电源制作与调试［M］.北京：中国电力出版社，2010.