CN102969928B - 谐振型变流器的输出功率调节方法 - Google Patents

Abstract

谐振型变流器的输出功率调节方法。所述的方法根据谐振型变流器输出功率的要求，在逆变器输出电压的基波有效值小于或等于k次谐波有效值的最大值时，选择满足要求的最大的k值，令开关频率降低为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态，控制输出电压的占空比来调节k次谐波的有效值进而调节输出功率，利用逆变器输出电压的谐波成分传递功率，k为正奇数。本发明无需改变硬件电路，比通常的谐振型变流器具有更宽的功率调节范围，开关损耗更小，电磁干扰更低。

Description

谐振型变流器的输出功率调节方法

技术领域

本发明涉及一种谐振型变流器输出功率的调节方法。

背景技术

谐振型逆变器是谐振型变流器的核心组成部分。谐振型逆变器依靠电感和电容谐振使开关器件容易工作在软开关条件，其中全桥移相谐振型逆变器在大功率领域得到了广泛应用，通过在移相全桥变换器中引入谐振电感、谐振电容和死区时间，使开关器件实现了零电压开通，在负载较重时具有较好的调节效果。但在需要输出功率较小的轻负载工况下，由于移相角很大，较难实现零电压开通，开关损耗较大，致使谐振型逆变器在负载变化范围宽和电源电压波动范围较大的场合性能受到很大影响。

专利201110078847.8公布了一种降低移相全桥变换器开关损耗的方法及装置，通过提供最佳死区时间，把开关损耗降低到最低，扩大软开关频率范围，然而在轻载时的损耗仍较大。

专利200610061264.3公布了一种移相全桥电路的控制方法，使电路在不同负载下通过驱动电路调节逆变器的开关频率或使驱动电路间歇工作，来降低轻载时的开关损耗。虽然降低了损耗，但是没有指出如何调节频率，同时由于电路间歇工作，负载电压波动很大。

现有移相谐振逆变器控制方法存在的问题是：(1)在轻载时，移相角很大，很难实现软开关，开关损耗高；(2)在轻载时，若使驱动电路间隙工作，会使得负载电压波动加大；(3)轻载时，逆变器输出电压中谐波含量大于基波含量，谐振电流中谐波含量大。

发明内容

本发明的目的是解决现有高频谐振型逆变器在轻载时损耗高、负载电压波动大、谐波含量多的问题，提出一种采用谐波移相的脉宽调制方法，在轻载时，降低逆变器输出电压的基波频率，控制逆变器输出电压中的谐波成分工作在谐振状态来传递功率，通过控制谐波有效值调节输出功率。本发明特别适用于无线电能传输领域的高频谐振逆变电路。

典型谐振型逆变器输出电压频率和逆变器开关频率相同，逆变器输出电压中有丰富的谐波，且随着逆变器输出电压脉宽和频率的减小，谐波含量占的比重显著增大。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

本发明不改变已有主电路拓扑结构，采用一种功率调节方法，根据输出功率的大小，令谐振型逆变器输出电压中不同谐波分别工作在谐振状态，控制该谐波的有效值来调节输出功率。

输出功率调节步骤如下：

1)首先，根据给定的谐振型逆变器输出功率，得到谐振型逆变器输出电压基波工作在谐振状态时输出电压中基波及各次谐波有效值的标幺值G_k，k＝1，3，5，7…，所述的标幺值以谐振型逆变器输出电压波形50％占空比情况下的基波有效值为参考值，G_k最大值为1/k；k为正奇数；

2)当G₁≤1/k时，k＝1，3，5，7…，找出满足要求的最大的k值，控制谐振型逆变器开关频率为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态。对于全桥移相式谐振型逆变器，通过调节变流器对角线开关器件驱动脉冲的移相角来调节输出功率，在开关频率为谐振频率时，若移相角大于参考移相角(k＝1，3，5，7…)，则将开关频率变为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态；对于半桥式谐振型逆变器，通过调节变流器开关器件驱动脉冲的占空比来调节输出功率，在开关频率为谐振频率时，若占空比小于参考占空比(k＝1，3，5，7…)，则将开关频率变为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态；

