博文学院 王淑繁论文

兰州交通大学博文学院毕业设计（论文） 摘 要本文主要是对控制回路的设计。这句话去掉传统的加热电源大多数采用模拟锁相环CD4046作为主回路电流的反馈信号，因为模拟锁相环存在许多缺点，所以本文提出此方法肯定不是你提出的，用词不当一种基于现场可编程门阵列的数字锁相环设计。由于在现场可编程门阵列的内部集成有锁相环，但是主要是面向高频使用的，在10kHz200kHz范围内不适合采用，因此，本设计采用全数字锁相环芯片74HC297并通过VHDL语言设计相应的辅助电路，同时该芯片内设计了PWM产生电路，产生4路IGBT的驱动脉冲，并保留了一定的死区时间。文章结构安排如下：这句话不合适首先介绍了感应加热的基本原理及发展过程，然后分析逆变侧主回路两种不同的电路的优缺点，并对这两种电路的换流过程进行比较；接下来文章对应用广泛的几种调功方式进行分析，最好的是采用串联谐振式的电路结构，并通过PWM移相调功的方式对电源的功率进行调节。确定了电源方案后，本文介绍了软开关，一般文章结构应该先介绍锁相环，在介绍感应加热电源，最后用锁相环控制感应加热电源的软开关是通过ZVS的形式实现的，本文采用基于ZVZCS的PWM技术实现该电源的研制。文章通过MATLAB仿真验证了设计的真确性，并给出了相应的仿真模型。 关键词：数字锁相环 感应加热 串联谐振 软开关 ZVZCS没有体现锁相环AbstractThis paper is mainly on the control circuit design. The traditional heating power most of the analog phase locked loop CD4046 is used as feedback signal for the main loop current, because existence many shortcomings of the analog phase locked loop. Therefore, this paper proposes a kind of based on FPGA design of digital phase locked loop. Due to the FPGA internal integrated PLL, but mainly for use in high frequency, in the range of 10kHz 200kHz is not suitable to use. Therefore, this design by built-in lock ring 74297 and design the corresponding auxiliary circuit by VHDL language, also the chip designed the PWM generation circuit, produce 4 IGBT drive pulse, and retain certain dead time. The paper is organized as follows: firstly, this paper introduces the basic principle and development process of induction heating, then analysis advantages and disadvantages of main circuit of inventor side two different circuits, and of the two circuit commutation process are compared. The next article on the application of a wide range of several power regulation were analyzed. The best is the series resonant circuit structure, and phase shift PWM power regulation through the power of the power can be adjusted. The power supply scheme was determined, this paper introduces soft switch. In general, the soft switch is achieved through the form of ZVS, the ZVZCS PWM technology based on the realization of the development of the power supply.Keywords：digital phase-locked loop ; induction heating ; series resonance ; Soft-Switching ; ZVZCS ;目录目录格式字体不合适1. 