CN113162453B - 高频逆变系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

高频逆变系统及控制方法，解决了现有高频逆变系统阻抗压缩效果不好的问题，属于功率变换技术领域。本发明高频逆变系统包括高频逆变器和三端口阻抗网络，高频逆变器将直流电压转换为两相交流电压，并将两相电流信号输入至三端口阻抗网络；高频逆变系统的控制方法包括：确定三端口阻抗网络中六个无源元件的大小；根据无源元件的大小确定电流i_U和i_L的相位∠i_U和∠i_L的解集；通过在∠i_U和∠i_L的解集得到不同的i_U和i_L；根据负载电压v_N、负载电流i_N确定对应的i_U、i_L、∠i_U、∠i_L得到T型网络的输入端电压幅值和相位大小，根据T型网络的输入端电压幅值和相位大小控制高频逆变器的输出，实现阻抗压缩控制。

Description

高频逆变系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种高频逆变系统及控制方法，属于功率变换技术领域。

背景技术

高频功率变换器通过提高系统工作频率，能够有效减小系统无源元件体积，从而提高系统功率密度，具有广泛的市场开发前景和研究意义。目前主要采用的谐振变换器通常是通过对由电阻、电感和电容组成的谐振网络进行优化设计来满足软开关特性的需求，当变换器负载发生变化时，谐振网络的特性也随之改变，系统会偏离最优谐振工作点导致开关器件软开关特性丢失、开关管电压应力增加、无功电流增加等问题，导致系统无法高效运行甚至无法正常工作，因此高频功率变换器对负载变化敏感、只能工作在较窄的范围内。而在实际应用场景如：等离子体发生器和无线电能传输系统中，负载的大小通常随工作条件实时变化，逆变器实际承受的负载范围往往很大。因此，需要设计一种中间网络对阻抗进行调节，使其满足逆变器对于输出功率和效率的要求。现有的中间级阻抗网络通常由电感电容两个元件组成，通过调整两相功率分配补偿负载的电抗，但其只能对电抗进行调整，不能同时对电阻施加控制。

发明内容

针对现有高频逆变系统阻抗压缩效果不好的问题，本发明提供一种具有动态调节阻抗大小的特性的高频逆变系统及控制方法。

本发明的一种高频逆变系统，包括高频逆变器和三端口阻抗网络，高频逆变器包括两个逆变器，分别用于将直流电压转换为两相交流电压，并将两相电流信号输入至三端口阻抗网络；

三端口阻抗网络包括两个T型网络，每个T型网络由三个无源元件的一端同时连接一点组成，所述T型网络中两个无源元件的另一端分别作为输入端和输出端，第三个无源元件的另一端接地；两个输入端分别接收一相电流信号，两个输出端分别输出电流i_U和i_L，汇聚后输入至负载。

所述高频逆变系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、确定三端口阻抗网络中六个无源元件的大小；

S2、根据无源元件的大小确定电流i_U和i_L的相位∠i_U和∠i_L的解集；

S3、通过在∠i_U和∠i_L的解集得到不同的i_U和i_L；

S4、根据负载电压v_N、负载电流i_N确定对应的i_U、i_L、∠i_U、∠i_L得到T型网络的输入端电压幅值和相位大小，根据T型网络的输入端电压幅值和相位大小控制高频逆变器的输出，实现阻抗压缩控制。

