博文学院 王淑繁论文1

兰州交通大学博文学院毕业设计（论文） 摘 要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，所以本文用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。首先介绍了数字锁相环的发展背景和工作原理，然后介绍了感应加热电源的结构与分析、感应加热的原理、谐振槽路的分析、逆变器结构的分析、感应加热电源的调功方式、感应加热电源的主电路、电源整机结构框图、主电路分析、感应加热电源的控制电路设计、然后用锁相环控制感应加热电源，文章通过MATLAB仿真验证了设计的准确性，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. First introduced the development background and working principle of digital phase-locked loop, then the induction heating power supply structure and analysis, induction heating, the principle of the resonant tank circuit analysis, the inverter structure analysis, induction heating power supply of power regulation, induction heating power supply of the main road, the structure block diagram of the complete machine of the power supply, main circuit analysis, design the control circuit of induction heating power supply, then using a phase locked loop control for induction heating power supply, the article through the MATLAB simulation to verify the accuracy of design, and gives the corresponding simulation model ; Soft-Switching ; 目 录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感应加热电源的发展趋势22.数字锁相环的发展背景和工作原理42.1数字锁相环的发展背景42.2锁相环控制电路42.2.1 传统的模拟锁相环52.2.2全数字锁相环的实现63.感应加热电源的结构与分析83.1感应加热的原理83.1.1 感应加热的物理基础83.1.2 感应电流的分布及特性93.2谐振槽路的分析103.2.1并联谐振103.2.2 串联谐振113.3逆变器结构分析123.3.1电压型串联逆变器123.3.2电流型串联逆变器133.3.3串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的不同143.4感应加热电源的调功方式143.4.1调压调功153.4.2脉冲频率（PFM）调功153.4.3脉冲宽度（PWM）调功153.5 软开关技术173.5.1软开关技术的分类183.5.2软开关技术的发展183.6电源整机结构框图203.7主电路分析203.7.1主电路描述204. 感应加热电源的控制电路设计224.1主电路分析224.1.1飓风系列FPGA简介224.1.2飓风芯片的开发工具简介244.1.3 FPGA编程和配置254.1.4 硬件描述语言简介264.2控制电路整体构成304.2.1扫频电路简介305. 试验结果和结论32附录35致谢38参考文献39内容多，软开关不要了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。 2.数字锁相环的发展背景和工作原理2.1数字锁相环的发展背景 锁相的概念是在19世纪30年代提出的，而且很快在电子学和通信领域中获得广泛的应用。尽管基本锁相环从开始出现基本保持不变，但是使用不同的技术制作及满足不同的应用要求，锁相环的实现对于特定的设计还是蛮大的挑战。 锁相环在通信，雷达，测量和自动化控制等领域应用极为广泛，已经成为各中电子设备中必不可少的基本部件。随着电子技术向数字化方向发展，需要采用数字方式是实现信号的锁相处理。锁相环技术在众多领域中得到了广泛的应用。如信号处理，调制解调，时钟同步，倍频，频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁相环有模拟电路实现，而全数字锁相环与传统的模拟电路实现的锁相环相比，具有精度高且不受温度和电压的影响，环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统是，不需要A/D及D/A转换。随着通信技术，集成电路技术的飞速发展，全数字锁相环必然会在其中得到更为广泛的应用。因此，对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。传统的数字锁相环系统是希望通过采用具有低通特性的环路滤波器，获得稳定的振荡控制数据。对于高阶全数字锁相环，其数字滤波器常常采用基于DSP的运算电路。这种结构的锁相环，当环路带宽很窄时，环路滤波器的实现将需要很大的电路量，这给专用集成电路的应用带来一定的困难。由于数字电子技术的迅速发展，尤其是数字计算和信号处理技术在多媒体、自动化、仪器仪表、通信等领域的广泛的应用，用数字电路处理模拟信号的情况日益普遍。所以模拟信号数字化是信息技术的发展趋势，而数字锁相环在其中扮演着重要的角色。2.2锁相环控制电路 感应加热是一种较为理想的加热工艺，已广泛应用于金属冶炼、焊接、表面淬火等热加工和热处理过程。随着现代电力电子技术的飞速发展，以绝缘栅双晶体管为代表的功率器件在越来越多的场合得到广泛应用，它的负载可以等效为一个电阻和电感串联。由于不同的被加热工件的等效电阻和电感及感应线圈与工件间的互感系数不同，工件温度等参数的影响，这个等效负载随时会改变，如果将高频交流电源直接接在感应圈上，感应圈和工件组成的负载功率因数低，无功功率较大，会浪费大量的的电能，所以需要采用串联或并联电容补偿无功功率。通常感应加热电源利用锁相环电路去控制逆变器，一方面利用锁相环电路实现逆变器的输出电压自动跟踪负载的电流信号，使逆变器工作在准谐振状态或谐振状态，保证整个加工过程中负载呈现一定的性质或负载侧在高功率因数下运行，功率开关器件损耗也就减小了，另一方面保证了电源在工件热态下能输出额定功率，而工件为冷态时又不会过载，即提高了电源的负载适应性。所以锁相环电路在感应加热电源中有着很重要的作用。