3)在k次谐波工作在谐振状态时，若G_k≤1/(k+2)时，k＝1，3，5，7…，使开关频率降低为谐振频率的1/(k+2)，使(k+2)次谐波工作在谐振状态。对于全桥移相式谐振型逆变器，k次谐波工作在谐振状态时的参考移相角范围为(k＝1，3，5，7…)；对于半桥式谐振型逆变器，k次谐波工作在谐振状态时的参考占空比范围为(k＝1，3，5，7…)。

谐振型逆变器具有死区时间，对于全桥移相式谐振型逆变器，该死区时间等效为一定的移相角，所述的k次谐波的参考移相角应减去死区时间等效移相角；对于半桥式谐振型逆变器，该死区时间等效为开关器件驱动脉冲的占空比，所述的k次谐波的参考占空比应减去死区时间等效占空比；

本发明所述的功率调节方法是通过降低谐振型逆变器的开关频率，使谐振型逆变器的输出电压波形中k次谐波工作在谐振状态，即让k次谐波频率约等于谐振频率，通过控制谐振型逆变器输出电压波形的占空比来调节谐振型逆变器输出电压波形的谐波有效值，实现输出功率的调节。

与已有方法相比，本发明的功率调节方法具有以下特点：

1、可显著降低逆变器开关频率，即开关频率仅为原来的1/k，开关损耗大大降低；

2、采用谐波传递功率，同样输出功率下，移相角度范围或者占空比调节范围更大，功率调节精度更高；

3、采用谐波传递功率，其移相角更小，更容易工作在软开关状态，损耗更少；

4、采用谐波传递功率，其各次谐波分量频率也显著降低，电磁干扰减小；

5、驱动脉冲连续，负载电压波动小。

本发明可应用于各种电能无线传输、感应加热及其他可能的高频电能变换领域。

附图说明

图1是全桥移相式谐振型变流器拓扑框图；

图2是半桥式谐振型变流器拓扑框图；

图3是全桥移相式谐振型逆变器输出电压在不同移相角下的谐波含量分布图；

图4是全桥移相式谐振型变流器功率调节方法流程图；

图5是三次谐波工作在谐振状态时移相1.9度时逆变器输出电压和输出电流实验波形；

图中，1直流电源，2谐振型逆变器，3逆变器输出量传感器，4谐振电容，5电感，6负载输入量传感器，7负载，8驱动电路，9频率和相位检测模块，10主控制器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例一为全桥移相式谐振型逆变器结构。

图1所示为全桥移相式谐振型变流器拓扑框图，其基本组成和连接方式如下。

全桥移相式谐振型逆变器包括：直流电源1，谐振型逆变器2，逆变器输出量传感器3，谐振电容4，电感5，负载输入量传感器6，负载7，驱动电路8，频率和相位检测模块9，主控制器等10。

直流电源1的正负端分别连接到谐振逆变器2的直流输入端；谐振逆变器2输出高频电压，谐振逆变器2经串联或者并联同谐振电容4的两个端子相连；谐振电容4的两个端子同电感5串联或者并联连接，电感5的两个端子同负载7相连。在谐振型逆变器2的输出端和谐振电容4之间设有逆变器输出量传感器3，逆变器输出量传感器3包括电压传感器和电流传感器，分别检测逆变器2的输出电压和输出电流。逆变器输出量传感器3检测到的逆变器输出电压和电流信号发送给频率和相位检测模块9，频率和相位检测模块9将得到的逆变器输出电流的频率信号以及逆变器输出电压和逆变器输出电流之间的相位差信号发送给主控制器10。逆变器输出量传感器3检测到的所有信号都发送给主控制器10。在电感5和负载7之间有负载输入量传感器6，包括电压传感器和电流传感器，分别将检测到的负载7输出电压和输出电流信号发送给主控制器10。主控器10发出逆变器驱动脉冲信号给驱动电路8，驱动电路8连接到逆变器各个开关器件的驱动接线端。

所述的直流电源1可以是交流电源经整流后得到的直流源，也可以是蓄电池或者电容器等直流源。直流电源可以是电压源，也可以是电流源，分别对应电压型逆变器和电流型逆变器，以下以电压型逆变器为例说明所述的谐振型逆变器2的结构。

所述的谐振型逆变器2为全桥拓扑结构，每套逆变单元内的各个开关组可以为单个器件，也可以为多个器件的串联或者并联构成。逆变器倍频电路中的功率器件可以为MOSFET、IGBT、IGCT等全控型器件，器件可以自带反并联的续流二极管，也可以另加反并联的续流二极管。

