一种宽范围复阻抗负载的E类逆变器及设计方法

一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器及设计方法
技术领域
1.本发明属于逆变器技术领域，更为具体地讲，涉及一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器及设计方法。


背景技术：

2.电力电子设备的高频化有助于减小电路中感容器件的体积，提高设备的功率密度。随着第三代半导体器件(氮化镓，碳化硅)的发展，电力电子设备的开关频率提升至mhz级。传统硬开关拓扑中的开关损耗将随着开关频率的提升而增大，显著降低设备的效率。
3.e类逆变器可在特定的负载下实现零电压开关(zvs)和零电压微分开关(zvds)，相较于传统的硬开关拓扑，开关损耗大幅降低，因此可达到较高的效率。但传统e类逆变器对负载变化极为敏感，仅能在很小的负载范围内保持zvs。负载发生偏离时，e类逆变器将无法维持zvs而进入硬开关状态，开关损耗大幅上升，效率降低。在mhz级的开关频率下，这种情况造成的热量积累有可能使器件过热失效，以至于损坏电路。在诸如等离子体发生器、无线电能传输以及感应加热等高频逆变应用中，负载会在较宽的范围内变化，传统的e类逆变器难以适用于这类场合。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器及设计方法，克服传统e类逆变器zvs负载范围小的问题，使之能用于宽负载变化范围的应用场合。
5.为实现上述发明目的，本发明一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器，其特征在于，包括：输入直流电源v
in
、输入谐振网络、开关管s、输出谐振网络和负载网络；
6.所述输入直流电源v
in
的正极与输入谐振电感l1相连，负极作为电路的参考地电位；
7.所述输入谐振网络包括输入谐振电感l1和并联分流电容c1，输入谐振电感l1的一端与输入直流电源v
in
的正极相连，另一端与并联分流电容c1和开关管s相连；并联分流电容c1并联到开关管s的两端，一端与输入谐振电感l1相连，另一端与参考地电位相连；
8.所述开关管s的一端与输入谐振电感l1和并联分流电容c1相连，另一端与参考地电位相连，
9.所述输出谐振网络包括输出谐振电感l2和输出谐振电容c2，输出谐振电容c2的一端与输入谐振电感l1、并联分流电容c1和开关管s相连，另一端与输出谐振电感l2串联后接负载网络，输出谐振网络在开关频率下谐振；
10.所述负载网络包括负载电抗x和负载电阻r，负载电抗x的一端与输出谐振网络相连，另一端与负载电阻r串联后连接参考地电位。
11.本发明还提供一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
12.(1)、配置逆变器基本参数；
13.设置负载变化范围、开关频率f以及输入电压v
in
；选定归一化负载电阻值rn，rn取值为最大功率负载点的电阻值至其1/3处的范围内；给定两设计参数：频率系数k和阻抗系数kz的初始值；
14.(2)、将负载阻抗z＝r+jx归一化到rn，得到归一化的负载阻抗z
*
；
[0015][0016]
(3)、绘制在当前设计参数k和kz下的zvs负载区域；
[0017]
(3.1)、设置zvs负载区域对应的导通瞬间电压范围为
[0018]
(3.2)、在的上下界分别绘制对应的负载区域边界；
[0019]
(3.2.1)、在的下界绘制对应的负载区域边界；
[0020]
根据设计参数k设置变量g；
[0021][0022]
判断变量g是否等于-1，若g＝-1，则e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的直线：
[0023][0024]
否则，e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的圆弧：
[0025]r*2
+x
*2
+a1r
*
+a2x
*
＝b
[0026]
(3.2.2)、在的上界绘制对应的负载区域边界；
[0027]
判断变量g是否等于0，若g＝0，则e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的直线：
[0028][0029]
否则，e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的圆弧：
[0030]r*2
+x
*2
+a1r
*
+a2x
*
＝b
[0031]
其中，变量a1,a2,b,g1,g2,g3,g4,g5如下：
[0032]
[0033][0034]
(3.2.3)、从时的负载阻抗线顺时针到时的负载阻抗线之间的区域作为当前设计参数k和kz下的zvs负载区域；
[0035]
(4)、对设计参数k和kz进行检验与调整；