绪论11.1本课题的背景和意义11.2国内外发展现状11.2.1 感应加热技术的发展11.2.2电力电子器件的发展21.2.3感应加热电源的发展趋势31.3本文的内容安排42.感应加热电源的结构与分析52.1感应加热的原理52.1.1 感应加热的物理基础52.1.2 感应电流的分布及特性62.2谐振槽路的分析72.2.1并联谐振72.2.2 串联谐振82.3逆变器结构分析92.3.1电压型串联逆变器92.3.2电流型串联逆变器102.3.3串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的不同112.4感应加热电源的调功方式112.4.1调压调功122.4.2脉冲频率（PFM）调功122.4.3脉冲宽度（PWM）调功123. 感应加热电源的主电路153.1 软开关技术153.1.1软开关技术的分类153.1.2软开关技术的发展163.2电源整机结构框图173.3主电路分析183.3.1主电路描述184. 感应加热电源的控制电路设计204.1主电路分析204.1.1飓风系列FPGA简介204.1.2飓风芯片的开发工具简介224.1.3 FPGA编程和配置234.1.4 硬件描述语言简介244.2锁相环控制电路244.2.1 传统的模拟锁相环254.2.2全数字锁相环的实现264.3控制电路整体构成314.3.1扫频电路简介315. 试验结果和结论33附录36致谢39参考文献40按照文章结构来写，锁相环模型搭建很重要IV 1. 绪论1.1本课题的背景和意义从上个世纪初开始，感应加热开始兴起并得到广泛应用。因为感应加热是非接触式加热，加热的温度高，可以加热复杂形状的工件，具有相当高的效率，同时感应加热容易实现对温度的控制，所以感应加热电源正在成为我国研究的热点问题。目前，我国的感应加热多为并联谐振式的电源结构，功率的调节通过直流侧的调压实现，这种方式容易产生电网的谐波污染，如果电源主电路采用串联谐振式电路，逆变侧的主回路采用PWM移相调功方式，电路的直流侧采用不控整流，这样就可以避免谐波污染问题。随着我国电力供应的改善，电力电子技术的进一步发展以及环保要求的提高，发展和扩大感应加热的应用范围，在焊接、淬热处理等方面改进技术，提高质量。改造我国传统加热行业势在必行的，这一改造主要涉及高频大功率感应加热电源的开发和研究工作。传统的感应加热电源多采用模拟控制或者模拟数字控制相结合的控制系统，虽然模拟控制技术已经非常成熟，但也存在零漂等一些不能忽视的缺点，感应加热电源的数字锁相环控制已经成为其中一个趋势。在感应加热过程中，因温度变化和加热对象熔化等因素，使负载等效参数和固有谐振频率发生变化，导致功率开关器件应力增加，逆变器效率降低及输出波形纹波系数增大。此时频率跟踪电路是必不可少的，随着频率的提高，频率跟踪电路对快速性和准确性的要求也相应提高。感应加热电源以其具有加热速度快、效率高、可控性好、自动化程度高等优点，已经在熔炼、弯管、铸造、热锻、焊接和表面处理等行业广泛的应用。目前国内控制技术的研究水平相对较低，因而对其频率跟踪及功率调节的数字锁相环控制的研究具有一定的实际意义。1.2国内外发展现状1.2.1 感应加热技术的发展感应加热技术起始于1831年，直到19世纪末，感应加热技术才开始应用于实际生产。首先应用的领域是金属熔化。20世纪初，设计出来了使用圆筒形坩埚和高频火花隙电源的新装置以代替环形熔化装置。这种装置首先用来熔化铂，后来用于熔化其他有色金属。随着感应加热在金属熔化内的发展，这项技术在其他领域的应用也逐渐发展起来。1927年最早应用感应加热方法对钢件表面淬火，这项技术至今仍然被广泛应用，以提高金属耐磨性。最大的柴油机曲轴加工公司-俄亥俄克拉克机轨公司1920年使用3000赫兹的发电机组对曲轴进行表面淬火，这是感应技术首次用于大批量的生产。感应加热技术在其他方面同样有广泛的应用，例如管状结构的内孔表面淬火，具体应用于汽车轴和汽缸洞的加热处理。第二次世界大战推动了感应加热技术的发展，这一点尤其表现在军用器械的热处理方面。高频固态电源于1967年开始应用，它的发展进一步推动了感应加热技术的发展，从低频装置发展到高频装置，装置的效率提高了95%。