CN115642783A - 一种高频电源及用于高频电源的功率器件 - Google Patents
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Abstract
本说明书实施例提供一种高频电源及用于高频电源的功率器件。应用于高频电源的功率器件包括：多级功率模块，每级功率模块用于产生预设交流频率的电信号；控制器，用于控制多级功率模块中一个或多个功率模块的工作状态；输出端，分别与多级功率模块中的每一级耦合，用于根据多级功率模块的工作状态产生目标交流频率的电信号，目标交流频率与每级功率模块的预设交流频率存在对应关系。本说明书通过设计并联的多级功率模块，可以使得各级功率模块所在的线路分流，减小各级功率模块需要承受的电流应力，增加模块选型的自由度，减小电路成本。
Description
技术领域
本说明书涉及加热技术，特别涉及一种高频电源及用于高频电源的功率器件。
背景技术
加热技术是现代工业生产中很重要的技术。在一些场景下，加热系统存在对高频电源的需求，高频电源可以提供能量对目标物体进行加热。
然而，目前的高频电源为了输出高功率以及高频的电信号，需要功率器件能够承受较大的电流应力，导致功率器件的选型要求严格，电源的生产成本较高，难以广泛应用与推广。
发明内容
本说明书实施例之一提供一种应用于高频电源的功率器件，该器件包括：多级功率模块，每级功率模块用于产生预设交流频率的电信号；控制器，用于控制多级功率模块中一个或多个功率模块的工作状态；输出端，分别与多级功率模块中的每一级耦合，用于根据多级功率模块的工作状态产生目标交流频率的电信号，目标交流频率与每级功率模块的预设交流频率存在对应关系。
在一些实施例中，输出端产生的电信号的功率与多级功率模块的输出功率之和相同。
在一些实施例中，控制器控制多级功率模块在不同时间段内分别处于工作状态，每级功率模块的预设交流频率之和与目标交流频率相同。
在一些实施例中，每级功率模块产生的电信号具有相同的交流频率。
在一些实施例中，多级功率模块产生的电信号中存在至少两个电信号具有不同的交流频率。
在一些实施例中，每级功率模块的预设交流频率不低于1MHz，目标交流频率不低于4MHz。
在一些实施例中，功率模块为氮化镓模块。
在一些实施例中，氮化镓模块包括四个氮化镓晶体管、电容、电感和电阻，每两个氮化镓晶体管构成一个输出回路，电容与两个氮化镓晶体管并联，电感和电阻设置在输出回路上，输出回路用于产生电信号。
在一些实施例中，多级功率模块与直流稳压模块连接，直流稳压模块用于为多级功率模块提供目标稳压信号；输出端与变压器连接，输出端向变压器提供目标交流频率的电信号，以使变压器对目标交流频率的电信号进行变压生成输出信号。
本说明书实施例之一提供一种高频电源。该电源包括：直流稳压器件和前述功率器件，直流稳压器件用于接收待稳压信号，并向功率器件输出目标稳压信号，功率器件为目标稳压信号进行功率调节，以产生目标交流频率的电信号；变压器，变压器对目标交流频率的电信号进行变压，以使高频电源提供输出信号。
在一些实施例中，功率器件还用于在高频电源的无功功率与高频电源的输出功率的比值超过预设阈值时，调整产生的电信号的目标交流频率。
本说明书通过设计并联的多级功率模块，可以使得各级功率模块所在的线路分流，减小各级功率模块需要承受的电流应力，增加模块选型的自由度，减小电路成本。再者，多级功率模块之间的并联对功率模块的输出回路中的电感大小要求较低，从而可以减小功率器件输出的纹波。
附图说明
本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本说明书一些实施例所示高频电源的结构框图；
图2是根据本说明书一些实施例所示的功率器件的结构框图；
图3是根据本说明书一些实施例所示的功率器件的电路示意图；
图4是根据本说明书一些实施例所示信号整合的示意图；
图5是根据本说明书一些实施例所示的驱动模块的电路结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
在一些实施例中，功率器件可以提供频率一定的交流电信号，以便应用于各种需要电能的场景，如电源设备利用交流电信号进行供电等供电场景，又如利用交流电信号控制设备的状态等驱动场景，再例如，利用交流电信号承载数据进行传输等数据传输设备。