作为优选，S1包括：

确定负载阻抗Z_N，给出T型网络中三个无源元件的多组参数，通过遍历相位∠i_U和∠i_L，得到每组参数的一系列有解区域面积，选取最大的有解区域面积；

根据不同负载阻抗Z_N获取的最大的有解区域面积S_m计算评价系数Score，选取评价系数Score最小的一组三个无源元件的参数作为T型网络的参数。

作为优选，S1中，有解区域面积S_m为：

S_m＝S1/S2；

S1表示满足条件

时，负载阻抗Z_N的点数；

S2表示输入至负载阻抗Z_N的总点数；

Z_U和Z_L分别表示两个T型网络的输入阻抗，∠Z_U和∠Z_L分别表示Z_U和Z_L的相位；

Z_min和Z_max分别表示T型网络的输入阻抗幅值的最小值和最大值，

和

分别表示T型网络的输入阻抗相位的最小值和最大值。

作为优选，Z_U和Z_L分别为：

v_Ux、v_Uy分别表示一个T型网络输入端电压幅值的实部和虚部；

v_Lx、v_Ly分别表示另一个T型网络输入端电压幅值的实部和虚部；

i_Ux'、i_Uy'分别表示一个T型网络输入端电流的实部和虚部；

i_Lx'、i_Ly'分别表示另一个T型网络输入端电流的实部和虚部；

θ_N表示负载阻抗Z_N的角度；

X_U1、X_U2、X_U3、X_L1、X_L2、X_L3分别表示无源元件的大小；

i_N表示负载电流。

本发明的有益效果：本发明的高频逆变系统中的三端口阻抗网络为阻抗压缩网络，使高频逆变系统具有动态调节阻抗大小的特性，从而对阻抗的变化范围进行压缩，使高频逆变器工作在较窄的负载范围，以实现在不同工作条件下效率保持稳定。在本发明的控制方法下，当负载在阻感性和阻容性范围内变化时，逆变器端的阻抗变化范围很小，具有明显的阻抗压缩效果。当负载在较宽范围内变化时，系统整体效率基本不发生变化，具有很好效率稳定性。

附图说明

图1为本发明的高频逆变系统的原理示意图；

图2为三端口阻抗网络的阻抗压缩网络结构示意图；

图3为T型网络的无源参数扫描方法；

图4为本发明的阻抗变化仿真结果，横坐标表示阻抗，纵坐标表示阻抗角；

图5为本发明的阻抗变化实验结果，其中Z_L1、Z_L2、Z_L3和Z_L4表示四组不同负载点(负载点1、2、3、4)下测量得到的Z_L大小。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种高频逆变系统，包括：

高频逆变器包括两个逆变器，分别用于将直流电压转换为两相交流电压，并将两相电流信号输入至三端口阻抗网络；

三端口阻抗网络包括两个T型网络，每个T型网络由三个无源元件的一端同时连接一点组成，所述T型网络中两个无源元件的另一端分别作为输入端和输出端，第三个无源元件的另一端接地；两个输入端分别接收一相电流信号，两个输出端分别输出电流i_U和i_L，汇聚后输入至负载。

本实施方式的高频逆变系统的原理图如图1所示。三端口阻抗网络将交流的两相电压源合成为一相，将负载阻抗进行压缩，满足逆变器最优工作范围的需求，高频逆变器负责将直流电压转换为交流电压，同时通过改变振幅和相对相位来调节三端口阻抗网络的阻抗压缩效果。通过这种方式，尽管负载阻抗有很大的变化，但是每个逆变器上的负载都可以保持在期望的电阻/电感区域。本实施方式的三端口阻抗网络结构使系统具有阻抗范围由宽变窄的特性，从而保证逆变系统在不同工作条件下效率的稳定性。

三端口阻抗网络的阻抗压缩网络如图2所示，该阻抗压缩网络含有四个可调变量，分别为两逆变器输出的幅值V_U,V_L、相位Φ_U,Φ_L，两个交流电压源可被表示为V_U*＝V_U×e^jΦU，V_L*＝V_L×e^jΦL，通过调节上下两相的电压幅值比与相位差，实现阻抗变换。当负载电流i_N、电压v_N已经确定后，电流i_U和i_L的相位∠i_U和∠i_L为变量，即上下两相电流的相位为变量，通过调节∠i_U，∠i_L的大小可以得到不同的上下两相电流大小i_U，i_L。

当上下两相电流i_U，i_L确定后，根据电路的结构，可以得到上下两相输入电压v_U，v_L，及i_U′i_L′；根据输入阻抗，确定理想的∠i_U，∠i_L的解集，为了使阻抗压缩的范围尽量大，即∠i_U，∠i_L的解集范围尽量多，需要首先确定无源元件X_U1，X_U2，X_U3，X_L1，X_L2，X_L3的大小，得到T型网络的输入端电压幅值和相位大小，则不同负载下阻抗压缩的控制方式可以被得到。因此，本实施方式的高频逆变系统的控制方法，包括：