感应加热技术的发展是伴随着开关器件的发展而发展的。上世纪50年代开始，世界上一些工业发达的国家就特别重视研制和开发电力半导体及其应用技术，并积极开发相应的开关器件，开关管的频率从低频到中频、超音频、高频。我国感应加热技术从50年代开始就被广泛应用于工业生产当中。60年代末开始研制晶闸管中频电源。到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的市场。1970年浙江大学研制出了国内第一台100kw/1kHz晶闸管中频电源；1995年浙江大学研制出50kw/50kHz的IGBT超音频电源；铁岭高频设备厂研制成功了80kw/150kHz的SIT高频电源；浙江大学才有MOSFET研制出了20kw/300kHz的高频电源；感应加热电源有以下几个特点：（1） 加热温度高，而且是非接触加热；（2） 加热速度快-被加热物的表面氧化少；（3） 加热效率高-节能；（4） 温度容易控制-产品质量稳定，操作简单；（5） 容易实现自动控制-节省大量的人力资源；（6） 作业环境好-几乎没有热、噪声、灰尘；（7） 作业占地少-生产效率高；（8） 能加热形状复杂的工件；在应用方面，感应加热可用于金属熔炼，透热，热处理及焊接等过程，已经成为冶金、国防、机械加工等部门不可缺少的设备。此外，感应加热已经进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉等都是用感应加热电源作为核心的。1.2.2电力电子器件的发展这个不必写正如同前面所述，感应加热的发展是随着电力电子开关器件的发展而发展起来的。因此电力电子器件的发展，是发展感应加热技术的核心问题。20世纪50年代末，半导体硅晶闸管的出现标志着以固态半导体器件为核心的现代电子电力学的开始，引起了感应加热电源及应用的飞速发展。70年代末，现代半导体集成技术与功率半导体技术相互结合，开发出了一大批新型的电力电子半导体器件，为高频领域感应加热电源的研究提供了基础。80年代中期，西欧国家研究出来用功率场效应管（MOSFET)作为开关的高频电源，其频率为200kHz左右，功率达到数千瓦。由于MOSFET不存在存储时间，所以它的开关速度快，它还具有驱动功率小，无二次击穿现象，安全可靠，无并联等优点，适用于高频大功率感应加热电源装置。静电感应晶体管SIT具有大电流，高耐压，大的输出功率和高的工作频率。在日本已经开发出来了用SIT作为开关元件，其参数达1000kw/200kHz,400kw/400kHz的高频感应加热电源。在国内，辽宁电子设备厂和天津市高频设备厂生产出来了SIT高频电源系列。但是SIT的通态压降相对较大，制造工艺复杂，成本高，难以向市场推广。隔离门极双极晶闸管（IGBT)有双极晶闸管和场效应管的综合优点，在通态压降低的同时开关速度高，是目前加热电源的首选器件。IBGT的特点如下：（1） IBGT开关速度快，损耗小。（2） 在电压和电流定额相同的情况下，IBGT的安全工作区比GTR大而且具有耐脉冲电流冲击的能力。（3） IBGT的通态压降比VDMOAFET低，特别实在电流较大的区域。（4） IBGT的输入阻抗高。目前，IBGT性能得到很大的提高和完善，已经实现模块化，它的发展现状对加热电源的发展水平有很大的影响。1.2.3感应加热电源的发展趋势感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能等各个方面不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现以下几个特点：1. 大功率、高频率 电力半导体器件的大容量与其使用频率有着密切的关系，随着新型器件的发展，如MOSFET、IBGT等，将来的感应加热电源必将朝着大功率，高频率方向发展。 2.低损耗、高功率因数 新型功率器件的通态电阻很小，通态压降小，随着功率器件的发展，驱动电路的不断完善，使得整个装置的损耗明显降低。 3.智能化、复合化 智能化指的是功率半导体集成电路本身，包括过电压、欠电压、过热等检测与保护功能。复合化指的是在一个功率模块内除了一个或多个功率器件芯片外，还包括相同数量的二极管等，在较小功率模块内也出现了保护电路与功率器件在一起的电路。因此采用智能化和复合化的集成电路将使得元器件数量减少，组装成本降低，而又由于电路本身具有诊断与保护功能从而提高了可靠性。随着感应加热生产线自动化控制程度及其对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向自动化控制方向发展，具有计算机智能接口的全数字化感应加热电源正成为发展目标。 