MM74HC4046在感应加热电源中用法的改进

结合国家节能减排政策，感应加热方式具有节能，热污染小，加热速度快等优点，已经逐渐代替传统电阻丝加热方式应用于各种工业透热场合，特别是在注塑机、造粒机、拉丝机等设备上的应用尤为广泛。目前大多数应用于上述设备的感应加热电源普遍存在现场改造麻烦，且经过长时间工作后，因电感量变化大，而引起的加热效率降低，故障率高等问题。为解决上述问题，并满足上述设备的现场改造和工艺要求，对感应加热逆变电源的功率和频率提出了一定的要求。对于上述设备，对电流的透入深度有一定的要求。根据电磁感应定律和趋附效应，感应加热的频率越低，透入深度越深，感应电流越小。综合上述因素，通过理论计算要求感应加热频率为20 kHz 左右。为此，本文介绍了采用IGBT 组成的5 kHz ～28 kHz ，额定电流20 A，额定功率为4 .4 kW 的感应加热逆变电源。此电源对MM74HC4046 集成锁相环的用法进行了改进，实现了数字化控制的它激到自激的转换，使得电源在运行过程中能进行失锁控制，最终保证负载电压与负载电流稳定可靠的无相差频率跟踪，也保证了工件在加热过程中，电源始终处于准谐振状态，使感应加热电源在实际运用中的可靠性与稳定性大大提高。

1 感应加热电源逆变侧主回路

从IGBT 超音频逆变器实现的角度出发，结合并联谐振与串联谐振的优缺点与现场的实际要求，感应加热电源的逆变侧选择串联谐振方案，采用四只40A、600 V 的IGBT 单管VT1 ～VT4组成全桥逆变电路，其电路框图如图1 所示。

图1 感应加热电源逆变侧电路框图

图1 中的C 选择为高频无感电容，其耐流必须超过电源的最大电流，耐压必须超过AB 两端最大电压与二阶谐振电路的品质因数Q 的乘积;L 选择采用铁氟龙高温绝缘线绕制;R 为逆变侧回路的内阻。为提高逆变器的功率因数，并减轻逆变器件的电磁应力和开关损耗，RLC 电路必须处在串联谐振状态。在同样直流电压输入的情况下，当RLC 电路发生串联谐振时，电流IAB最大，UAB的电压波形为矩形波，IAB的电流波形为正弦波，UAB与IAB为同频同相，若感应加热电源的逆变器频率偏离负载固有谐振频率时，IAB的波形则为畸变的正弦波，偏离的越远畸变得越厉害，且UAB与IAB的相位差越大。

2 锁相环控制电路的改进

2 .1 锁相环控制电路的设计

由于感应加热电源的负载受到实际运用环境、以及被加热工件的形状和温度特性等影响，负载的电感量L、等效内阻R 等参数在电源运行过程中是变化的，所以只有对负载的固有频率进行稳定可靠的跟踪才能保证感应加热电源的效率。为此，在感应加热电源中加入锁相环控制部分。锁相环包含三个必不可少的单元电路，即鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。锁相环MM74HC4046 拥有三个鉴相器。鉴相器根据实际电路设计需求，选择鉴相器2 。鉴相器2 是上升沿触发比较，对比较信号的占空比无要求，且鉴相器2 拥有一个三态输出13 脚和相位差输出1 脚。当三态输出口13 脚输出高阻态时，表示锁相环处于稳定的工作状态，3 脚和14 脚的输入无频率与相位差，同时相位差输出1 脚为高电平。

MM74HC4046 锁相环传统的控制方法[4]并没有充分利用上述特点，锁相环的它激起振和它激到自激的转换只能在电路上电的时刻简单地通过电容的充放电实现，且无法对锁相环工作状态进行有效的判断，所以当电源在运行过程中，锁相环如果失锁，电源则无法在运行状态下重新使锁相环进入正常频率跟踪状态。为解决上述问题，本文对传统MM74HC4046 在感应加热中的用法进行了改进，锁相环控制电路原理框图如图2 所示，虚框部分为相对传统控制原理的改进部分。

图2 锁相环控制电路原理框图

结合改进的控制原理框图，将传统的它激起振和它激到自激转换方法由纯模拟控制改为数字化控制方法，设计出了图3 所示的MM74HC4046 锁相环的主要外围控制电路，使得可以通过微处理器实时检测和调整锁相环工作状态，提高了电源启动的可靠性与稳定性。

图3 MM74HC4046 主要外围控制电路

首先，根据IGBT 在额定电流所能承受的最高频率，加热工件的频率等实际要求，调整R2和C1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。其次，根据实验所测，图4 所示的9 脚电压与压控振荡器输出频率的关系，确定9 脚最佳起振电压，使得9 脚电压为起振电压时，压控振荡器输出频率在其中心频率附近，且反馈的霍尔电流信号能够大于一定的电压值，使得电源启动更加容易，因此设计出图3 中虚框内的电路。最后，确定鉴相增益、压控增益和锁定时间，计算出二阶PLL 中环路滤波器的参数