高頻感應(yīng)加熱電源模數(shù)結(jié)合連續(xù)可調(diào)移相電路研究

王世明，梅志千，于海龍，厲 娟

（1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.常州鼎龍環(huán)保設(shè)備有限公司 江蘇 常州 213104）

高頻感應(yīng)加熱設(shè)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(fù)等問(wèn)題，嚴(yán)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[1-3]。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(yīng)時(shí)間，使驅(qū)動(dòng)芯片輸出信號(hào)的相位必定滯后于采樣信號(hào)的相位，因此必須在反饋回路中進(jìn)行相位的超前、滯后調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)移相功能。

傳統(tǒng)的移相方法是采用如RC或LC的模擬電路進(jìn)行相位調(diào)節(jié)[4]。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(xiàn)所需角度的相位超前、滯后調(diào)節(jié)。但電路中由于存在L、C等元件，其等效阻抗與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)，移相角會(huì)隨輸入信號(hào)頻率的變化而變化，故其僅適用于輸入信號(hào)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(shù)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(hào)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(hào)也能輸出360 MHz以上的信號(hào)，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[5]。

為此，有必要設(shè)計(jì)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(shù)結(jié)合移相電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)在1 MHz高頻感應(yīng)加熱場(chǎng)合完全適用。

1 模數(shù)結(jié)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(gòu)成的90°～180°連續(xù)可調(diào)模數(shù)結(jié)合移相電路。B處的信號(hào)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(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)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(gòu)成一個(gè)0°～90°連續(xù)可調(diào)的移相電路。若所需移相角小于90°，則無(wú)需后級(jí)的鎖相倍頻和J-K觸發(fā)器構(gòu)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(hào)占空比始終為0.5，與輸入信號(hào)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(shè)計(jì)。為了減輕LF的負(fù)擔(dān)，10腳解調(diào)器輸出接高阻至地。LM319輸出的占空比不超過(guò)0.5的數(shù)字信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)內(nèi)部的自偏放大器，上升沿觸發(fā)的頻率和相位觀測(cè)器PC2，R3、R4、C2構(gòu)成的低通濾波器以及內(nèi)部的VCO實(shí)現(xiàn)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(hào)頻率是10腳（也即鎖相環(huán)4腳）輸入信號(hào)頻率的一半[6]。由于鎖相環(huán)3腳的信號(hào)來(lái)自74HC4040的9腳輸出，分頻器10腳的信號(hào)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(hào)頻率的2倍，實(shí)現(xiàn)鎖相倍頻功能。當(dāng)鎖相環(huán)3腳信號(hào)與14腳輸入信號(hào)的頻率和上升沿相位不一致時(shí)，內(nèi)部電路會(huì)進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)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(hào)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(zhuǎn)，下降沿到來(lái)時(shí)狀態(tài)不變，而鎖相倍頻后D處信號(hào)的上升沿較鎖相環(huán)14腳輸入信號(hào)的上升和下降沿均滯后90°，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)90°～135°連續(xù)可調(diào)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(jí)上升沿觸發(fā)的2分頻電路。若要實(shí)現(xiàn)90°～90°以上更小范圍內(nèi)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(yīng)的分頻引腳，并在上述電路的輸出端F的后再接級(jí)上升沿觸發(fā)的分頻電路即可，這里不再一一贅述。

2 模數(shù)結(jié)合移相電路（二）原理

圖3所示電路是一種輸入信號(hào)占空比為0.5的移相效果較好的移相角在0°～180°范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的模數(shù)結(jié)合移相電路。前級(jí)的74HC14作反相器用，起緩沖保護(hù)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(zhuǎn)換有一定的響應(yīng)時(shí)間，故其B處電平轉(zhuǎn)換時(shí)刻略滯后于A處的電平轉(zhuǎn)換時(shí)刻。中間的RC環(huán)節(jié)是將B處的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。當(dāng)B處的數(shù)字信號(hào)高電平到來(lái)時(shí)，B處的信號(hào)通過(guò)電阻R1對(duì)電容C1充電，直到B處高電平的末端；當(dāng)B處的數(shù)字信號(hào)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(jí)74HC14做施密特觸發(fā)器時(shí)，C處信號(hào)上升沿電平大于3.2 V時(shí)D處輸出低電平，C處信號(hào)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(hào)電平到達(dá)74HC14閥值電壓時(shí)D處信號(hào)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(yīng)時(shí)間，故移相角不可能為0°。若要實(shí)現(xiàn)180°～360°范圍內(nèi)的移相，由于高頻感應(yīng)加熱電源一般都有頻率跟蹤環(huán)節(jié)，故只需在頻率跟蹤電路的輸出端后面加一級(jí)反相器即可。若要實(shí)現(xiàn)移相角在 0°～180°內(nèi)任意更小角度如 0°～120°、0°～60°等的連續(xù)調(diào)節(jié) ，可通過(guò)使輸入信號(hào)的占空比與上述移相角對(duì)應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3中各點(diǎn)的理想工作波形如圖4所示。

圖3 模數(shù)結(jié)合移相電路（二）Fig.3 Module integration phase shifting circuit（two）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 模數(shù)移相（二）各點(diǎn)理想工作波形Fig.4 Module phase shifting（two）ideal work waveform

模數(shù)結(jié)合移相電路（一）實(shí)驗(yàn)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(yīng)時(shí)間，故鎖相環(huán)3腳信號(hào)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(yuǎn)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。

圖5 電路（一）C、F處實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Circuit（one）C、F place experimental waveform

模數(shù)結(jié)合移相電路 （二）C、D點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形和A、D點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形分別如圖6、圖7所示，與理論分析一致。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A處數(shù)字輸入信號(hào)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(hào)頻率的變化；而且輸出是與輸入信號(hào)占空比一致的信號(hào)，移相角的最大值是與輸入信號(hào)占空比一一對(duì)應(yīng)的，不隨C值確定后R參數(shù)的變化而變化。

4 結(jié) 論

從實(shí)驗(yàn)效果看，上述提出的兩種模數(shù)結(jié)合移相電路，在1 MHz光伏電池片組件高頻感應(yīng)加熱場(chǎng)合可根據(jù)需要連續(xù)可調(diào)移相角，移相效果好。模數(shù)移相電路（一）移相角幾乎不隨輸入信號(hào)頻率的變化而變化，只與鎖相倍頻電路的倍頻次數(shù)有關(guān)，而且輸出信號(hào)的占空比恒為0.5，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。模數(shù)移相電路（二）在要求移相角大于50 ns對(duì)應(yīng)相角度的高頻感應(yīng)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(xiàn)任意需要角度范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)移相，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

圖6 電路（二）C、D點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Circuit（two）C、D place experimental waveform

圖7 電路（二）A、D點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Circuit（two）A、D place experimental waveform

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