基于延迟时间以实现电路ZVS的方法及系统与流程

本发明涉及振荡电路技术领域，尤其是涉及基于延迟时间以实现电路ZVS的方法及系统。

背景技术：

单管感应加热是电磁炉中最常见的拓扑之一。通常，单管感应加热电路拓扑常采用由2个集电极开路输出的比较器和若干电容电阻组成的自激振荡电路进行峰值电流控制，如图1所示。控制器只需给出一定占空比的脉冲，就能使得电路振荡工作起来。因此，从控制上来看，其控制方式也相对简单。但是，其无法保证电路能工作在零电压开通(Zero Voltage Switch，ZVS)，从而导致电容脉冲爬升速率(du/dt)大，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)损耗增大陷。在有些应用中，采用软件同步来替代该振荡电路，但是该方法会占用更多的处理器资源，存在处理器跑飞时，可能导致IGBT烧毁等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于延迟时间以实现电路ZVS的方法及系统，以增加单管感应加热自激振荡电路的ZVS实现范围，同时降低了成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于延迟时间以实现电路ZVS的方法，包括：

对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，使所述单管感应加热自激振荡电路在开通点增加固定延迟时间；

当所述延迟时间满足第一预设条件时，根据所述第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使所述延迟时间满足第二预设条件，其中，所述第一预设条件包括第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m；

根据所述第一阈值时间Δt和所述第二阈值时间t_m获得最小极值Δt₀和最大极值t_m0；

根据所述最小极值Δt₀和所述最大极值t_m0，使所述延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而使所述单管感应加热自激振荡电路在零点电压开通。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一预设条件为所述延迟时间大于所述第一阈值时间Δt，所述第二预设条件为所述延迟时间小于所述第二阈值时间t_m，所述当所述延迟时间满足第一预设条件时，根据所述第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使所述延迟时间满足第二预设条件包括：

当所述延迟时间大于所述第一阈值时间Δt时，根据所述延迟时间大于所述第一阈值时间Δt和所述IGBT的开通条件，使所述延迟时间小于所述第二阈值时间t_m；

其中，所述第一阈值时间Δt在第一时间段根据特定相位和角频率ω获取，所述第二阈值时间t_m在所述第一时间段根据第二时刻感应电流i_L(t₂)获取。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第三预设条件为所述延迟时间不小于所述最小极值Δt₀且不大于所述最大极值t_m0，所述根据所述最小极值Δt₀和所述最大极值t_m0，使所述延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而实现电路在零点电压开通包括：

根据所述最小极值Δt₀和所述最大极值t_m0，使所述延迟时间不小于所述最小极值Δt₀且不大于所述最大极值t_m0，从而使所述电路在所述零点电压开通。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第一阈值时间Δt在第一时间段根据特定相位和角频率ω获取包括：

对第一时刻电感电流i_L(t₅)进行分析，得到所述第一时刻电感电流i_L(t₅)与峰值电流I_pk成第一正比例关系；

通过对所述单管感应加热主电路进行分析，获得所述第一时间段内的特定相位

根据所述第一正比例关系和所述特定相位得到所述第一阈值时间Δt，其中，所述第一阈值时间Δt与所述峰值电流I_pk成反比例关系。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述通过对所述单管感应加热主电路进行分析，获得所述第一时间段内的特定相位包括：

根据下式计算所述特定相位：

其中，为所述特定相位，C₁为谐振电容，U为直流电压，I为电感电流，ω为所述角频率。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第一阈值时间Δt包括：

其中，Δt为所述第一阈值时间，为所述特定相位，ω为所述角频率。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述第二阈值时间t_m在所述第一时间段根据第二时刻感应电流I₁获取包括：

获取第二时刻电感电流I₁；

根据所述第二时刻电感电流I₁在实现电路ZVS的条件下，获得所述第二阈值时间t_m；

对所述第二阈值时间t_m进行求导和缩放，获得所述第二阈值时间t_m与所述峰值电流I_pk成第二正比例关系。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述实现电路ZVS的条件包括：