在一些实施例中，功率器件可以应用于高频电源，高频电源可以应用于加热系统，电源可以提供电能，以便通过能量转换向待加热粉料传递热能进行加热，使得粉料达到熔点熔化，熔体在籽晶部位达到过饱和使得籽晶生长，从而得到晶体。
本说明书描述了一种应用于高频电源的功率器件，该功率器件通过设计并联的多级功率模块，可以使得各级功率模块所在的线路分流，减小各级功率模块需要承受的电流应力，增加模块选型的自由度，减小电路成本。再者，多级功率模块之间的并联对功率模块的输出回路中的电感大小要求较低，从而可以减小功率器件输出的纹波。
应当理解的是，本说明书的功率器件的应用场景仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。
下面将结合图1-图5对本说明书实施例所涉及的功率器件和高频电源进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用以解释本说明书，并不构成对本说明书的限定。
图1是根据本说明书一些实施例所示高频电源100的结构框图。高频电源100可以为一种输出高频电信号的供电装置。在一些实施例中，高频电源100可以提供功率和/或频率满足一定条件的输出信号。在一些实施例中，高频电源100可以应用于加热领域，为加热系统进行供电。
在一些实施例中，如图1所示，高频电源100包括直流稳压器件110、功率器件120和变压器130。其中，直流稳压器件110用于接收待稳压信号，并向功率器件120输出目标稳压信号。在一些实施例中，直流稳压器件110可以延时接收多个待稳压信号，再通过叠加信号的方式抵消待稳压信号的纹波，使得得到的目标稳压信号的电压稳定。在一些实施例中，直流稳压器可以包括：多个并联的直流稳压模块，每个直流稳压模块的输入端分别接收待稳压信号，且不同直流稳压模块所接收的待稳压信号之间存在延时，多个并联的直流稳压模块的输出端输出目标稳压信号，目标稳压信号为多个直流稳压模块输出的稳压后的信号的叠加。
在一些实施例中，多个直流稳压模块之间可以移相并联，使得每个直流稳压模块均可以接收到波形相同而时序存在差异的待稳压信号。由于待稳压信号中存在一定的噪声和/或纹波，在一些实施例中，每个直流稳压模块可以对一个待稳压信号进行滤波，滤除一定的噪声和/或纹波，输出稳压后的信号。在一些实施例中，不同直流稳压模块接收的待稳压信号之间可以存在延时，从而不同直流稳压模块输出的稳压后的信号之间也可以存在相同的延时。由于直流稳压模块中通常采用开关器件进行滤波，导致稳压后的信号仍会存在少部分的纹波。通过在不同的稳压后的信号之间设置延时，可以使得多个稳压后的信号的纹波在叠加时存在错位，从而可以通过抵消的方式消除纹波，得到目标稳压信号。如此，直流稳压器件110可以通过多级直流稳压模块接收多个存在时延的信号，使得稳压后的多个信号的纹波在叠加时存在错位，从而可以通过抵消的方式消除纹波，提高目标稳压信号的稳定性。
功率器件120可以为目标稳压信号进行功率调节，以产生目标交流频率的电信号。在一些实施例中，功率器件120可以通过并联的多级功率模块分别产生电信号，再由输出端进行信号合并以产生目标交流频率的电信号。在一些实施例中，功率器件120输出端的功率可以与多级功率模块的输出功率之和相同。在一些实施例中，多级功率模块分时工作，且各级功率模块输出的电信号的预设交流频率之和与目标交流频率相同。在一些实施例中，多级功率模块同时工作，且输出端输出的电信号的目标交流频率可以与各级功率模块输出的电信号的预设交流频率相同。功率器件120的具体实现方式，可以参考本说明书中的其他内容，例如图2-图5及相关描述。
变压器130可以对目标交流频率的电信号进行变压，以使高频电源100提供输出信号。在一些实施例中，变压器130可以通过设置在PCB板上的平面线圈进行电磁感应，利用磁芯结构调整电磁感应强度，从而输出电信号进行供电。在一些实施例中，变压器130可以包括PCB板、平面线圈、磁芯结构。PCB板可以用于承载平面线圈，使得平面线圈围绕磁芯结构设置。平面线圈可以接收交流电信号并产生电磁感应，使得交流电信号可以从一层平面线圈传输至另一层平面线圈中，实现信号的传输。在一些实施例中，磁芯结构可以调节电磁感应的强度，从而调整交流电信号的参数（如，信号的电压、频率等），实现信号的处理。