1.3本文的内容安排 不能这样写，先对本文总体总结，再写每章的内容1.问题提出 ： 如何综合地运用前面学过知识点，根据实际要求选取感应加热电源，用基于FPGA的数字锁相环去控制感应加热电源，并搭建仿真模型进行仿真分析2. 系统设计的主要内容：串联型谐振逆变器是电压源供电的，在开关管的开通和关断过程中要注意同一对桥臂上下管出现同时导通的情况也就是说一定要保留一定量的死区时间。并联型谐振逆变器是电流源供电，由于电流的突然变化会使得电感产生很大的感应电势，因此应该尽量避免电流产生大的波动，这就要求开关管在换流期间必须遵循先开通后关断的原则，也就是要保留一定的重叠时间的存在。在启动方面，并联谐振型逆变器的启动比较困难，当四路控制信号控制的开关管的频率发生变化时，只有在谐振状态下才有可能启动成功，串联型谐振逆变器既可以它激启动，也可以自激启动，因此采用的是串联型谐振电路的结构。在确定主回路组成结构的基础上，电源直流侧采用不控整流，逆变回路采用软开关技术，在本设计中采用ZVZCS-PWM技术来实现该电源的研究。其中超前臂采用零电压开关，滞后臂采用零电流开关。在这里采用PWM调功方式。感应加热的核心器件是锁相环的选用，由于传统的锁相环是模拟锁相环，是由一些基本电路搭建而成的，因此工作可靠性不高，保密性不好，数字锁相环就可以避免这些问题。本文采用FPGA有集成的高频数字锁相环，但是频率高不适合感应加热电源。所以在FPGA内部集成数字锁相环的74297的基础上加入了辅助电路构成了本电源中所使用的锁相环。控制单元经过数字锁相环产生四路PWM，驱动四个功率管IBGT的通断。电流检测单元用于功率调节，设定的功率或者是电流的大小与实际电流的大小进行比较，经过PI调解，将计算出的PWM的占空比数据送给FPGA，产生相应的脉宽调制信号，达到功率，电流的双重调解。 5 2.感应加热电源的结构与分析重新按照文章结构来写2.1感应加热的原理2.1.1 感应加热的物理基础感应加热的基本原理基于电流热效应的焦耳-楞次定律和法拉第电磁感应定律。当任意一个导体通过交流电时，电流在导体的周围空间和导体内部激发出交变磁场，在空间所有各点，只要有变化的磁场存在，就有电场存在，也就是说在充满交变磁场的空间，同时也充满交变电场，这两种场总是相互联系共同生存的，形成电磁场。法拉第在1831年就发现了电磁感应现象并且将该现象表述为：当通过导电所包围的面积的磁场发生变化时，此回路中就会产生电势，此电势称为感应电势，当回路闭合时，则产生电流，在闭合回路中所产生的感应电动势的大小和穿过该回路的磁通量的变化率成正比。法拉第电磁感应定律的数学表达式为： E= （2-1）式中 E-闭合回路中的感应电动势瞬时值； -磁通量数； T-时间。如果感应回路是串联N匝时，并且通过每匝的磁通量是相同的，则=N。设交变磁通为：= 则 E= （2-2）因此感应电势的有效值为： E= =4.4fN （2-3）当感应电流在闭合回路内流动时，自由电子要克服各种阻力，因而必须消耗一部分能量做功，即克服导体的电阻，使得一部分电能转换为热能。焦耳-楞次定律表述为：电流通过导体所散发的热量与电流的平方，导体的电阻和通电时间成正比。其数学计算： Q=0.24RT （2-4）式中 Q-导体的发热量；I-流过导体的电流的有效值；t-导体上电流通过的时间； 电磁感应现象和电流的热效应为感应加热方法提供了物理基础。2.1.2 感应电流的分布及特性交变频率的电流通过导体时，电流沿导体的横断面分布是不均匀的。电流密度由表面向中心依次减弱，即电流有趋于导体表面的现象，这种现象称为电流的集肤效应。被加热的物体中除了电源所建立的电场外，其本身流过的感应电流所建立的交变磁场又产生一个方向相反的电场，即被加热物体中产生与外加电势方向相反的反电势。在被加热物体的内部，穿透的磁通最多，感应出的反电势也就最大；在物体的外部，穿透的磁通较少，感应出的电势少。因此，在加热物体表面的合成电势要比内部的电势大得多，这就是引起表面效应的根本原因。当交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。当两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会受到彼此电流分布的影响而发生改变，如果两电流方向相反，则最大电流密度出现在导体外侧，这种现象叫做临近效应。交变磁场在导体中感应出的交变涡流受到集肤效应的影响，产生的电流密度由导体表面至中心按指数规律衰减，工程上规定当导体电流密度也就是涡流强度，由表面向里面衰减的数值等于表面电流强度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电流透入深度。