I²＞C_IU²/L₁

其中，I为所述电感电流，C₁为谐振电容，U为直流电压，L₁为电感。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述根据所述第二时刻电感电流I₁在实现电路ZVS的条件下，获得所述第二阈值时间t_m包括：

其中，t_m为所述第二阈值时间，C₁为所述谐振电容，U为所述直流电压，L₁为所述电感，ω为角频率，I为所述电感电流。

第二方面，本发明实施例还提供一种基于延迟时间以实现电路ZVS的系统，包括：

延迟时间增加器，用于对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，使所述单管感应加热自激振荡电路在开通点增加固定延迟时间；

阈值时间获取器，用于当所述延迟时间满足第一预设条件时，根据所述第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使所述延迟时间满足第二预设条件，其中，所述第一预设条件包括第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m；

极值获取器，用于根据所述第一阈值时间Δt和所述第二阈值时间t_m获得最小极值Δt₀和最大极值t_m0；

ZVS实现器，用于根据所述最小极值Δt₀和所述最大极值t_m0，使所述延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而使所述单管感应加热自激振荡电路在零点电压开通。

本发明提供的基于延迟时间以实现电路ZVS的方法及系统，包括：对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，使单管感应加热自激振荡电路在开通点增加延迟时间，当延迟时间满足第一预设条件时，根据第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使延迟时间满足第二预设条件，其中，第一预设条件包括第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m；根据第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m获得最小极值Δt₀和最大极值t_m0；根据最小极值Δt₀和最大极值t_m0，使延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而使单管感应加热自激振荡电路在零点电压开通。本发明能够增加单管感应加热自激振荡电路的ZVS实现范围，降低成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术所提供的单管感应加热自激振荡电路的电路图；

图2为现有技术所提供的单管感应加热主电路的电路图；

图3为本发明实施例一提供的基于延迟时间以实现电路ZVS的方法流程图；

图4为本发明实施例一提供的获取第一阈值时间的方法流程图；

图5为本发明实施例一提供的获取第二阈值时间的方法流程图；

图6为本发明实施例二提供的基于延迟时间以实现电路ZVS的系统示意图。

图标：100-延迟时间增加器；200-阈值时间获取器；300-极值获取器；400-ZVS实现器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前通过对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，参照图2，单管感应加热主电路中绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极连接来自驱动的脉冲信号(PWM_FROM_DRIVER)，可以得到在一个工作周期内，单管感应加热主电路的工作状态可分为3个阶段：第一阶段为[0,t₁]电感充电阶段、第二阶段[t₁,t₂]谐振阶段和第三阶段[t₂,t₃]电感放电阶段。其中在在第三阶段时，单管感应加热主电路可以实现零电压开通，即在二极管开通期间，使得IGBT导通。对三个工作状态下的单管感应加热自激振荡电路进行分析，在一个周期内有两个时刻满足电感电压与直流电压相等的情况，即u_CE(t)＝U，可以设这两个时刻为t₄和t₅，且t₄＜t₅。

一般地有，当此时，比较器U1A输出高电平，节点4的电压为u₄＝4V，节点3的电压为u₃＝3.3V。当时，比较器U1A输出低电平，则u₃＝0V，u₄＝0.7V。由控制器产生的PWM信号在节点5形成了一个稳定的电平u₅，此时有u₅>u₄，则U1B输出高电平，该信号输入到驱动芯片，从而IGBT导通。+15V电压通过R7给电容C2充电，u₄的电位上升，当u₅<u₄时，比较器U1B输出低电平，IGBT关断，电容电感进入自由谐振阶段。当u_CE(t)＝U时，比较器U1A输出高阻态，由于二极管D1的钳位，u₄＝4V，电容C2放电，直至u₃＝3.3V，如此周而复始。