进一步地，在一些实施例中，变压器130可以包括多层PCB板、多层平面线圈、磁芯结构。每层PCB板设有镂空结构，每层平面线圈固定在一层PCB板上并环绕镂空结构设置。磁芯结构可以包括多块磁芯板，每块磁芯板可以设置在每层PCB板的镂空结构内，相邻的两块磁芯板（如，第一磁芯板和第二磁芯板）之间可以存在间隔。如此，变压器可以通过将平面线圈设置在PCB板中，平面线圈集肤效应面积与导线的截面面积接近，能够在减小线圈的电阻的同时扩大散热面积，从而减小平面线圈的集肤效应，提高变压器的功率。并且，在相同功率和频率输出的情况下，变压器的功耗远低于常规的中频变压器。此外，变压器还可以更有效地应用于高频场景，且体积更小。
在一些实施例中，高频电源100还可以包括整流器件，该整流器件可以与外部电源连接，其可以用于对接收到的三相电信号进行整流，向直流稳压器件110输出直流电信号。在一些实施例中，整流器件可以包括电磁干扰滤波器和三相整流桥，电磁干扰滤波器可以对接收到的三相电信号进行滤波，减小外部环境带来的电磁干扰，三相整流桥可以将三相电信号转换为直流电信号。
在一些实施例中，高频电源100还可以包括处理器和采样器，处理器可以用于控制器件（如，直流稳压器件110、功率器件120和变压器130等）的运行以及对数据进行处理。采样器可以对高频电源100提供的输出信号进行采样，并将采样信号发送给处理器，以便处理器对设备的工作状态进行调整。在一些实施例中，高频电源100还可以包括熔断器，熔断器可以对高频电源100中多个设备（如，直流稳压器件110、功率器件120和变压器130等）的输出进行监控，避免设备过流、过压、超频或欠压，确保设备正常工作。
在一些实施例中，高频电源100还可以包括容式隔离驱动电路，容式隔离驱动电路可以用于隔离处理器与高频电源100中的其他器件（如，直流稳压器件110、功率器件120和变压130等），利用电容隔离技术使得高压传输与低压控制隔开。
下面提供一个示例性的功率器件120，详细描述功率器件120的具体实现方式。
图2是根据本说明书一些实施例所示的功率器件的结构框图。如图2所示，所述应用于高频电源的功率器件120可以包括多级功率模块121、控制器122、输出端123。
多级功率模块121分别与控制器122、输出端123耦合。多级功率模块121中的每级功率模块121用于产生预设交流频率的电信号。
功率模块121为执行信号转换的电路模块。在一些实施例中，功率模块121可以用于将输入的直流电信号转换为具有预设交流频率的电信号。在一些实施例中，功率模块121可以包括如下一种或多种电路结构的组合：单端式逆变电路、半桥式逆变电路、全桥式逆变电路、推挽桥式逆变电路。功率模块121的具体实现方式，可以参考本说明书中的其他描述，如图3及相关描述。
在一些实施例中，多级功率模块121可以包括三级功率模块121、五级功率模块121、十级功率模块121等。在一些实施例中，多级功率模块121的级数可以根据功率器件120的期望输出功率和/或目标交流频率进行确定。在一些实施例中，多级功率模块121中的各级功率模块121之间可以通过并联方式连接。例如，各级功率模块121的输入端均可以用于接收直流电信号，各级功率模块121的输出回路可以均与输出端123耦合，从而实现各级功率模块121的并联。
图3是根据本说明书一些实施例所示的功率器件120的电路结构示意图。如图3所示，多级功率模块121所包括的功率模块1、功率模块2、…、功率模块N在输出端123耦合为一个总的输出。在一些实施例中，在输出端123包括变压器124时，各级功率模块121（如，功率模块1、功率模块2、…、功率模块N）的输出回路可以设置在变压器124的初级侧，该输出回路可以向变压器124传输预设交流频率的电信号，以使输出端123可以产生目标交流频率的电信号。进一步地，该目标交流频率的电信号可以用于驱动谐振组件产生对应的电磁场，以对待加热粉料进行加热。
在本说明书实施例中，多级功率模块121之间的并联，可以使得各级功率模块121所在的线路分流，减小各级功率模块121需要承受的电流应力，增加模块选型的自由度，减小电路成本。再者，多级功率模块121之间的并联对功率模块121的输出回路中的电感大小要求较低，从而减小功率模块121的纹波。