2.2.1 传统的模拟锁相环锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图所示： 误差电压U2 控制信号U3 输出信号U0相位比较器压控振荡器低通滤波器输入信号U1 比较信号 2.2.1主电路示意压控振荡器的输出A接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压B大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号C与来自压控振荡器的输出信号相比较，比较结果产生的误差输出电压正比于外部输入信号和振荡器的输出信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个电压平均值，这个电压平均值朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直到VCO输出频率和输入信号频率获得一致。当锁相环进入锁相时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输入信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率不等于VCO的输出频率，而要求两者保持一定的关系，譬如比例关系或者差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同的工作需求。通用单片集成锁相环路是将鉴相器、压控振荡器以及某些辅助器件集成在同一基片上，各部件之间连接或均不连接的一种集成电路。使用者根据需要在电路外部连接各种部件来实现锁相环路的各种功能，因此，这种集成锁相环路具有多功能或部分多功能的性质，使得产品具有通用性。 CD4046工作原理：输入信号从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器1、2的输入端，开关K拨到2脚，则比较器1将从3脚输入的比较信号与原输入的信号做相位比较，从相位比较器输出的误差电压则反映出两者的相位差。误差电压经R3、R4、C2滤波后得到一个控制电压加到压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率，使其迅速逼近原信号频率。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器1，继续与输入信号进行比较，最后使得两个频率相等，两者的相位差为一个定值，实现相位锁定，假如开关K拨到13脚，则相位比较器2工作，过程同上。由上面的分析可知，传统的方法是以集成锁相环CD4046为核心，配合3525等PWM产生芯片组成的模拟电路进行控制，因而不可避免的存在线路复杂，元件易于老化，工作点漂移以及一致性差导致的不便于调试等缺点。另外，由于使用的是模拟器件，比较容易被仿造，保密性不强，因此需要提出一种新型的全数字锁相环。2.2.2全数字锁相环的实现全数字锁相环的基本结构如图所示：模H计数器 Mf0 2Nf0CLK1模可变可逆计数器 INC DECKa Kb Kc KdKa Kb Kc Kd异或门鉴相器EXOR fin Ud DEC INC加减脉冲控制器 CLK2 模N计数器 fo Nf0 2.2.2主电路示意数字锁相环的鉴相器室友异或门构成的，数字环路滤波器由变模可逆计数器构成，数控振荡器由加减脉冲控制器和除N计数器构成。变模可逆计数器和加减脉冲控制器的始终频率分别为Mf和2Nf。这里f是环路的中心频率，一般情况下M和N为2的整数幂，模H计数器中的H异或门鉴相器输出两输入信号的相位差。该相位差可以作为可逆计数器的技术方向控制。当输出信号为低电平时，可逆计数器进行加法计数，当为高电平时，可逆计数器进行减法计数。当计数值达到设定的模K的数字时，则产生进位或借位脉冲，用来控制数控振荡器的输出。数控振荡器在接到控制信号后，会在正常的输出中插入或者减少一个脉冲的个数，这样就会改变输出信号的相位，从而使得输出信号的相位不断地与输入信号接近。最后达到一个平衡，并进入锁定状态。3.感应加热电源的结构与分析3.1感应加热的原理3.1.1 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= 式（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= 式（2）因此感应电势的有效值为： E= =4.4fN 式（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 式（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。3.1.2 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： 式（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。后来就逐渐在各种领域中应用。3.2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。3.2.1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3.2.1 并联谐振电路并联谐振发生的条件为： 式（6） 这时，电路的电压与电流同相位，电路的导纳为： 式（7） 通过该公式可以得到谐振时的角频率分别为： 式（8） 式（9） 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。3.2.2 串联谐振图3.1.2所示为RLC串联 式（10）谐振电路，其中电源假设内阻为零，。电路 R L C3.2.2 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 式（11）这时的谐振频率为： 式（12） 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。3.3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。3.3.1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。3.3.2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。3.3.3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。3.4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。3.4.1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。3.4.2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。3.4.3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。3.5 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。3.5.1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。3.5.2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