透入深度用表示： （2-5） 式中 -导体材料的电阻率； -导体材料的相对磁导率； f-感应电流的频率。因此，当加热工件确定后，相应的导体材料的电阻率和相对磁导率也就确定了，由式子2-5可知，此时电流的透入深度与感应电流的频率成正比。频率的值改变，就能改变工件的透入深度，这种特性在金属的热处理中广泛的应用了。 1831年11月份法拉第将两根线圈绕在同一个铁环上，他发现给一个线圈加上交流电时，另一个线圈内有感应电压产生。在以后的几十年，科学家用各种装置得到高频交流电。感应加热技术真正用于实际生产到了19世纪末，最先应用的领域是金属冶炼。最初的2.2谐振槽路的分析 在含有电感和电容的电子电路中，假如电流是正弦波，由于电感和电容都是频率的函数，随着频率的变换，感抗也就发生了变化，这样的电路就可能变现为感性，也可能表现为容性，还有可能变现为纯阻性，此时的电流与电压同相位，称之为谐振。谐振现象在现今的电子与通信工程中应用十分广泛。虽然谐振电路是由电感、电容、电阻及电源结合的十分简单的电路，但是谐振电路中的电感或电容的电压电流有可能远远超过电源的电压电流，即小的输入信号产生大的但是要增加开关通断的损耗，并且产生电磁干扰，所以我们广泛的采用软开关技术，而谐振现象正是软开关技术实现的基础。因此谐振在工业淬火，感应加热，以及其他很多直流开关电源中有着广泛的应用，但若使用不当，谐振会对电路元件造成损坏，所以研究和分析谐振现象，了解它的利与弊十分必要。谐振电路有串并联之分，下面分别介绍。2.2.1并联谐振图2.2.1所示为RLC并联谐振电路。电源假设内阻为零，=sin(wt+)。电路的工作状况将随着频率的变化而变化，首先分析输入导纳Y(jw)随频率变化的特性：图2.2.1 并联谐振电路并联谐振发生的条件为： （2-6） 这时，电路的电压与电流同相位，电路的导 （3-2） 通过该公式可以得到谐振时的角频率分别为： （2-7） （2-8） 该频率成为电路的固有频率。并联谐振时输入导纳最小或者说输入阻抗最大。Z(jw)=R最大。所以谐振时，端电压达最大值，如果并联谐振电路的品质因数远远大于1，那么谐振时在电感和电容中会出现过电流，大小为电流源有效值的Q倍，但从LC两端看进去的等效导纳等于零，也就是阻抗无穷大，相当于开路。2.2.2 串联谐振图3.1.2所示为RLC串联 （2-9）谐振电路，其中电源假设内阻为零，。电路 R L C2.2.2 串联谐振电路图的工作状况将随频率的变动而变动。首先分析输入阻抗Z(jw)随频率变换的特性：当w变动时感抗随频率成正比变化，容抗随频率成反比变化。由于串联电路中的感抗和容抗可以相互抵消所以当时，端口上的电压与电流相同，工程上将这种工作状况称为谐振，因为在串联电路中发生，因此也称为串联谐振。谐振的条件为 这时的谐振频率为： 谐振频率又称为电路的固有频率，它是由电路的结构和参数决定的。串联谐振的谐振频率只有一个，是由串联电路的LC参数决定的，而与电阻无关。在谐振时或接近谐振时，会在电感和电容两端出现大大高于外施电压U的高电压，称为高电压现象，通常会造成元件的损坏。但谐振时L和C两端的等效阻抗为零相当于短路。谐振时，外电压全部加在电阻上，但并不是说电感和电容上没有电压，这时，电感上的压降和电容上的压降大小相等，方向相反。假设L、C、R的值不变，让电源的频率从0变化到无穷大。经过分析可知道，当频率等于0时相当于直流源，因为电路中电容的影响，电路中电流为0，全部电压加在电容上，然后频率逐渐变大，容抗随着频率的增大而减小，感抗随频率的增大而增大，但是在频率小于固有频率的情况下，容抗的值始终大于感抗的，电路呈容性。同时电路中的电流逐渐增大。当频率等于固有频率时，发生谐振，电路中流过的电流最大，电路成阻性，这时的功率因数为1.功率因数继续增大大于固有功率因数时，电流下降，电路呈感性。到了功率因数无穷大时，感抗阻止电流通过，电流又变为0。2.3逆变器结构分析 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。2.3.1电压型串联逆变器 无功补偿电容器与感应线圈串联的逆变器称为串联逆变器，电压型逆变器主要有一下特点:直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的存在，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位，因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。由前面对串联谐振回路的分析可以知道。对于不同的频率会有三种不同的工作状态。