在一些实施例中，预设交流频率可以是功率模块121的工作周期所对应的频率。其中，工作周期可以包括功率模块121处于工作状态的阶段和/或功率模块121未处于工作状态的阶段。举例来说，当功率模块121在第1s内处于工作状态，并输出正弦电信号，并在第2s-第10s内处于非工作状态，相当于输出电平为0的电信号，则该功率模块121的工作周期为10s，功率模块121输出的电信号的预设交流频率为0.1Hz。
在一些实施例中，预设交流频率可以为根据系统要求设定的交流频率值。在一些实施例中，预设交流频率可以为每级功率模块121的期望交流频率。
在一些实施例中，多级功率模块121中的每级功率模块产生的电信号可以具有相同的交流频率。也就是说，多个电信号的预设交流频率可以相同。例如，多级功率模块121可以是三级功率模块351，这三级功率模块351分别产生的三个具有相同的预设交流频率的电信号，即三个电信号的交流频率可以是相同的。
在一些实施例中，多级功率模块121产生的电信号中存在至少两个电信号具有不同的交流频率。也就是说，多个电信号的预设交流频率可以不同。例如，多级功率模块121可以是四级功率模块121，这四级功率模块121分别产生的四个具有预设交流频率的电信号。在四个电信号中，可以是其中两个功率模块121（如，第一级功率模块和第二级功率模块）产生的两个电信号的交流频率不同，也可以是其中三个功率模块121（如，第一级功率模块、第二级功率模块和第四级功率模块）产生的三个电信号的交流频率均不相同，还可以是四个电信号的交流频率均不同。
需要说明的是，在一些实施例中，在存在至少两个电信号具有不同的交流频率的情况下，多级功率模块121产生的电信号中也可以存在至少两个电信号具有相同的交流频率。也就是说，多个电信号可以具有相同的预设交流频率，也可以具有不同的预设交流频率。继续以上述四级功率模块121为例进行说明，在四个电信号中，可以是第一级功率模块和第二级功率模块产生的两个电信号的交流频率不同，而第二级功率模块、第三级功率模块、第四级功率模块产生的三个电信号的交流频率相同。
目标交流频率可以是功率器件120根据系统要求设定的频率值，其等同于谐振组件产生的电磁场的频率。在一些实施例中，目标交流频率可以为功率器件120的期望交流频率。由于各级功率模块121通过并联的方式连接，在一些实施例中，目标交流频率与每级功率模块的预设交流频率存在对应关系。可以根据设定的目标交流频率确定各级功率模块121产生的电信号的预设交流频率。在一些实施例中，多级功率模块121中的每级功率模块的预设交流频率可以不低于1MHz，目标交流频率不低于4MHz。
在一些实施例中，功率模块121可以是氮化镓功率模块。其中，氮化镓功率模块可以包括氮化镓晶体管。氮化镓晶体管中设置有两种具有不同禁带宽度的材料（如，氮化铝镓AlGaN和氮化镓GaN），通过两种材料在交界面的压电效应形成的二维电子气（2DEG）来进行导电。相较于传统的硅晶体管，氮化镓晶体管的二维电子气需要在高浓度电子的环境下发生导电，因此氮化镓晶体管难以发生少数载流子复合导致晶体管反向恢复的情况，具有较高的稳定性。
并且，由于氮化镓材料具有较大的禁带宽度、较高的临界场强，使得基于氮化镓材料制作的功率半导体（如氮化镓晶体管）具有高耐压、低导通电阻、寄生参数小等特性。当氮化镓晶体管应用于开关电源领域时，可以减小功率器件的损耗、提高功率器件的工作频率以及可靠性，从而提升开关电源的效率、功率密度和可靠性等性能。
在一些实施例中，输出端123可以分别与多级功率模块121中的每一级耦合，用于根据多级功率模块121的工作状态产生目标交流频率的电信号。此时，目标交流频率与每级功率模块的预设交流频率存在对应关系。在一些实施例中，输出端123可以包括信号聚合组件，该组件可以适用于多级功率模块121输出的电信号。如图3所示，信号聚合组件可以为变压器124，变压器124的初级侧设置有各级功率模块121（如，功率模块1、功率模块2、…、功率模块N）的输出回路，变压器124可以整合来自多级功率模块121的多个预设交流频率的电信号，在变压器124的输出侧产生目标交流频率的电信号。也就是说，变压器124可以将多个电信号整合为一个电信号。