所述的逆变器输出量传感器3包括逆变器输出电压传感器和逆变器2输出电流传感器。逆变器输出电压传感器连接到逆变器2的两个输出端子上；逆变器输出电流传感器串接入逆变器的一个输出线上。

所述的谐振电容4可以是单个或者多个电容组成；谐振电容4可以和电感5串联、并联或者进行串并联连接。

所述的电感5可以是单个电感，也可以是变压器的漏感，也可以其他电路结构的等效电感。

所述的负载输入量传感器6包括负载输出电压传感器和负载输出电流传感器。负载输出电压传感器连接到谐振型逆变器2的两个输出端子上；负载输出电流传感器串接入负载的一个输入线上。

所述的负载7可以是实际负载，也可以经过其它电路结构的等效负载。

所述的驱动电路8将主控制器10发出的驱动脉冲信号经过处理后，驱动电路的输出连接到逆变器倍频电路的各个开关器件驱动接线端，驱动逆变器倍频电路的各个开关器件。

所述的频率和相位检测模块9根据逆变器输出量传感器3获得的逆变器输出电压和输出电流，计算出逆变器输出电流的频率以及逆变器输出电压和输出电流的相位差并发送给主控制器10，以实现所述的频率和相位差的闭环控制。

所述的主控制器10，根据负载输入量传感器6和逆变器输出量传感器3发来的信号，计算当前的输出功率，调节谐振型逆变器的移相角。然后对移相角和开关频率进行判断，如果不合理则更改开关频率并计算同样输出功率下所需的移相角，经过死区控制，形成驱动脉冲信号，发送给驱动电路8。

全桥移相式谐振型逆变器输出功率调节方法步骤如下：

1）首先，根据给定的谐振型逆变器输出功率，得到谐振型逆变器输出电压基波成分工作在谐振状态时的输出电压中基波及各次谐波有效值的标幺值G_k，k＝1,3,5,7…，所述的标幺值以谐振型逆变器输出电压波形50%占空比情况下的基波有效值为参考值，G_k最大值为1/k。G_k定义为(k=1,3,5,7...)其中，U_pk为k次谐波电压有效值，U_dc是直流输入侧电压，α为移相角，不同移相角α下的G_k分布如图3所示，因篇幅所限图3中仅显示到9次谐波，其中，“1次”所示的为谐振型逆变器输出电压基波成分有效值的标幺值随移相角的变化，“3次”、“5次”、“7次”和“9次”所示的分别为谐振型逆变器输出电压的3次谐波成分、5次谐波成分、7次谐波成分和9次谐波成分有效值的标幺值随移相角的变化。

2）当G₁≤1/k时，k＝1,3,5,7…，找出满足要求的最大的k值，控制谐振型逆变器开关频率为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态，调节变流器对角线开关器件驱动脉冲的移相角就可以调节输出功率，在开关频率为谐振频率时，若移相角大于参考移相角(k=1,3,5,7...)，则将开关频率变为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态。

3）在k次谐波工作在谐振状态时，若G_k≤1/(k+2)时，使开关频率降低为谐振频率的1/(k+2)，使(k+2)次谐波工作在谐振状态，控制移相角调节输出功率，k次谐波工作在谐振状态时的参考移相角范围为(k=1,3,5,7...)。

实施例二：半桥谐振型变流器拓扑结构。

图2所示为半桥式谐振型变流器拓扑框图，与实施例一不同之处在于：（1）实施例二的谐振型逆变器2为半桥式谐振型逆变器；（2）半桥式谐振型逆变器通过调节开关器件驱动脉冲的占空比来调节输出功率，而实施例一是通过调节谐振型逆变器的移相角来调节输出功率。

半桥式谐振型逆变器输出功率调节方法步骤如下：

1）首先，根据给定的谐振型逆变器输出功率，得到谐振型逆变器输出电压基波成分工作在谐振状态时的输出电压中基波及各次谐波有效值的标幺值G_k，k＝1,3,5,7…，所述的标幺值以谐振型逆变器输出电压波形50%占空比情况下的基波有效值为参考值，G_k最大值为1/k。

2）当G₁≤1/k时，k＝1,3,5,7…，找出满足要求的最大的k值，控制谐振型逆变器开关频率为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态，调节变流器开关器件驱动脉冲占空比就可以调节输出功率，在开关频率为谐振频率时，若占空比小于参考占空比(k=1,3,5,7...)，则将开关频率变为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态。