呈现方波的是电压波形，这是由于直流电压源的作用。正弦波是理想电流波形。（a）电压和电流的相位一致，工作在谐振状态，此时系统的谐振频率为其等效阻抗为电阻R的阻值。逆变器一般工作在准谐振状态，功率因数近似为1；（b）电流超前电压，逆变器工作在容性状态；（c）电流滞后电压，逆变器工作在感性状态；其中反并联四支二极管的作用是为了在开关管关断期间，能够对负载电路起到缓流的作用。也就是在关断期间，与负载电路形成通路。串联型逆变器是恒电压供电，有可能由于开关管的开通关断顺序不符合要求，造成同一桥臂的直通现象，从而破坏电路结构，烧坏器件。为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路。要采取“先关断后导通”的方法。即先给应该关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间越短。在设计控制电路时要特别注意，由于存在分布电感和电容的影响，会产生高压，有可能对器件造成损坏，所以每个开关管上要并联阻容吸收元件，这个非常重要。2.3.2电流型串联逆变器 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际上理想直流电流源并不多见，一般是在逆变电路直流侧串联一个大电感，因为大电感中的电流脉动很小，因此可近似看成直流电流源。将补偿无功功率的电容器与负载并联使用，就构成了并联逆变器。电流型逆变器主要有以下几种类型：1. 直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2. 电路中开关器件的作用仅仅是改变直流电流的流通路径，并不强行改变电流的方向，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电压波形和相位侧因负载阻抗情况的不同而变化。3. 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感器缓冲无功功率的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。由前面对并联谐振回路的分析，对于不同的频率，电路有三种不同的工作状态。(a) 并联型谐振逆变电路处于谐振状态，此时在串联的大电感起的作用下，电流是方波，电压波形是正弦波。(b) 并联型谐振逆变电路处于感性状态。(c) 并联型谐振逆变电路处于容性状态。并联型逆变器是恒电流供电，有可能由于开关管的开通关断顺序不合适，造成同一桥臂同时关断的现象，造成直流电源的开路，从而破坏电路的结构，烧坏器件。为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时关断而引起直流侧电源的开路，要采取“先通后断”的方法。即先给应开通的器件的开通信号，待其开通后留一定的的时间裕量，然后再给应关断的器件发出关断信号，即在两者之间留一个短暂的重叠时间。重叠时间的长短要看器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的重叠时间就可以越短。由于IGBT内部封装了反并联二极管，因此不能承受反压，所以串联了D5-D8四支二极管，在设计控制电路时要注意，同时由于分布电感和电容的影响，会产生高压，有可能对器件造成破坏，所以同串联型谐振回路一样每个开关管上要并联阻容吸收元件。2.3.3串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的不同经过上面的分析可以得出串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的不同特点：1.串联型谐振逆变器是电压源供电，因此，在开关管的开通和关断过程中要注意同一对桥臂上下管出现同时导通的情况，从而造成电压源短路。这样在进行控制的时候就要注意必须确保同一对桥臂必须先关断后导通的顺序。也就是说保留一定的死区时间并联型谐振逆变器是电流源供电，要求开关管在换流期间必须遵循先开通后关断的原则，也就是要保留一定的重叠时间存在。2. 串联型逆变器由于并联大电容，因此相当于恒压源，在串联回路中，输出电压波形近似于矩形波，而电流波形近似正弦波。并联型谐振逆变器由于串联大电感，相当于一个恒流源，在并联回路中，输出电流波形近似矩形波，而电压波形近似正弦波。3.并联型谐振逆变器的短路保护比较容易，由于并联型逆变器在直流电源段加了一个大的滤波电感，从而使得电流不能够发生突变，因此即使逆变器发生了短路，短路电流在滤波电感的作用下也会得到抑制这样电路元件的保护就比较容易。