步骤一、确定三端口阻抗网络中六个无源元件的大小；

步骤二、根据无源元件的大小确定电流i_U和i_L的相位∠i_U和∠i_L的解集；

步骤三、通过在∠i_U和∠i_L的解集得到不同的i_U和i_L；

步骤四、根据负载电压v_N、负载电流i_N确定对应的i_U、i_L、∠i_U、∠i_L得到T型网络的输入端电压幅值和相位大小，根据T型网络的输入端电压幅值和相位大小控制高频逆变器的输出，实现阻抗压缩控制。

本实施方式的步骤一包括：

确定负载阻抗Z_N，给出T型网络中三个无源元件的多组参数，通过遍历相位∠i_U和∠i_L，得到每组参数的一系列有解区域面积，选取最大的有解区域面积；

根据不同负载阻抗Z_N获取的最大的有解区域面积S_m计算评价系数Score，选取评价系数Score最小的一组三个无源元件的参数作为T型网络的参数。

图3给出了阻抗压缩网络的无源元件参数扫描方案，当给定负载阻抗Z_N，及给出一组特定的[X_U1，X_U2，X_U3]组合时，通过遍历两个变量∠i_U，∠i_L，可以得到一系列有解区域面积S_m(∠i_U，∠i_L)，通过选取其中S_m最大的一组，即可得到与这组无源参数组合的评价系数Score(X_U1，X_U2，X_U3)。其中，不同负载阻抗Z_N对应的评价系数Score代表扫描过程中最小无解区域的面积，Score越小，阻抗压缩的效果越好。

本实施方式的步骤一中，有解区域面积S_m为：

S_m＝S1/S2；

S1表示满足公式一时负载阻抗Z_N的点数；

S2表示输入至负载阻抗Z_N的总点数；

Z_U和Z_L分别表示两个T型网络的输入阻抗，∠Z_U和∠Z_L分别表示Z_U和Z_L的相位；

Z_min和Z_max分别表示T型网络的输入阻抗幅值的最小值和最大值，

和

分别表示T型网络的输入阻抗相位的最小值和最大值。

当无源参数确定后，通过求解不等式方程，根据公式一可以得到上下两相电流相位的解集，进而根据该解集求T型网络的输入端电压幅值和相位大小。则不同负载下阻抗压缩的控制方式可以被得到。

本实施方式的步骤一中，输入端阻抗Z_U和Z_L分别为：

v_Ux、v_Uy分别表示一个T型网络输入端电压幅值的实部和虚部；

v_Lx、v_Ly分别表示另一个T型网络输入端电压幅值的实部和虚部；

i_Ux'、i_Uy'分别表示一个T型网络输入端电流的实部和虚部；

i_Lx'、i_Ly'分别表示另一个T型网络输入端电流的实部和虚部；

θ_N表示负载阻抗Z_N的角度；

X_U1、X_U2、X_U3、X_L1、X_L2、X_L3分别表示无源元件的大小；

i_N表示负载电流。

本实施方式的评价系数Score为：

Score＝min[1-S_m]；

m＝1,2…M，M表示负载阻抗的数量。

如图3所示，遍历相位∠i_U和∠i_L的初始值为0°，遍历相位∠i_U的范围为0°到180°，相位∠i_L的范围为0°到-180°。遍历∠i_U和∠i_L时，相位间隔为10°。

具体应用：本实施方式设计的高频逆变系统，面向对象为等离子体发生器。额定输入电压为48V，输出功率50W，工作频率10MHz。逆变器采用的是高频Class D逆变器，通过优化布局，可以减小寄生参数引起的高频振荡，三端口阻抗网络采用的是T型网络，通过合理的参数设计可以实现初步的阻抗匹配。系统整体无源元件均采用射频电感与电容，可以在宽频率范围内保持感值与容值的稳定。由额定工作条件可以确定主电路的元件参数，具体参数如表1所示。

