[發明專利]一種基于雙E類結構的大功率高頻逆變器控制方法

在審

• 申請號: 202011503801.1
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112653344A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 王友情;鄭正奇;張海燕;趙昆;余超;趙智超
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H02M7/48
• 分類號: H02M7/48
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種基于雙E類結構的大功率高頻逆變器控制方法，其特點是采用控制器或計時器對逆變器輸出的電壓波形進行比較，當諧振參數發生變化時，實時進行工作頻率的校正，以維持逆變器始終工作在最佳狀態，系統的頻率跟蹤和控制具體包括：逆變器低電壓啟動、電壓信號的采樣、將記錄的時間增加安全延遲更新上一個周期和判斷更新后的周期是否在允許的誤差范圍內，是則作為實際輸出并控制電壓升高，否則停機等步驟。本發明與現有技術相比具有維持逆變器始終工作在最佳狀態，確保頻率能跟蹤到實際的頻率不出現過早導通的情況，器件將一直處于軟開關的狀態控制簡單、效率高、成本低廉且安全可靠。

技術領域

本發明涉及到高頻逆變器技術領域，尤其是一種可應用在無線電能傳輸、高頻加熱的雙E類結構的大功率高頻逆變器控制方法。

背景技術

開關電源的發展已經進入到一個比較成熟的階段，未來電源變換設備將向著更高頻率面和更高功率密度的方向發展。傳統的大功率電源由于受到器件的制約，大部分頻率都在十幾KHz到兩三百KHz之間。隨著SiC和GaN器件應用，器件的性能有了較大的改善，使得電源的工作頻率、功率密度、變換效率都有了大幅的提升。

高頻逆變的應用場景有很多，無線電能傳輸技術是其中之一，無線電能傳輸可以在避免物理導線接觸處的情況下將能量傳輸到負載端，在未來移動用電設備中有著廣泛的應用，尤其是手機、機器人，電動汽車等行業。無線電能傳輸要求發射端和接收端的諧振頻率完全一致才能達到最好的效果。而實際應用中，由于環境溫度變化造成的熱脹冷縮引起線圈尺寸的變化，或者由于器件老化帶來的阻容變化等等都將引起系統參數的細微變化。導致系統傳輸效率下降。此時需要控制系統的逆變頻率跟隨著實際的頻率偏移而變化，以保證傳輸的穩定性。另外高頻逆變器還能用于感應加熱行業，感應加熱的原理是利用高頻線圈環繞在金屬導體表面，通過高頻電磁場在金屬表面產生的渦流來達到加熱金屬的目的，由于線圈中間的被加熱物體是金屬，其磁導率較高且溫度的變化較大，加熱過程中線圈電感變化較大，諧振頻率也會發生較大的偏移，同樣需要實時調整頻率。

目前，高頻逆變器設計主要存在著如下四個方面的挑戰：

1)由于器件開關過程中并非瞬間完成，當頻率升高后，電壓和電流的上升和下降過程出現重合，開關器件損耗將會隨著頻率成倍增加。

2)頻率越高則周期越短，這使得控制系統的設計變得十分困難。以1MHz的頻率為例，控制器需要在1us內完成程序的采樣、計數、計算等功能，對于控制芯片來說，在這么短的時間內完成如此多的指令是具有很大的挑戰的。而且驅動電路還存在一定的延遲以及死區還得占用部分時間，常規的控制芯片已經無法達到標準的要求，雖然現在GHz級別的芯片已經比較普遍，但其造價昂貴，成本較高且不利于維護。

3)由于系統導線存在一定的長度，運行頻率升高后導線的分布式參數也將對系統產生較大的影響，傳統只考慮集總參數系統的設計方案將不再適用。

4)高頻化后，電壓和電流的變換速度快，其產生的電磁兼容問題也將是電源設計需要關注的問題之一。

解決上述四種關鍵問題，首先是軟開關技術，軟開關技術是控制開關管在零電壓和零電流的時間開通或者關斷，以達到降低開關損耗的目的。其次，是優化控制方案，以減少對CPU的要求。然后是電路設計時需要考慮到高頻帶來的負面影響，最后是電磁兼容設計，需要增加一定的屏蔽措施。傳統的高頻逆變電源的主要拓撲結構有全橋逆變、半橋逆變、以及各類功放電路。對于功率較大的場合一般都采用橋式逆變電路進行設計，橋式逆變電路可通過的功率較高，理論相對成熟，但應用的頻率都較低，控制也較為復雜。隨著頻率的升高，控制方案出現了一定的局限性，近年來雙E類逆變結構拓撲因為具有控制簡單、效率高等優勢而備受關注。

由于雙E類逆變器工作在諧振狀態，其對回路的諧振參數要求極高，負載阻抗也是系統的諧振參數之一，其諧振頻率可按下述a式計算：