控制器可以为处理数据的电子器件。在一些实施例中，控制器122可以用于控制多级功率模块121中一个或多个功率模块121的工作状态。例如，控制器122可以控制功率模块121中开关件的导通和关断，以使功率模块121产生交流电信号。在一些实施例中，控制器122可以调节开关件的导通和关断的切换频率，以使每个功率模块121产生的交流电信号具有预设交流频率。例如，控制器122可以控制氮化镓模块中氮化镓晶体管的导通和关断，并调节导通和关断的切换频率，使得氮化镓模块产生具有预设交流频率的电信号。
多级功率模块121的工作状态可以是指多级功率模块121中的每级功率模块121的工作状态。在一些实施例中，当功率模块121处于工作状态时，功率模块121可以输出电信号，当功率模块121处于未工作状态时，功率模块121则不输出电信号或输出电平为0的电信号。在一些实施例中，功率模块121产生预设交流频率的电信号包括：功率模块121在工作状态下产生的电信号，以及在非工作状态下未输出或输出电平为0的电信号。也就是说，功率模块121在工作和非工作状态下的切换，可以产生预设交流频率的电信号。
在一些实施例中，功率模块121的工作状态可以由控制器122进行控制。控制器122可以控制多级功率模块121中的每级功率模块121同时处于工作状态，也可以控制多级功率模块121中的每级功率模块121分时处于工作状态，还可以控制多级功率模块121中的部分功率模块121同时处于工作状态，并且部分功率模块121分时处于工作状态。
以图3为例进行说明，在一些实施例中，控制器122可以控制多级功率模块121同时工作。例如，控制器122可以控制功率模块1、功率模块2、…、功率模块N同时处于工作状态，也可以控制功率模块1、功率模块2、…、功率模块N同时处于未工作状态。
在一些实施例中，控制器122可以控制多级功率模块121分时工作。例如，控制器122可以控制功率模块1在第一时间段内（如第1s内）处于工作状态，在其余时间段处于未工作状态。控制器122可以控制功率模块2在第二时间段内（如第2s内）处于工作状态，在其余时间段处于未工作状态。控制器122可以控制功率模块N在第N时间段内（如第Ns内）处于工作状态，在其余时间段处于未工作状态。
在一些实施例中，控制器122可以控制多级功率模块121中的部分功率模块121同时工作，部分功率模块121分时工作。例如，控制器122可以控制功率模块1和功率模块2在第一时间段内（如第1s内）处于工作状态，在其余时间段处于未工作状态。控制器122可以控制功率模块3和功率模块4在第一时间段内（如第2s内）处于工作状态，在其余时间段处于未工作状态。如此，功率模块1与功率模块2可以同时工作，功率模块3和功率模块4可以同时工作，而功率模块1和功率模块2的组合与功率模块3和功率模块4的组合可以分时工作，从而实现多级功率模块121的交错并联。
可以理解的是，上述多级功率模块121的级数以及多个时间段的时长仅作为示例，多级功率模块121的级数可以根据功率器件120的期望输出功率和/或目标交流频率进行确定，以及多个时间段的时长也可以根据信号周期进行去定，具体的实现方式可以参考本说明书中的其他相关描述。
在一些实施例中，输出端123产生的电信号的功率可以与多级功率模块121的输出功率之和相同。也就是说，功率器件120的输出功率可以与多级功率模块121的输出功率之和相同。进一步地，在一些实施例中，输出端123产生的电信号的功率，可以与处于工作状态中的功率模块121的输出功率之和相同。以图3为例进行说明，当功率模块1和功率模块2处于工作状态，且其余功率模块（如功率模块3、…、功率模块N）处于未工作状态，则输出端123产生的电信号的功率与功率模块1和功率模块2的输出功率之和相同。
在本说明书实施例中，在功率器件120的期望输出功率不变的情况下，通过设置并联的多级功率模块121，可以减小每级功率模块121需要达到的输出功率，从而增大选型的自由度。
在一些实施例中，控制器122可以控制多级功率模块121中的每级功率模块121在不同时间段内分别处于工作状态。此时，各级功率模块121的预设交流频率之和与目标交流频率相同。
