高速锁相环在高频感应加热电源中的应用简析-电源网

在最近几年中，高频感应加热电源的研发开始逐渐呈现出高效、低功耗等特点，高速锁相环在这种感应加热电源新产品的应用也逐渐频繁。在今天的文章中，我们将会为大家分享一种应用了MM74HC4046锁相环的高频感应加热电源设计方案，希望能够通过本文的分析，对各位工程师的研发工作有所帮助。

首先来看一下这种应用了MM74HC4046高速锁相环的高频感应加热电源，是如何进行其主电路设计的。相信很多工程师都非常清楚，对于功率不太大的感应加热电源来说，采用串联谐振有其独到的优势。下图中，图1展示的是本次所设计的高频感应加热电源主电路。220V市电经不控整流、电容滤波得到直流电压。为了适应高频率的要求，特别采用高速场效应管。由于单管电流有限，为了提高电源的输出功率，用6只高速场效应管并联作为一个单元，组成H桥电路。为使系统简化，这里采用调节功率因数的方法调节功率。虽然效率不是很高，但对于小功率电源来说，能够明显简化系统的复杂程度，降低成本，提高系统的可靠性。

图1 高频感应加热电源主电路

从图1中我们可以看到，在这种高频的感应加热电源主电路中，其系统的逆变桥由4组高速场效应管VT1～VT4及与其反并联的快速二极管组成。下图图2所展示的是该电路系统德尔电流、电压的主要波形。从图2可以看到，在t=t0时，场效应管VT1、VT4开通，负载网络上加正向电压。此时，电流仍为反向，靠续流二极管VD1、VD4续流，由于负载为谐振网络，且Q大于等于1，因而i0按正弦规律变化，到t1时刻，电流下降到零，场效应管VT1、VT4开始流过正向电流，电流从零按正弦规律变化。在t2时刻，VT1、VT4被关断，由于电流的连续性，谐振回路产生反电动势，保持电流继续流通。此时，续流二极管VD2，VD3开通，与电源构成回路，负载向电源反馈能量。在VD2、VD3续流阶段，经过一个死区时间，VT2、VT3被打开，但VT2、VT3并无电流流过，直到t=t3时刻，电流从VD2、VD3转移到VT2、VT3，实现了零电流开通。到t4时刻，VT2、VT3关断，电流由VD1、VD4续流，经过死区时间，VT1、VT4开通。到t5时刻，VT1、VT4开始流过电流。此时，完成一个周期。系统的谐振频率f由负载网络的参数决定，该公式可计算为：

在该公式中，参数Cs为负载网络谐振电容容量，参数Ls代表的是包括负载反射电感在内的负载网络总电感系统的工作频率，fs略高于f。

图2 串联谐振支路的电压电流波形

控制电路的设计

这种使用了高速锁相环的高频感应加热电源，其本身的谐振频率受负载的影响很大，因此，要得到最佳的加热效果，频率必须自动跟踪。在本方案中，我们特别设计了采用高速锁相环MM74HC4046的控制电路，其最高频率可达到10MHz以上，扫频范围宽，并能实现频率自动跟踪和相位调节。下图中，图3给出的即为本方案控制电路的原理方框图。由主电路工作原理和图2波形可知，负载电压超前于负载电流，超前的角度为φ。显然，φ角越大，输出的有功功率越小，因而可通过改变φ角来控制输出功率。

图3 控制电路原理方框图

在目前高频感应加热电源的新产品设计过程中，高速锁相环MM74HC4046的使用频率还是非常高的，这种高速锁相环的电源电压使用+5V。下图中，图4a展示的就是由MM74HC4046告诉锁相环组成的频率控制、相位调节电路。从图4（a）中可以看到，首先，根据高频感应加热电源可能的负载，确定频率覆盖范围，找出中心频率和扫频范围，C1和R1的参数决定了扫频范围，R2决定了扫频的中心频率。从串联谐振支路通过电流互感器检测出负载正弦电流，经整形电路整形，得到与正弦电流同相位的方波加在锁相环的同步端，锁相环的输出信号经分频器分频后加于相位比较端。两信号在锁相环内部鉴频器的输入端进行相位比较，当相位差为零时，鉴相器输出的平均电压为零。而当相位差为180°时，其输出电压为5V。

下图中，图4（b）所显示的，是这种应用量高速锁相环的调节电路中，输出电压uo与相位差呈线性变化的关系。从图中可以看到，当锁相环的输出方波与谐振电流不同相时，鉴相器的输出存在一定占空比的脉冲，该脉冲由环路低频滤波器R3和C2滤波，得到直流电压调制VCO的输出频率。如果没有其它控制信号，VCO的输出信号将与谐振电流保持同步，即φ=0。

（a）

（b）
图4 频率控制和相位调节电路以及响应特性

在本方案中，我们所设计的高频感应加热电源，主要使用调节器的输出电压信号uo控制V_CO，以此来达到控制功率的目的，而本方案中，加热设备本身的功率控制采用调节电流的方式来实现。下图中，图5所显示的是这种高频感应加热设备的控制电路。从图5中可以看到，该系统中功率设定是通过电位器给运放同相输入端提供一给定电压ui，为保证电源能可靠启动，ui有一个最小限制，该限制由VD1、VD2的正向压降决定。反馈电压信号uf是通过电流互感器取自负载电流，经整流、滤波获得。ui加于调节器的同相端，uf加于反相端，无论是给定发生变化，还是负载发生变化，调节器都能自动改变uo，最终达到uf=ui。该设计将锁相环的工作方式进行了改进，用调节器的uo作为高速锁相环内部V_CO的控制信号，使系统的工作频率fs不同程度地偏离谐振频率f0，使uo与负载电流io保持一定的相位差φ，调节ui，就可以调节φ角的大小，实现功率调节。

图5 功率调节电路

驱动电路设计

在本方案中，我们采用传输速度最快的脉冲变压器驱动电路，来作为这种高频感应加热电源的驱动系统。下图中，图6所显示的是本方案中的出脉冲变压器驱动电路。从图6中我们可以看到，在这种驱动电路系统中，分相电路输出两路带死区的反相信号分别加在两只场效应管的栅极，使这两只场效应管轮流导通，变压器初级产生正负极性脉冲电压，通过脉冲变压器耦合，L3、L4感应出与初级电压相似的驱动电压，驱动逆变桥一个桥臂的两只功率元件，另一桥臂采用相同的驱动方式，在保证相位正确的条件下，逆变桥可安全地工作。