CN103337979A - 一种超高频MHz大功率变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超高频MHz大功率变换装置，其特征在于：所述装置是对电力电子拓扑结构进行组合，能将N个频率为f 的能量通过组合，得到频率为Nf且功率增大N倍的新能量。所述组合可以是单管正激式拓扑、单管反激式拓扑、全桥拓扑或半桥拓扑组合。所述能量可以采用单相输出或多相输出。所述能量可以是电流信号或电压信号。本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、输出的频率超高，适用于超高频大功率电力电子装置。

Description

一种超高频MHz大功率变换装置

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及超高频大功率变换装置。

背景技术

随着现代工业的高速发展，越来越多领域需要超高频大功率变换器，比如说高频感应加热系统、电磁共振式无线电能传输系统等。目前，国内外超高频（MHz）大功率变换器几乎还是空白，超高频大功率变换器主要采用软开关技术，但是超高频大功率变换器的功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求。所以，采用软开关技术是实现超高频大功率变换器的可靠性差，当系统对电力电子装置的频率有更高的要求时，即使是采用软开关技术也不能满足要求。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于超高频大功率能实现了频率与能量的同时增大的电力电子装置。

一种超高频MHz大功率变换装置，其特征在于：所述装置是对电力电子拓扑结构进行组合，能将N个频率为f的能量通过组合，得到频率为Nf且功率增大N倍的新能量。

假设（当）基波U₁₊为一个频率为f，电压幅值为V，占空比为D=1/2N的方波。把基波U₁₊的相位依次向后移动π/N，得到U₂₊，U₃₊，…. U_n+共N个正基波。然后把得到的U₁₊，U₂₊，U₃₊，…. U_n+共N个正基波取反，相位向后移动π/N，可得到U_1-，U_2-，U_3-，…. U_n-共N个负基波，最后，把N个正基波和N个负基波相组合。即得到了频率为Nf、电压幅值为V、D=0.5且功率增大N倍的方波，经过LC谐振腔后，电感L上的信号是正弦波。非常适合做电磁谐振式无线电能传输系统的发射电源。同样，当基波为电流信号时，也可以实现以上功能。

所述组合可以是单管正激式拓扑、单管反激式拓扑、全桥拓扑或半桥拓扑组合。

所述能量可以是电流信号或电压信号。

所述能量可以采用单相输出或多相输出。

本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、输出的频率超高，适用于超高频大功率电力电子装置。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是采用类单相全桥拓扑结构的频率与能量倍增技术总体结构图；

图2是采用类单相半桥拓扑结构的频率与能量倍增技术总体结构图；

图3是类单相半桥拓扑结构的频率与能量两倍增技术总体结构图；

图4是频率与能量两倍增技术的PWM驱动与输出电压波形；

图5频率与能量驱动四倍增技术的PWM驱动与输出电压波形；

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

本发明提供一种应用于超高频大功率场合的电力电子装置。它将N个频率为f 的能量进行有效的组合，可以得到一个新的能量，新能量的频率为Nf且功率增大N倍，实现了频率与能量的同时增大。

采用频率与能量倍增技术，现有的电力电子拓扑结构经过适当的组合（单管正激式拓扑、单管反激式拓扑、全桥拓扑、半桥拓扑等）都可以实现频率与能量增大。采用单相输出或多相输出都可以满足要求。

假设基波U₁₊为一个频率为f，电压幅值为V，占空比为D=1/2N的方波。把基波U₁₊的相位依次向后移动π/N，得到U₂₊，U₃₊，…. U_n+共N个正基波。然后把得到的U₁₊，U₂₊，U₃₊，…. U_n+共N个正基波取反，相位向后移动π/N，可得到U_1-，U_2-，U_3-，…. U_n-共N个负基波，最后，把N个正基波和N个负基波相组合。即得到了频率为Nf、电压幅值为V、D=0.5且功率增大N倍的方波，经过LC滤波后可得到标准的正弦波。同样，当基波为电流信号时，也可以实现以上功能。

图1是单相全桥拓扑结构的频率与能量倍增技术总体结构图，V_in是输入电压；S_ij±(1≤i≤n,1≤j≤n)是功率开关管模块单元，S_ij±可以是单个功率开关管，也可以是多个功率开关管的串并联组合；PWMij±(1≤i≤n,1≤j≤n)是各对应驱动功率开关管的驱动信号；z为负载。

假设PWM21+的频率为f，占空比为D=1/2N的驱动波形，以PWM21+为基准，将其相位依次向后移动π/N得到PWM2j-，PWM3j-的波形与PWM2j+各对应的波形相同。把PWM2j+相位再向后移动π/N得到PWM4j-，PWM1j+的波形与PWM4j-驱动波形相同。用PWMij±驱动对应的功率开关管就可以得到一个频率为Nf的能量信号。图2所示为单相半桥拓扑结构的频率与能量倍增技术总体结构图，同理，以PWM1+为基准，将其相位依次向后移动π/N，得到PWM2+，PWM3+，… ，PWMn+；将PWM1+，PWM2+，PWM3+，… ，PWMn+相位再向后移动π/N得到对应的PWM1-，PWM2-，PWM3-，… ，PWMn-。用PWMi±驱动对应的功率开关管就也可以得到一个频率为Nf的能量信号。

为方便说明，我们以单相半桥拓扑结构的频率与能量两倍增技术为例详细说明其技术原理。如图3所示，S₁₊，S₂₊，S_1-，S_2-是功率开关管；PWM1+，PWM2+，PWM1-，PWM2-为功率开关管对应的PWM驱动信号；图4给出了PWM1+，PWM2+，PWM1-，PWM2-的具体波形以及输出电压的波形，从图4可以看出，PWM1+，PWM2+相位上相差180°，PWM1-，PWM2-在相位上也相差180°，PWM1+与PWM1-在相位上相差90°，PWM2+与PWM2-在相位上也相差90°，此时，PWM驱动信号的频率为f=500×10³Hz、T=2us、占空比DT=0.5us，在任何时刻，只有一个功率开关管是开通的。最后得到的输出波形的频率是f＇=1×10⁶Hz的方波。经LC滤波后，可以得到标准的正弦波。正弦波的幅值由输入电压V_in决定。

使用DSP+CPLD架构，PWM信号可由DSP控制，控制信号通过数据总线传送给CPLD，CPLD完成逻辑运算后，发出多路PWM，经隔离驱动后送给对应的功率开关管。在线监测输出电压的频率等参数，改变PWM驱动信号的频率就可以改变输出电压的频率，进行达到变频控制。输出电压的幅值由输入电压V_in决定，适当的改变V_in就可以满足输出电压的要求，从而达到改变电压的要求，此系统可同时达到变频变压的要求。

在此说明了此发明的优选实施例，包括发明人用于实施本发明的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。发明人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且发明人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本发明。因此，本发明包括随附权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本发明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。

Claims (4)

1.一种超高频MHz大功率变换装置，其特征在于：所述装置是对电力电子拓扑结构进行组合，能将N个频率为f的能量通过组合，得到频率为Nf且功率增大N倍的新能量。

2.如权利要求1所述一种超高频MHz大功率变换装置，其特征在于：所述组合可以是单管正激式拓扑、单管反激式拓扑、全桥拓扑或半桥拓扑组合。

3.如权利要求1所述一种超高频MHz大功率变换装置，其特征在于：所述能量可以采用单相输出或多相输出。

4.如权利要求1所述一种超高频MHz大功率变换装置，其特征在于：所述能量可以是电流信号或电压信号。

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