在一些实施例中，不同时间段可以是指均匀分布的时间段，例如，时长为1μs、100μs、100ms、1s的均匀分布的时间段。在一些实施例中，不同时间段也可以是指非均匀分布的时间段。在一些实施例中，多级功率模块121中每级功率模块121可以在不同时间段分别处于工作状态。也就是说，多级功率模块121中各级功率模块121可以分时工作，分别在不同时间段内输出电信号，通过输出端123对多个电信号的整合，可以使得多个时间段内均有电信号进行输出，从而达到交流频率的整合，使得预设交流频率之和与目标交流频率相同。
图4是根据本说明书一些实施例所示信号整合的示意图。如图4所示，在第一级功率模块、第二级功率模块、第三级功率模块分别在第一时间段T1、第二时间段T2、第三时间段T3内处于工作状态时，电信号1可以为第一级功率模块输出的具有预设交流频率
的电信号，电信号2可以为第二级功率模块输出的具有预设交流频率
的电信号，电信号3可以为第三级功率模块输出的具有预设交流频率
的电信号，电信号4可以为输出端123输出的具有目标交流频率
的电信号。输出端123可以将上述电信号1、电信号2和电信号3进行整合，得到电信号4。电信号4中的波形是电信号1-3的叠加，且由于电信号1-3的波形相似或相同，则可以看作电信号4在时间段T内幅值随时间重复变化了3次，也就说是，电信号4的周期可以为
，目标交流频率可以为
。也就是说，每级功率模块的预设交流频率之和（如，
）与目标交流频率
相同。
在本说明书实施例中，在目标交流频率不变的情况下，通过多级功率模块121的分时工作，可以使得多级功率模块121产生的信号的交流频率能够进行叠加，从而降低对每级功率模块121的预设交流频率的要求，从而增大了选型与封装的自由度，便于器件的管理与维护。并且，多级功率模块121还可以通过增加级数的方式，降低功率模块121中的纹波频率，进一步降低功率器件整体的纹波。
在一些实施例中，功率器件120中可以设置四级功率模块121，四级功率模块121中的每级功率模块的预设交流频率可以不低于1MHz，目标交流频率不低于4MHz。
在一些实施例中，多级功率模块121中的每级功率模块也可以同时工作，每级功率模块同时处于工作状态时，目标交流频率可以与每级功率模块的预设交流频率相同。例如，在第一级功率模块、第二级功率模块、第三级功率模块同时在第一时间段处于工作状态，并同时在第二时间段处于非工作状态，则输出端123产生的电信号的幅值随时间重复变化的方式与第一级功率模块、第二级功率模块、第三级功率模块输出的电信号的相似或相同，也即目标交流频率可以与每级功率模块的预设交流频率相同。
在一些实施例中，多级功率模块121中的每级氮化镓模块可以包括四个氮化镓晶体管、一个电容、一个电感、一个电阻。两个氮化镓晶体管构成一个输出回路，电容与两个氮化镓晶体管并联，电感和电阻设置在输出回路上，输出回路用于产生电信号。继续参看图3，以第一级氮化镓模块（如图3所示的功率模块1）为例，第一级氮化镓模块可以包括氮化镓晶体VD11、氮化镓晶体VD12、氮化镓晶体VD13和氮化镓晶体VD14、电容C1、电感L1和电阻R1，其中，氮化镓晶体VD11和氮化镓晶体VD14可以构成一个输出回路，氮化镓晶体VD12和氮化镓晶体VD13可以构成一个输出回路。电容C1与两个氮化镓晶体管（如，与氮化镓晶体VD11和氮化镓晶体VD14、或与氮化镓晶体VD12和氮化镓晶体VD13）并联，电感L1和电阻R1设置在输出回路上。输出回路1依次可以为：氮化镓晶体VD11、电感L1、电阻R1、氮化镓晶体VD14，输出回路2依次可以为：氮化镓晶体VD12、电阻R1、电感L1、氮化镓晶体VD13，使得两组氮化镓晶体构成的输出回路（如输出回路1和输出回路2）产生的电信号具有不同的方向。
继续参看图3，当氮化镓模块处于工作状态时，控制器可以先控制氮化镓晶体VD11和氮化镓晶体VD14导通，控制氮化镓晶体VD12和氮化镓晶体VD13关断，使得电容C1为输出回路1提供直流信号Udc，输出回路1则会在变压器124的初级侧产生正向的电信号u1。再控制氮化镓晶体VD12和氮化镓晶体VD13导通，控制氮化镓晶体VD11和氮化镓晶体VD14关断，使得电容C1为输出回路2提供直流信号Udc，输出回路2则会在变压器124的初级侧产生负向的电信号u1，使得氮化镓模块产生交流电信号u1。
