姜红星，樊春玲

(青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266100)

0 引言

感应加热以其清洁、可靠等优点，在工业和民用领域得到了广泛的应用。在民用领域，其常见的应用是电磁炉。和普通炉具相比，电磁炉以其加热速度快、节能环保、安全性高等优点，越来越受到人们的青睐。随着电磁加热技术的普及，电磁加热技术越来越多地取代传统的热板加热。长期以来，单管感应加热[1-2]是电磁加热的常用拓扑结构之一。其控制方式相对简单，控制器只需给出一定占空比的脉冲，就能使电路振荡工作。其缺点是不能保证开关管绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在零电压下导通(zero voltage switch,ZVS)[3]，从而造成电容脉冲爬升率大、IGBT损耗增加等缺陷[4]。为克服这一问题，在有些应用中，采用软件同步代替该振荡电路[5]，但这种方式会占用更多的处理器资源，并且存在因处理器跑飞而导致IGBT烧毁等问题。因此，本文基于Middleby公司某保温桶项目开发需求，为了降低IGBT损耗、产生15 kHz稳定脉冲，同时简化电路、降低成本，在传统模拟电路的基础上，设计了性能稳定的对称多谐自激振荡电路。

1 振荡原理及分析

振荡电路是指在输入端没有附加的输入信号，仅通过电路的自激振荡输出正弦波电压的电路。振荡电路如图1所示。

图1 振荡电路图

(1)

则可在闭环电路输出端得到持续稳定的正弦波。由式(1)可得：

(2)

幅度平衡条件为：

|AF|=1

(3)

相位平衡条件为：

φA+φf=2nπ

(4)

在实际应用中，正弦波振荡电路的初始信号往往是由电路内部噪声和瞬态过程的扰动引起的。这些噪声和扰动具有很宽的频谱，但幅度很小。为了获得稳定的正弦信号，必须使用频率选择链路，从噪声或扰动信号中选择期望频率的分量，使其满足相位平衡条件，而其他频率分量不满足相位平衡条件。为了能使振荡从小到大，要求满足以下条件：

|AF|≫1

(5)

式(5)为正弦波振荡产生的起振条件。

从式(5)可以看出， 在建立起振荡之后，信号从小到大增长，并且不能得到一个稳定的正弦波。实际上，信号的幅度最终受到放大电路非线性的限制。当幅度逐渐增大时，|A|将逐渐减小，最终|AF|=1，从而达到幅度平衡条件，使正弦波振荡稳定。

2 对称多谐自激振荡电路方案设计

振荡电路通常根据选频网络中使用的元件来命名的，例如RC振荡电路、LC振荡电路和石英晶体振荡电路。RC振荡电路的特点是振荡频率低于 1 MHz，LC振荡电路的特点是振荡频率高于1 MHz，石英晶体振荡电路有时可以等效为LC振荡电路。该电路的特点是振荡频率非常稳定。

2.1 传统多谐振荡电路设计

传统的多谐振荡电路由两级反相放大器组成。两级反相放大器通过电阻电容耦合成正反馈回路。其工作过程类似于单稳态触发器电路，两者的区别在于多谐振荡器的两个状态都是准稳态，因此可以不停产生矩形波而不需要外加任何触发脉冲[6]。本设计基于集成电路，利用两个反相器来代替两级倒相放大器。所设计的传统多谐振荡电路如图2所示。

图2 传统多谐振荡电路

假设上电后，由于某种原因，U1的输入端有轻微的负跳变，使U1输出端变为高电平，U2输出端跳变到低电平，电路进入第一暂稳态。此后U2两端存在电位差，由于R3的存在，逐渐将电位差释放，从而使U2的输入变为0，输出跳变为1。之后再通过C4，R4到达U1的输入，使U1的输出变为0，U1两端电位差被R1逐步释放至0后重新反转，从而构成循环，产生自谐振[7]。

将设计的传统多谐振荡电路用Multisim软件进行仿真，仿真接线图如图3所示。仿真波形如图4所示。

图3 传统多谐振荡电路仿真接线图

图4 仿真波形图

从图4可以看出，仿真波形图为两个互补的方波信号。而在实际测试中，由于两个电容器交替的充放电产生了电路中的两个暂态，因此从实际效果图中得出的波形图下降沿是坡度下降的。但作为基本的多谐振荡电路，频率稳定性很差。因此，在传统多谐振荡电路的基础上，设计了一种对称自激多谐振荡电路。

2.2 对称多谐自激振荡电路设计

通过对传统多谐振荡电路的整形和隔离，增加了兼有延时功能的反馈网络，获得了更加稳定的频率。同时，输出端放置带有加速电容的反相器，有利于提升整个电路的带载能力[8-9]。本文设计的对称自激多谐振荡器单边电路如图5所示。

图5 对称自激多谐振荡单边电路

图5中：D1、D2保证了信号的单向性；D3提供了稳定电压；Q1与Q2组成推挽电路，同时选择带有加速电容的反相器，保证了输出频率的稳定性[10-11]。

将图5构建的优化方案的电路原理图在Multisim软件中进行接线仿真，同时对根据电路图完成的样板输出进行检测。对称自激多谐振荡单边电路仿真接线图如图6所示。

图6 对称自激多谐振荡单边电路仿真接线图

对称多谐振荡电路仿真波形如图7所示。

图7 对称多谐振荡电路仿真波形图

从图7可以看出，仿真接线图输出信号频率达到15 kHz，输出信号稳定，与样板所测得的波形图频率一致。由此可见，优化方案的电路能够满足工程需要的频率及稳定性要求，同时达到了节约成本的目的。

3 结束语

自激多谐振荡器是一种性能优越的脉冲信号源，广泛,应用于多种电路中。本文针对Middleby公司商用电磁保温项目的脉冲信号设计要求，分析了传统的多谐自激振荡电路的优缺点。分析表明，传统电路无法应用于此项目中的结论。根据项目要求，在传统多谐自激振荡电路的基础上，设计了性能更加稳定的对

称多谐自激振荡电路。通过电路模拟仿真以及示波器对样板进行实测，验证了该电路方案结构简单，经济且稳定性高、带载能力强，能够符合项目要求，为以后的项目推进提供了有效方案。