高頻感應加熱電源模數結合連續可調移相電路研究

摘要：為減小開(kāi)關(guān)損耗和防止開(kāi)關(guān)管損壞，通常要求高頻感應加熱設備工作在弱感性狀態(tài)，為此必須在反饋回路進(jìn)行相位的超前、滯后調節。傳統的高頻模擬移相電路存在移相角隨輸入信號頻率變化時(shí)刻發(fā)生變化的缺點(diǎn)，而高頻數字移相電路在移相精度要求較高時(shí)倍頻難以實(shí)現。為此，文中提出了兩種實(shí)用的高頻模數結合移相電路實(shí)現移相角在任意需要角度范圍內連續可調移相。經(jīng)實(shí)驗，在光伏電池片組件1 MHz高頻感應焊接時(shí)滿(mǎn)足移相要求，移相效果好。
關(guān)鍵詞：高頻；感應加熱；模數結合；連續可調移相

高頻感應加熱設備，因容性工作狀態(tài)時(shí)存在開(kāi)關(guān)管硬開(kāi)通、開(kāi)關(guān)損耗大以及反并聯(lián)的二極管有反向恢復等問(wèn)題，嚴重時(shí)會(huì )損壞開(kāi)關(guān)管，故逆變主電路通常工作在弱感性狀態(tài)，即使輸出電壓的相位略超前于輸出電流的相位。而且，反饋回路的各個(gè)芯片，在脈沖到來(lái)時(shí)都有一定的響應時(shí)間，使驅動(dòng)芯片輸出信號的相位必定滯后于采樣信號的相位，因此必須在反饋回路中進(jìn)行相位的超前、滯后調節，實(shí)現移相功能。
傳統的移相方法是采用如RC或LC的模擬電路進(jìn)行相位調節。這種移相電路是利用電阻兩端的電壓與輸入電壓同相位，而電容兩端電壓滯后于輸入電壓90°相位，電感兩端電壓超前輸入電壓90°相位的特性，通過(guò)選擇不同的RC或LC值實(shí)現所需角度的相位超前、滯后調節。但電路中由于存在L、C等元件，其等效阻抗與輸入信號的頻率有關(guān)，移相角會(huì )隨輸入信號頻率的變化而變化，故其僅適用于輸入信號頻率不變或頻率變化時(shí)移相精度要求不高的場(chǎng)合。而純數字電路若要使1 MHz頻率產(chǎn)生如1°左右相移時(shí)，必須先把輸入信號頻率通過(guò)鎖相倍頻電路把頻率放大360倍，這就要求鎖相環(huán)必須既可輸入1 MHz左右的信號也能輸出360 MHz以上的信號，能滿(mǎn)足這種要求的鎖相環(huán)芯片即使存在也會(huì )由于價(jià)格太高不是很實(shí)用。
為此，有必要設計一種低成本的實(shí)時(shí)實(shí)用移相電路，使其移相角在頻率變化時(shí)基本不變。文中就是基于這種需求，提出了兩種移相精度較高的模數結合移相電路，經(jīng)實(shí)驗在1 MHz高頻感應加熱場(chǎng)合完全適用。

1 模數結合移相電路(一)原理
圖1是一種由高速比較器、鎖相倍頻電路和J-K觸發(fā)器構成的90°～180°連續可調模數結合移相電路。B處的信號是從串聯(lián)逆變主電路電流采樣放大后獲得的，若與過(guò)零比較器比較，則輸出占空比為0．5的方波信號。通過(guò)調節A處電平與B處0電平以上的正弦波上升沿脈沖比較，使C處輸出方波上升沿滯后一個(gè)相角度，構成一個(gè)0°～90°連續可調的移相電路。若所需移相角小于90°，則無(wú)需后級的鎖相倍頻和J-K觸發(fā)器構成的90°移相電路。74HC4046是由壓控振蕩器(VCO)，相位比較器(PC1、PC2、PC3)的和外圍的環(huán)路濾波器(LF)組成的鎖相環(huán)，3腳和4腳輸出信號占空比始終為0．5，與輸入信號的占空比無(wú)關(guān)。圖中R1、C1決定VCO的頻率范圍，電阻R2決定VCO的中心頻率，如果R1、R2、C1選擇合理，將簡(jiǎn)化外圍LF的設計。為了減輕LF的負擔，10腳解調器輸出接高阻至地。LM319輸出的占空比不超過(guò)0．5的數字信號經(jīng)鎖相環(huán)內部的自偏放大器，上升沿觸發(fā)的頻率和相位觀(guān)測器PC2，R3、R4、C2構成的低通濾波器以及內部的VCO實(shí)現鎖相，輸出送給下降沿觸發(fā)的可做分頻器的74HC4040進(jìn)行2分頻，使74HC4040的9腳輸出信號頻率是10腳(也即鎖相環(huán)4腳)輸入信號頻率的一半。由于鎖相環(huán)3腳的信號來(lái)自74HC4040的9腳輸出，分頻器10腳的信號來(lái)自鎖相環(huán)的4腳輸出，因此，鎖相環(huán)4腳輸出頻率是其14腳輸入信號頻率的2倍，實(shí)現鎖相倍頻功能。當鎖相環(huán)3腳信號與14腳輸入信號的頻率和上升沿相位不一致時(shí)，內部電路會(huì )進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)補償調節，實(shí)現兩者頻率和相位的完全一致。然后，將鎖相環(huán)4腳輸出信號送入上升沿觸發(fā)的J-K觸發(fā)器74HC109，在時(shí)，時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí)狀態(tài)翻轉，下降沿到來(lái)時(shí)狀態(tài)不變，而鎖相倍頻后D處信號的上升沿較鎖相環(huán)14腳輸入信號的上升和下降沿均滯后90°，實(shí)現90°移相的目的。上述分析的原理圖中各點(diǎn)的理想工作波形如圖2所示。