在一些实施例中，变压器124可以通过电磁感应将多个氮化镓模块产生的电信号u1、电信号u2、…、电信号uN转换为串联的电信号u’1、电信号u’2、…、电信号u’N，从而整合后产生电信号u0。其余氮化镓模块的结构和工作原理可以参考上述第一级氮化镓模块的相关描述，此处不再赘述。
需要说明的是，变压器124与上述变压器130在结构与功能上存在差异，变压器124的初级侧与多级功率模块121连接，次级侧可以与变压器130连接，变压器124可以用于对多个交流电信号进行整合。变压器130的初级侧与功率器件120连接，变压器130的次级侧用于为谐振组件200提供输出信号，变压器130可以用于改变交流电信号的性质（如，电压等）。
在一些实施例中，控制器可以向驱动模块发送调制信号，以使驱动模块可以控制开关件的导通和关断。进一步的，在一些实施例中，一个驱动模块可以控制同一输出回路中的两个开关件，使得两个开关件可以同时进行导通和关断。
图5是根据本说明书一些实施例所示的驱动模块的电路结构示意图。在一些实施例中，如图5所示，驱动模块可以包括驱动芯片U6，驱动模块可以分别通过电阻R67和R68（例如，阻值为300欧姆的电阻）接收来自控制器的两个调制信号PWM0和PWM1，并分别接入驱动芯片U6的高输入端HIN和低输入端LIN，驱动芯片U6的高输出端HO、低输出口LO分别通过阻R29、R33（例如，阻值为33欧姆的电阻）与MOS管Q1和Q2（如图3所示的氮化镓晶体VD11和氮化镓晶体VD14、或氮化镓晶体VD12和氮化镓晶体VD13）的栅极相连接，驱动芯片U6的电源输出端VS提供信号M1，且同时与Q1的源极和Q2的漏级相连接，驱动芯片U6的供电接收端VB通过二极管D4正向导通接收+15V电压、驱动芯片U6的供电输入端VCC接收+15V电压。电容C16（如，容值为3.3uF的电容）一端接二极管D4的负极，另一端接U6的VS端。U6的COM端接地。
在一些实施例中，驱动芯片U6可以根据调制信号PWM0和PWM1，控制MOS管Q1和Q2的导通和关断。也就是说，驱动芯片U6可以根据调制信号PWM0和PWM1，控制如图3所示的氮化镓晶体VD11和氮化镓晶体VD14、或氮化镓晶体VD12和氮化镓晶体VD1的导通和关断。
在一些实施例中，可以通过采用性能良好的驱动模块使开关件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。在一些实施例中，还可以在驱动模块中设置一些保护电路，可以有效提升系统的运行效率、可靠性和安全性。
在一些实施例中，功率器件120可以根据场景的变化调整其输出的电信号的目标交流频率。这里所说的场景的变化可以包括功率器件用以驱动的负载发生变化、功率器件所处环境的温度发生变化，或者用户对功率器件120的相关参数进行的调整。仅作为示例，功率器件120可以用于在高频电源100的无功功率与高频电源100的输出功率的比值超过预设阈值时，调整产生的电信号的目标交流频率。例如，在高频电源100的无功功率与高频电源100的输出功率的比值超过预设阈值时，控制器122可以调整功率模块121产生的电信号的预设交流频率。其中，高频电源100的输出功率可以包括无功功率和有功功率。高频电源100的无功功率可以是利用电磁感应原理传递电能的设备（如，功率器件120、变压器130、谐振组件200等）消耗的功率，即传输电能消耗的功率。
在一些实施例中，无功功率可能受到待加热粉料的材料的影响。由于待加热粉料可以作为加热设备的负载，不同材料的待加热粉料与加热设备发生谐振的频率（以下简称谐振频率）也不同。当待加热粉料的材料发生变化时，会导致加热设备的工作频率（或高频电源100的工作频率）与谐振频率之间存在差异，造成传输电能消耗的功率（如，高频电源100的无功功率）增加，从而减小了加热设备的有功功率，降低加热设备对待加热粉料的加热效果。其中，高频电源100的工作频率与加热设备的工作频率均受到功率器件120输出的电信号的目标交流频率的控制。在一些实施例中，高频电源100的无功功率与高频电源100的输出功率的比值，可以与加热设备对待加热粉料的加热效果有关。示例性的，预设阈值可以在5%-15%内。在高频电源100的无功功率与高频电源100的输出功率的比值超过预设阈值时，可以确定加热设备对待加热粉料的加热效果较差，控制器122可以调整功率模块121产生的电信号的预设交流频率，以达到调节电信号的目标交流频率的目的，使得加热设备的工作频率接近或达到谐振频率，降低高频电源100的无功功率。