3）在k次谐波工作在谐振状态时，若G_k≤1/(k+2)时，使开关频率降低为谐振频率的1/(k+2)，使(k+2)次谐波工作在谐振状态，调节开关器件驱动脉冲占空比就可以调节输出功率，k次谐波工作在谐振状态时的参考占空比范围为(k=1,3,5,7...)。

为了说明本发明输出功率调节过程，给出了图4所示的全桥移相谐振型逆变器功率调节方法流程图，半桥式谐振型逆变器功率调节方法流程和图4类同，这里不再给出。

如图4所示，首先确定需要的逆变器输出功率，计算谐振型逆变器输出电压基波工作在谐振状态时所需移相角，如果该移相角下基波幅值大于k次谐波有效值的最大值，则形成经死区控制的移相脉冲信号；如果该移相角下基波幅值小于或等于k次谐波有效值的最大值，计算并调节开关频率和移相角，形成经死区控制的移相脉冲信号，最后经驱动电路输出。

图5为本发明中全桥移相式谐振型变流器功率调节方法的实验波形，三次谐波移相1.9°时逆变器输出电压和输出电流波形(电压:125V/格，电流:34A/格)。

以上所述的参考移相角和参考占空比，根据实际情况可有一定变动范围。

Claims (4)

1.一种谐振型变流器的输出功率调节方法，其特征在于，所述的输出功率调节方法是通过降低谐振型逆变器的开关频率，使谐振型逆变器的输出电压波形中某次谐波工作在谐振状态，通过控制谐振型逆变器输出电压的占空比来调节谐振型逆变器输出电压的某次谐波有效值，实现输出功率的调节；

所述的输出功率调节步骤如下：

1)首先，根据给定的谐振型逆变器输出功率，得到谐振型逆变器输出电压基波工作在谐振状态时输出电压中基波及各次谐波有效值的标幺值G_k，k＝1,3,5,7…，所述的标幺值以谐振型逆变器输出电压波形50％占空比情况下的基波有效值为参考值，G_k最大值为1/k；k为正奇数；

2)当G₁≤1/k时，k＝1,3,5,7…，找出满足要求的最大的k值，控制谐振型逆变器开关频率为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态，通过控制谐振型逆变器输出电压的占空比来调节谐振型逆变器输出电压中k次谐波有效值，实现输出功率的调节；

3)在k次谐波工作在谐振状态时，若G_k≤1/(k+2)时，k＝1,3,5,7…，则控制开关频率降低为谐振频率的1/(k+2)，使(k+2)次谐波工作在谐振状态，通过控制谐振型逆变器输出电压的占空比来调节谐振型逆变器输出电压中(k+2)次谐波有效值，实现输出功率的调节。

2.根据权利要求1所述的谐振型变流器的输出功率调节方法，其特征在于，对于全桥移相式谐振型逆变器，通过调节变流器对角线开关器件驱动脉冲的移相角来调节输出功率；所述的输出功率调节步骤2)中，在开关频率为谐振频率时，若移相角大于参考移相角则将开关频率变为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态；所述的输出功率调节步骤3)中，k次谐波工作在谐振状态时的参考移相角范围为

3.根据权利要求1所述的谐振型变流器的输出功率调节方法，其特征在于，对于半桥式谐振型逆变器，通过调节变流器开关器件驱动脉冲的占空比来调节输出功率，所述的输出功率调节步骤2)中，在开关频率为谐振频率时，若占空比小于参考占空比则将开关频率变为谐振频率的1/k，使k次谐波工作在谐振状态；所述的输出功率调节步骤3)中，k次谐波工作在谐振状态时的参考占空比范围为 $\frac{1}{\mathrm{k\π}}\arccos \frac{k}{k+2}~\frac{1}{2}(k=\mathrm{1,3,5,7}...).$

4.根据权利要求1所述的谐振型变流器的输出功率调节方法，其特征在于，所述的谐振型逆变器具有死区时间，对于全桥移相式谐振型逆变器，该死区时间等效为一定的移相角，所述的k次谐波的参考移相角应减去死区时间等效移相角；对于半桥式谐振型逆变器，该死区时间等效为开关器件驱动脉冲的占空比，所述的k次谐波的参考占空比应减去死区时间等效占空比。