表1高频逆变系统主电路参数

如图4所示，在本发明提出控制方法下，当负载在阻感性和阻容性范围内变化时，逆变器端的阻抗变化范围很小，具有明显的阻抗压缩效果。

如图5所示，在本发明提出控制方法下，当负载在较宽范围内变化时，系统整体效率基本不发生变化，具有很好效率稳定性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种高频逆变系统的控制方法，其特征在于，所述系统包括高频逆变器和三端口阻抗网络；

高频逆变器包括两个逆变器，分别用于将直流电压转换为两相交流电压，并将两相电流信号输入至三端口阻抗网络；

三端口阻抗网络包括两个T型网络，每个T型网络由三个无源元件的一端同时连接一点组成，所述T型网络中两个无源元件的另一端分别作为输入端和输出端，第三个无源元件的另一端接地；两个输入端分别接收一相电流信号，两个输出端分别输出电流i_U和i_L，汇聚后输入至负载；

所述方法包括如下步骤：

S1、确定三端口阻抗网络中六个无源元件的大小；

S2、根据无源元件的大小确定电流i_U和i_L的相位∠i_U和∠i_L的解集；

S3、通过在∠i_U和∠i_L的解集得到不同的i_U和i_L；

S4、根据负载电压v_N、负载电流i_N确定对应的i_U、i_L、∠i_U、∠i_L得到T型网络的输入端电压幅值和相位大小，根据T型网络的输入端电压幅值和相位大小控制高频逆变器的输出，实现阻抗压缩控制；

所述S1包括：

确定负载阻抗Z_N，给出T型网络中三个无源元件的多组参数，通过遍历相位∠i_U和∠i_L，得到每组参数的一系列有解区域面积，选取最大的有解区域面积；

根据不同负载阻抗Z_N获取的最大的有解区域面积S_m计算评价系数Score，选取评价系数Score最小的一组三个无源元件的参数作为T型网络的参数。

2.根据权利要求1所述的高频逆变系统的控制方法，其特征在于，所述逆变器采用高频Class D逆变器实现。

3.根据权利要求1所述的高频逆变系统的控制方法，其特征在于，所述无源元件均采用射频电感或电容实现。

4.根据权利要求1所述的高频逆变系统的控制方法，其特征在于，所述S1中，有解区域面积S_m为：

S_m＝S1/S2；

S1表示满足条件

时，负载阻抗Z_N的点数；

S2表示输入至负载阻抗Z_N的总点数；

Z_U和Z_L分别表示两个T型网络的输入阻抗，∠Z_U和∠Z_L分别表示Z_U和Z_L的相位；

Z_min和Z_max分别表示T型网络的输入阻抗幅值的最小值和最大值，

和

分别表示T型网络的输入阻抗相位的最小值和最大值。

5.根据权利要求4所述的高频逆变系统的控制方法，其特征在于，所述S1中，Z_U和Z_L分别为：

v_Ux、v_Uy分别表示一个T型网络输入端电压幅值的实部和虚部；

v_Lx、v_Ly分别表示另一个T型网络输入端电压幅值的实部和虚部；

i_Ux'、i_Uy'分别表示一个T型网络输入端电流的实部和虚部；

i_Lx'、i_Ly'分别表示另一个T型网络输入端电流的实部和虚部；

θ_N表示负载阻抗Z_N的角度；

X_U1、X_U2、X_U3、X_L1、X_L2、X_L3分别表示无源元件的大小；

i_N表示负载电流。

6.根据权利要求1所述的高频逆变系统的控制方法，其特征在于，评价系数Score为：

Score＝min[1-S_m]；

m＝1,2…M，M表示负载阻抗的数量。

7.根据权利要求1所述的高频逆变系统的控制方法，其特征在于，所述S1中，遍历相位∠i_U和∠i_L的初始值为0°，遍历相位∠i_U的范围为0°到180°，相位∠i_L的范围为0°到-180°。

8.根据权利要求7所述的高频逆变系统的控制方法，其特征在于，所述S1中，遍历∠i_U和∠i_L时，相位间隔为10°。

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