从以上分析发现，通过该单管感应加热自激振荡电路，使得IGBT的源极和漏极之间的电压u_CE(t)＝U时就开通了，从而IGBT无法零电压开通。接下来通过实施例一介绍，如果单管感应加热自激振荡电路在开通点增加一定的延迟，将会使得单管感应加热主电路零电压开通这一特性得以实现。

实施例一：

图3为本发明实施例一提供的基于延迟时间以实现电路ZVS的方法流程图。

参照图3，基于延迟时间以实现电路ZVS的方法包括：

步骤S110，对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，使单管感应加热自激振荡电路在开通点增加延迟时间；

具体的，通过以上分析可知，增加固定的延迟时间可以实现全范围负载ZVS。

步骤S120，当延迟时间满足第一预设条件时，根据第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使延迟时间满足第二预设条件，其中，第一预设条件包括第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m；

具体的，第一预设条件为延迟时间大于第一阈值时间，如公式(1)所示：

t_d≥Δt＝t₂-t₅ (1)

其中，t_d为延迟时间，Δt为第一阈值时间，t₂为谐振阶段与电感放电阶段的交界时刻，t₅为满足电感电压与直流电压相等的时刻。

第二预设条件为延迟时间小于第二阈值时间，如公式(2)所示：

t_d≤t_m＝Δt+t_don (2)

其中，t_m为第二阈值时间，t_don为二极管导通时间。

步骤S130，根据第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m获得最小极值Δt₀和最大极值t_m0；

步骤S140，根据最小极值Δt₀和最大极值t_m0，使延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而使单管感应加热自激振荡电路在零点电压开通。

具体的，第三预设条件为延迟时间不小于最小极值Δt₀且不大于最大极值t_m0，如公式(3)所示：

Δt₀≤t_d≤t_m0 (3)

根据本发明实施例，参照图4，获取第一阈值时间Δt的方法包括：

步骤S210，对第一时刻电感电流i_L(t₅)进行分析，得到第一时刻电感电流i_L(t₅)与峰值电流I_pk成第一正比例关系；

步骤S220，通过对单管感应加热主电路进行分析，获得第一时间段内的特定相位

步骤S230，根据第一正比例关系和特定相位得到第一阈值时间Δt，其中，第一阈值时间Δt与峰值电流I_pk成反比例关系。

具体的，选取满足电感电压与直流电压相等的时刻，即当t＝t₅时，有第一时刻电感电流，如公式(4)所示：：

其中，i_L(t₅)为第一时刻电感电流，ω₀为初角频率，如公式(5)所示：

δ为衰减系数，如公式(6)所示：

ω为角频率，如公式(7)所示：

β为初相位，如公式(8)所示：

为相位，如公式(9)所示：

A为系数，如公式(10)所示：

还可以根据以上内容得到峰值电流，如公式(11)所示：

I_pk为峰值电流，如公式(9)所示：

可以判别出I_pk越大I越大，第一时刻电感电流i_L(t₅)与峰值电流I_pk成第一正比例关系。一般的，等效电阻R1比较小，从而衰减系数δ也比较小，在考虑时可以忽略电阻R1的影响，在第一时间段[t₅,t₂]对应的特定相位如公式(12)所示：

其中，为特定相位，C₁为谐振电容，U为直流电压，I为电感电流，ω为角频率。

则有第一阈值时间Δt，如公式(13)所示：

其中，Δt为第一阈值时间，为特定相位，ω为角频率。

可以看出，Δt是随I_pk的增加而减小的。即I_pk越小，为了实现ZVS所需的最小延迟时间就越长。因此，若给定一个大于最小I_pk对应的所需延迟时间的延迟时间，就可以使得IGBT在其反并联二极管导通之后才开始导通。但这并不意味着一定能实现零电压开通，如果延迟时间太长，将有可能导致IGBT在其反并联二极管已经截止了才开通，这将使单管感应加热主电路重新开始自由振荡，从而失去了ZVS。因此，必须确保延迟时间t_d＜t_m＝Δt+t_don,其中t_don是二极管导通时间。

