[发明专利]一种基于双E类结构的大功率高频逆变器控制方法

说明书

本发明公开了一种基于双E类结构的大功率高频逆变器控制方法，其特点是采用控制器或计时器对逆变器输出的电压波形进行比较，当谐振参数发生变化时，实时进行工作频率的校正，以维持逆变器始终工作在最佳状态，系统的频率跟踪和控制具体包括：逆变器低电压启动、电压信号的采样、将记录的时间增加安全延迟更新上一个周期和判断更新后的周期是否在允许的误差范围内，是则作为实际输出并控制电压升高，否则停机等步骤。本发明与现有技术相比具有维持逆变器始终工作在最佳状态，确保频率能跟踪到实际的频率不出现过早导通的情况，器件将一直处于软开关的状态控制简单、效率高、成本低廉且安全可靠。

技术领域

本发明涉及到高频逆变器技术领域，尤其是一种可应用在无线电能传输、高频加热的双E类结构的大功率高频逆变器控制方法。

背景技术

开关电源的发展已经进入到一个比较成熟的阶段，未来电源变换设备将向着更高频率面和更高功率密度的方向发展。传统的大功率电源由于受到器件的制约，大部分频率都在十几KHz到两三百KHz之间。随着SiC和GaN器件应用，器件的性能有了较大的改善，使得电源的工作频率、功率密度、变换效率都有了大幅的提升。

高频逆变的应用场景有很多，无线电能传输技术是其中之一，无线电能传输可以在避免物理导线接触处的情况下将能量传输到负载端，在未来移动用电设备中有着广泛的应用，尤其是手机、机器人，电动汽车等行业。无线电能传输要求发射端和接收端的谐振频率完全一致才能达到最好的效果。而实际应用中，由于环境温度变化造成的热胀冷缩引起线圈尺寸的变化，或者由于器件老化带来的阻容变化等等都将引起系统参数的细微变化。导致系统传输效率下降。此时需要控制系统的逆变频率跟随着实际的频率偏移而变化，以保证传输的稳定性。另外高频逆变器还能用于感应加热行业，感应加热的原理是利用高频线圈环绕在金属导体表面，通过高频电磁场在金属表面产生的涡流来达到加热金属的目的，由于线圈中间的被加热物体是金属，其磁导率较高且温度的变化较大，加热过程中线圈电感变化较大，谐振频率也会发生较大的偏移，同样需要实时调整频率。

目前，高频逆变器设计主要存在着如下四个方面的挑战：

1)由于器件开关过程中并非瞬间完成，当频率升高后，电压和电流的上升和下降过程出现重合，开关器件损耗将会随着频率成倍增加。

2)频率越高则周期越短，这使得控制系统的设计变得十分困难。以1MHz的频率为例，控制器需要在1us内完成程序的采样、计数、计算等功能，对于控制芯片来说，在这么短的时间内完成如此多的指令是具有很大的挑战的。而且驱动电路还存在一定的延迟以及死区还得占用部分时间，常规的控制芯片已经无法达到标准的要求，虽然现在GHz级别的芯片已经比较普遍，但其造价昂贵，成本较高且不利于维护。

3)由于系统导线存在一定的长度，运行频率升高后导线的分布式参数也将对系统产生较大的影响，传统只考虑集总参数系统的设计方案将不再适用。

4)高频化后，电压和电流的变换速度快，其产生的电磁兼容问题也将是电源设计需要关注的问题之一。

解决上述四种关键问题，首先是软开关技术，软开关技术是控制开关管在零电压和零电流的时间开通或者关断，以达到降低开关损耗的目的。其次，是优化控制方案，以减少对CPU的要求。然后是电路设计时需要考虑到高频带来的负面影响，最后是电磁兼容设计，需要增加一定的屏蔽措施。传统的高频逆变电源的主要拓扑结构有全桥逆变、半桥逆变、以及各类功放电路。对于功率较大的场合一般都采用桥式逆变电路进行设计，桥式逆变电路可通过的功率较高，理论相对成熟，但应用的频率都较低，控制也较为复杂。随着频率的升高，控制方案出现了一定的局限性，近年来双E类逆变结构拓扑因为具有控制简单、效率高等优势而备受关注。

由于双E类逆变器工作在谐振状态，其对回路的谐振参数要求极高，负载阻抗也是系统的谐振参数之一，其谐振频率可按下述a式计算：