串联型谐振逆变器的短路保护比较困难，由于电源两端并联了大电容，因此在逆变器短路时，电压不能突变，但是电流的瞬间值很大，因此必须特别注意对电路元件的短路保护。2.4感应加热电源的调功方式 感应加热电源是通过电磁感应原理，利用工件表面的集肤效应，对工件进行淬火以及金属焊接等处理。由于工件的特性以及要求加热温度的不同，对感应加热设备的输出功率要求也不一样，因此要研究电源的功率调节方法，对于电流型逆变器，一般采用直接调节直流侧电压的方法进行调功。对于电压型逆变器，常采用的调功方式包括：调压调功、脉冲频率调功、脉冲密度调功、以及脉冲宽度调功，输出功率调功。2.4.1调压调功 调压调功就是通过控制直流侧的电压的大小来调整负载的功率。调整整流电路输出电压一般通过两种方式：一是通过全控整流器件，组成全控整流电路，通过调节触发角度来改变输出功率的目的。另外一种是通过不控整流电路，先将三相电转变成直流电路，再通过直流斩波电路来实现输入电压的调节。 传统的感应加热电源一般通过全控整流电路来进行功率调节，这种方法实现比较慢，动态效果不好。随着电力电子技术中全控器件的发展，越来越多的感应加热电源采用直流斩波的方式进行调功。这种调功方式动态响应好，但是由于斩波器件一般工作在大电流，大电压的状态下，因此对器件要求很高，同时有一定的损耗。2.4.2脉冲频率（PFM）调功 由前面的分析知道，在R、L、C确定的情况下，负载的阻抗是随着频率的变化而变化的，因此如果改变脉冲的频率，那么在电压一定的情况下，功率会随着付在哪阻抗的变化而发生变化。这种方法最显著的优点是在直流部分不用采用斩波或者是全控整流电路，因此电路结构简单，控制方便，节约了成本。负载的等效阻抗为： 则在串联谐振频率处，负载的等效阻抗最小，因此负载的输出功率最大。不管频率过高还是过低都会使得功率降低。由于在直流侧采用不控整流，所以开关管在通断时承受的尖峰电压很高。又由于频率的不断变化，将会影响工件的集肤深度，继而影响工件的质量。2.4.3脉冲宽度（PWM）调功脉冲宽度调功（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V, 5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。脉冲宽度调功（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期2、 在PWM控制寄存器中设置接通时间3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚4、启动定时器5、使能PWM控制器脉冲宽度调功的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。脉冲宽度调功的另外一个优点是对噪声抵抗能力的增强，这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。总之，脉冲宽度调功既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。3. 感应加热电源的主电路3.1 软开关技术 软开关（Soft-Switching）是相对硬开关(Hard-Switching)而言的。相对硬开关，软开关提高了开关频率，降低甚至是消除了开关损耗因此其有更好的工作条件。软开关是电器回路中用于连通和切断负载 的一种方式和装置，这种方式系指负载的切断和接通不是瞬间突然地完成，而是逐渐地由小到大完成接通过程，逐渐地由大到小完成切断过程。现实中的软开关可见于照明回路，对于一盏灯开启时由不亮到微亮再到全部亮逐渐地缓慢地完成，关闭过程则相反。软开关的引入可以避免灯光突然变化给人眼造成的刺激，特别在全黑暗的情况下更为重要。现实中软开关的实现方式有：对于白炽灯等电阻性负载常常使用可控硅片调节导通角的方式来实现当开启灯光时导通角由0到180度渐变，当灯光关闭时导通角则反过来由180度渐变，这样便实现了软开关的开启和关闭。对于荧光灯类负载则通过调节占空比的方式来实现。软开关具有缓冲的作用，并不会像“硬开关”那样迅速的开通或关断，优良的开关性能使软开关在现代开关中有重要的地位。软开关分为零电压开关(Zero Voltage Switch)，英文缩写“ZVS”和零电流开关(Zero Current Switch)，英文缩写“ZCS”。使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通；使开关关断前其电流为零，则开关关断时就不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断。