在一些实施例中，多级功率模块121可以与直流稳压器件110的直流稳压模块连接，直流稳压模块可以用于为所述多级功率模块提供目标稳压信号；输出端123可以与变压器130连接，所述输出端123向变压器130提供目标交流频率的电信号，以使变压器130对目标交流频率的电信号进行变压生成输出信号。
本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：
通过设计并联的多级功率模块，可以使得各级功率模块所在的线路分流，减小各级功率模块需要承受的电流应力，增加模块选型的自由度，减小电路成本。再者，多级功率模块之间的并联对功率模块的输出回路中的电感大小要求较低，从而可以减小功率器件输出的纹波。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20%的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件（当前或之后附加于本说明书中的）也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。
Claims (11)
1.一种应用于高频电源的功率器件，包括：
多级功率模块，每级功率模块用于产生预设交流频率的电信号；
控制器，用于控制所述多级功率模块中一个或多个功率模块的工作状态；
输出端，分别与所述多级功率模块中的每一级耦合，用于根据所述多级功率模块的工作状态产生目标交流频率的电信号，所述目标交流频率与所述每级功率模块的预设交流频率存在对应关系。
2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述输出端产生的电信号的功率与所述多级功率模块的输出功率之和相同。
3.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述控制器控制所述多级功率模块在不同时间段内分别处于工作状态，所述每级功率模块的预设交流频率之和与所述目标交流频率相同。
4.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述每级功率模块产生的电信号具有相同的交流频率。
5.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述多级功率模块产生的电信号中存在至少两个电信号具有不同的交流频率。
6.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述每级功率模块的预设交流频率不低于1MHz，所述目标交流频率不低于4MHz。
7.根据权利要求6所述的功率器件，其特征在于，所述功率模块为氮化镓模块。
8.根据权利要求7所述的功率器件，其特征在于，所述氮化镓模块包括四个氮化镓晶体管、电容、电感和电阻，每两个氮化镓晶体管构成一个输出回路，所述电容与所述两个氮化镓晶体管并联，所述电感和所述电阻设置在所述输出回路上，所述输出回路用于产生所述电信号。
9.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述多级功率模块与直流稳压模块连接，所述直流稳压模块用于为所述多级功率模块提供目标稳压信号；
所述输出端与变压器连接，所述输出端向所述变压器提供所述目标交流频率的电信号，以使所述变压器对所述目标交流频率的电信号进行变压生成输出信号。
10.一种高频电源，其特征在于，包括：
如权利要求1-9任一项所述的功率器件；
直流稳压器件，用于接收待稳压信号，并向所述功率器件输出目标稳压信号，所述功率器件为目标稳压信号进行功率调节，以产生目标交流频率的电信号；
变压器，所述变压器对所述目标交流频率的电信号进行变压，以使所述高频电源提供输出信号。
11.根据权利要求10所述的高频电源，其特征在于，所述功率器件还用于在所述高频电源的无功功率与所述高频电源的输出功率的比值超过预设阈值时，调整产生的所述电信号的目标交流频率。
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