若要實(shí)現180°～360°的移相，只需在整個(gè)移相電路后接一個(gè)反相器。若要實(shí)現90°～135°連續可調移相，只需將圖1中74HC4040接9腳的2分頻改成接7腳的4分頻，在輸出端F的后面再接一級上升沿觸發(fā)的2分頻電路。若要實(shí)現90°～90°以上更小范圍內的移相，只需將圖1中74HC4046換成NE564或其他更高頻率的鎖相芯片，74HC4040的9腳改接成相應的分頻引腳，并在上述電路的輸出端F的后再接級上升沿觸發(fā)的分頻電路即可，這里不再一一贅述。

2 模數結合移相電路(二)原理
圖3所示電路是一種輸入信號占空比為0．5的移相效果較好的移相角在0°～180°范圍內連續可調的模數結合移相電路。前級的74HC14作反相器用，起緩沖保護并起到使移相電路輸入、輸出同相的目的，由于高速反相器74HC14電平轉換有一定的響應時(shí)間，故其B處電平轉換時(shí)刻略滯后于A(yíng)處的電平轉換時(shí)刻。中間的RC環(huán)節是將B處的數字信號轉化成模擬信號。當B處的數字信號高電平到來(lái)時(shí)，B處的信號通過(guò)電阻R1對電容C1充電，直到B處高電平的末端；當B處的數字信號低電平到來(lái)時(shí)，電容C1通過(guò)電阻R1放電，直到B處低電平的末端。由于74HC14在5 V供電時(shí)閥值電壓VT+=3．2 V、VT-=1．8 V，故后級74HC14做施密特觸發(fā)器時(shí)，C處信號上升沿電平大于3．2 V時(shí)D處輸出低電平，C處信號下降沿電平小于1．8 V時(shí)D處輸出高電平，即在C處信號電平到達74HC14閥值電壓時(shí)D處信號電平發(fā)生改變。改變電阻R1的值時(shí)電容C1充放電速度發(fā)生變化，其波形與反相器U1B閾值電壓的交點(diǎn)也發(fā)生變化，整個(gè)移相電路的移相角(A處方波上升沿與D處方波上升沿的相位差)隨之發(fā)生變化。實(shí)際中，由于高速反相器74HC14脈沖到來(lái)時(shí)有微小的響應時(shí)間，故移相角不可能為0°。若要實(shí)現180°～360°范圍內的移相，由于高頻感應加熱電源一般都有頻率跟蹤環(huán)節，故只需在頻率跟蹤電路的輸出端后面加一級反相器即可。若要實(shí)現移相角在0°～180°內任意更小角度如0°～120°、0°～60°等的連續調節，可通過(guò)使輸入信號的占空比與上述移相角對應來(lái)實(shí)現。圖3中各點(diǎn)的理想工作波形如圖4所示。

3 實(shí)驗結果
模數結合移相電路(一)實(shí)驗波形如圖5所示，圖中占空比較小的為鎖相環(huán)14腳輸入波形，占空比較大的為其移相后的波形，由圖可知，此移相電路有較好的移相效果。實(shí)際中，由于鎖相環(huán)、74HC4040以及74HC109在脈沖到來(lái)時(shí)狀態(tài)改變需有一定的響應時(shí)間，故鎖相環(huán)3腳信號相位肯定了略滯后于14腳的相位，有一個(gè)微小的相移，此移相角在1MHz左右高頻時(shí)引起的相移遠小于電路使工作在感性狀態(tài)所需的相移，故在1 MHz及以下高頻場(chǎng)合可完全忽略。

模數結合移相電路(二)C、D點(diǎn)實(shí)驗波形和A、D點(diǎn)實(shí)驗波形分別如圖6、圖7所示，與理論分析一致。實(shí)驗還發(fā)現，當A處數字輸入信號的頻率變化時(shí)，移相電路本身引起的延遲誤差恒為50 ns，不隨輸入信號頻率的變化；而且輸出是與輸入信號占空比一致的信號，移相角的最大值是與輸入信號占空比一一對應的，不隨C值確定后R參數的變化而變化。

4 結論
從實(shí)驗效果看，上述提出的兩種模數結合移相電路，在1 MHz光伏電池片組件高頻感應加熱場(chǎng)合可根據需要連續可調移相角，移相效果好。模數移相電路(一)移相角幾乎不隨輸入信號頻率的變化而變化，只與鎖相倍頻電路的倍頻次數有關(guān)，而且輸出信號的占空比恒為0．5，與輸入信號無(wú)關(guān)。模數移相電路(二)在要求移相角大于50 ns對應相角度的高頻感應加熱控制電路中有很好的移相效果。上述電路稍作修改，即可在頻率小于1 MHz的高頻場(chǎng)合實(shí)現任意需要角度范圍內的連續可調移相，具有很好的實(shí)用價(jià)值。