在很多情况下，不再指出开通和关断，仅称为零电压开关和零电流开关。零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。3.1.1软开关技术的分类软开关包括软开通和软关断，软开通又包括零电压和零电流开通，软关断包括零电压关断和零电流关断。1.零电流关断开关器件在两端的电流从通态值下降到零时施行关断。在关断的时刻，开关器件上的端电压从通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。2.零电压关断开关器件在两端的电压为零时关断。关断指令发出后，开关器件上的电流从通态值下降到断态值后，端电压从通态值上升到断态值，开关器件才进入截止状态，在器件关断的时刻电压必须保持为零。3. 零电流开通 开关器件在两端的电流为零时开通，开通脉冲发出之前的时刻，开关器件两端的电流必须保持为断态值，也就是约等于零。4. 零电压开通 开关器件在两端的电压为零时实行开通。在开通之前，开关器件上的端电压必须下降到通态值，也就是等于零。3.1.2软开关技术的发展软开关的发展经历了准谐振电路、零开关电路、以及零转换PWM电路。1.准谐振电路零电压开关准谐振变换器电压应力大，负载变化范围小，这一限制可以通过零电压多谐振技术得到大大改进。多谐振电路使所有的的寄件元素包括半导体开关的结电容和变压器漏电感组合成一个多谐振网，这样就使得各种形式的寄生振荡最小化，甚至能够在无负载的情况下实现零电压开关。2.零开关PWM电路零开关电路包括零电压开关和零电流开关。最初的零开关电路是零电压型的，这类电路有很明显的优势：电压与电流基本上方波，只是上升沿与下降沿较缓慢，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式3.零转换PWM电路 这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，这样可以使谐振电路受负载和输入电压的影响减小，是电路在输入电压宽范围内且负载由空载到满载内都能工作于软开关状态，最初的零电压转换电路，换相是由与主开关或主二极管并联的吸收电容辅助完成的，而且在主开关关断期间滤波器电流方向可以使辅助电路保持不工作状态，而仅在主开关开通过程中发生作用，这样可以降低传输损耗。 随着电力电子技术的发展目前对电力电子装置的要求愈加趋向于小型化轻量化并希望能提高开关频率但是目前开关器件的频率已接近于极限并且随着频率的提高又带来了噪声污染、电磁干扰、开关应力、开关损耗等一系列问题。目前的研究仍是针对解决上述问题而进行的最近的研究成果包括新型电路结构的出现和应用范围的不断扩大等。 chien-ming wang提出了一种新型的功率因数校正器8。这种功率因数校正器采用传统的脉宽调制软换相技术及瞬时平均线电流控制方法。他设计了一种新的零电压开关脉宽调制zvs-pwm辅助电路可实现主开关和辅助开关的零电压开关辅助开关实现零电流开关其主开关软换相时电流应力小传输损耗小。 h.ogiwara,m.itoi和m.nakaoka设计出一种新型的单端推挽式软开关高频逆变器9该逆变器应用于高频感应加热装置.这一新模型是在传统电路的基础上加上谐振电路。这样可实现软开关并且在对称的pwm辅助电路下能在大范围内连续调节输出功率其工作频率固定为20kHz用在家用加热电器中具有很好的安全性和高效性。 c.m.wang,h.j.chiu和d.r.chen提出了一种新型的零电流PWM开关单元10这种开关单元可以使主开关和辅助开关都能在零电流时开通和关断。这种变换器的优点是工作于固定频率减少了换相损耗只采用了一个谐振电感使电路的结构简单且电流应力小它适用于采用IGBT的大功率场合。如今谐振开关的概念奠定了谐振变换器技术的基础。将零电流谐振开关或零电压谐振开关代替pwm变换器的功率开关可得到一种准谐振变换器。美国的vicor公司最先使该软开关技术实用化首批推出vi300系列指该系列变换器模块额定输入是300v三种型号的零电流开关高功率密度dc/dc变换器11极受用户的欢迎。目前美国vicor公司、加拿大北方电信公司、日本的nemiclambda均开发出了软开关电源产品。台湾也有4家厂商从事软开关和谐振技术的开发研究。在我国原电子部第43所1997年成功通过了“rgf28s05型谐振式dc/dc变换器”的设计定型鉴定。这是中国自己设计制造的第一只采用零电流“准谐振”软开关正激电路控制的高功率密度谐振式dc/dc变换器。展望21世纪软开关高功率密度dc/dc变换器无疑