根据本发明实施例，参照图5，获取第二阈值时间t_m的方法包括：

步骤S310，获取第二时刻电感电流I₁；

步骤S320，根据第二时刻电感电流I₁在实现电路ZVS的条件下，获得第二阈值时间t_m；

步骤S330，对第二阈值时间t_m进行求导和缩放，获得第二阈值时间t_m与峰值电流I_pk成第二正比例关系。

具体的，第二时刻电感电流如公示(14)所示：

从时刻t₅到时刻t₂由能量守恒可得：

由公式(8)可知，为了能实现ZVS必须满足：

I²＞C₁U²/L₁ (15)

则根据第二时刻电感电流I₁在实现电路ZVS的条件下，获得第二阈值时间t_m，如公式(16)所示：

其中，t_m为第二阈值时间，C₁为谐振电容，U为直流电压，L₁为电感，ω为角频率，I为电感电流。

对公式(16)进行求导得，

对公式(17)进行缩放有，

即有t_m随I的增加而增加，因此t_m随I_pk的增加而增加。

设定最小的峰值电流I_pk，根据第一阈值时间Δt与峰值电流I_pk成反比例关系，获得最大的第一阈值时间，也就是延迟时间t_d的最小极值Δt₀；根据第二阈值时间t_m与所述峰值电流I_pk成第二正比例关系，获得最小的第二阈值时间，也就是延迟时间t_d的最大极值t_m0。设最小的峰值电流I_pk对应的Δt和t_m分别为Δt₀和t_m0，若给定固定的延迟时间，应满足公式(3)：

Δt₀≤t_d≤t_m0 (3)

则能确保IGBT在反并联二极管开通后再开通，同时又保证在二极管截止前导通，即实现了零电压开通。当峰值电流最小时，对应最小的I_pk，因此对于固定的延迟时间可由能实现ZVS的最小峰值电流对应的时间Δt₀和t_m0来确定。

本发明实施例提供的基于延迟时间以实现电路ZVS的方法，通过对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，使单管感应加热自激振荡电路在开通点增加延迟时间，当延迟时间满足第一预设条件时，根据第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使延迟时间满足第二预设条件，其中，第一预设条件包括第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m；根据第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m获得最小极值Δt₀和最大极值t_m0；根据最小极值Δt₀和最大极值t_m0，使延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而使单管感应加热自激振荡电路在零点电压开通。本发明增加了单管感应加热自激振荡电路的ZVS实现范围，降低了成本。

实施例二：

图6为本发明实施例二提供的基于延迟时间以实现电路ZVS的系统示意图。

参照图6，基于延迟时间以实现电路ZVS的系统包括：

延迟时间增加器100，用于对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，使单管感应加热自激振荡电路在开通点增加固定延迟时间；

阈值时间获取器200，用于当延迟时间满足第一预设条件时，根据第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使延迟时间满足第二预设条件，其中，第一预设条件包括第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m；

极值获取器300，用于根据第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m获得最小极值Δt₀和最大极值t_m0；

ZVS实现器400，用于根据最小极值Δt₀和最大极值t_m0，使延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而使单管感应加热自激振荡电路在零点电压开通。

本发明实施例提供的基于延迟时间以实现电路ZVS的系统，包括延迟时间增加器、阈值时间获取器、极值获取器和ZVS实现器，通过对单管感应加热主电路和单管感应加热自激振荡电路进行分析，使单管感应加热自激振荡电路在开通点增加延迟时间，当延迟时间满足第一预设条件时，根据第一预设条件和绝缘栅双极型晶体管IGBT的开通条件，使延迟时间满足第二预设条件，其中，第一预设条件包括第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m；根据第一阈值时间Δt和第二阈值时间t_m获得最小极值Δt₀和最大极值t_m0；根据最小极值Δt₀和最大极值t_m0，使延迟时间在全范围满足第三预设条件，从而使单管感应加热自激振荡电路在零点电压开通。本发明增加了单管感应加热自激振荡电路的ZVS实现范围，降低了成本。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。