[0036]
(4.1)、将步骤(3)得到的zvs负载区域与设置的负载变化范围进行对比，如果zvs负载区域能完全覆盖设置的负载变化范围，则输出设计参数k和kz，并跳转至步骤(5)；否则，进入步骤(4.2)；
[0037]
(4.2)、调整设计参数k和kz；
[0038]
若设置的负载变化范围超出时的负载阻抗线，则按照设置步进增大设计参数k，然后返回步骤(3)；
[0039]
若设置的负载变化范围超出时的负载阻抗线，则按照设置步进减小设计参数kz，然后返回步骤(3)；
[0040]
(5)、计算输入谐振电感l1和并联分流电容c1的值；
[0041][0042][0043]
其中，ω为开关角频率，ω＝2πf；
[0044]
(6)、计算输出谐振电感l2和输出谐振电容c2的值；
[0045][0046][0047]
其中，q为输出谐振网络的品质因数；
[0048]
至此，宽范围复阻抗负载的e类逆变器设计完成。
[0049]
本发明的发明目的是这样实现的：
[0050]
本发明一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器及设计方法，方法将逆变器元器件参数进行归一化后，使逆变器参数设计转化为对频率系数k和阻抗系数kz的确定；进一步通过
调整k和kz并在归一化负载阻抗平面内绘制zvs负载区域来与目标负载区域进行对比，得到可以实现宽范围复阻抗负载运行目标的逆变器设计参数。
[0051]
同时，本发明一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器及设计方法还具有以下
[0052]
有益效果：
[0053]
(1)、扩大了e类逆变器的zvs负载范围，克服了传统e类逆变器负载敏感性高、负载失配时易偏离zvs的缺点，使之在纯阻性、阻容性以及阻感性负载下均能实现高效率的zvs运行；
[0054]
(2)、由于其具备宽负载运行范围，因此可应用在负载大范围变化的场合，而无需额外的阻抗匹配电路，减小了设备的器件数量与体积；
[0055]
(3)、本方法不涉及复杂的运算，通过在归一化阻抗平面内绘制负载阻抗线，可以简单直观的反映设计参数的有效性，快速得到满足设计要求的电路设计参数。
附图说明
[0056]
图1是本发明一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器电路图；
[0057]
图2是本方法所给实施例的设计负载变化范围在归一化负载平面内的示意图；
[0058]
图3是初始设计参数下的zvs负载区域示意图；
[0059]
图4是本方法所给实施例的参数调整过程和最终的zvs负载区域；
[0060]
图5是本方法所给实施例设计的逆变器在(15+j0)ω负载下的开关管漏源电压仿真波形；
[0061]
图6是本方法所给实施例设计的逆变器在(50+j50)ω负载下的开关管漏源电压仿真波形；
[0062]
图7是本方法所给实施例设计的逆变器在(50-j50)ω负载下的开关管漏源电压仿真波形。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0064]
实施例
[0065]
图1是本发明一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器电路图。
[0066]
在本实施例中，如图1所示，本发明一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器，其特征在于，包括：输入直流电源v
in
、输入谐振网络、开关管s、输出谐振网络和负载网络；
[0067]
输入直流电源v
in
的正极与输入谐振电感l1相连，负极作为电路的参考地电位；
[0068]
输入谐振网络包括输入谐振电感l1和并联分流电容c1，输入谐振电感l1的一端与输入直流电源v
in
的正极相连，另一端与并联分流电容c1和开关管s相连；并联分流电容c1并联到开关管s的两端，一端与输入谐振电感l1相连，另一端与参考地电位相连；
[0069]
开关管s的一端与输入谐振电感l1和并联分流电容c1相连，另一端与参考地电位相连，在本实施例中，选用的开关管的占空比为50％；
[0070]
输出谐振网络包括输出谐振电感l2和输出谐振电容c2，输出谐振电容c2的一端与
输入谐振电感l1、并联分流电容c1和开关管s相连，另一端与输出谐振电感l2串联后接负载网络，输出谐振网络在开关频率下谐振；
[0071]
负载网络包括负载电抗x和负载电阻r，负载电抗x的一端与输出谐振网络相连，另一端与负载电阻r串联后连接参考地电位。
[0072]
在本实施例中，通过设计两个比例系数来确定电路元器件参数：第一个比例系数是输入谐振网络的谐振频率与开关频率的比值k，称作频率系数；第二个比例系数是输入谐振网络的特征阻抗与给定归一化负载电阻值的比值kz，称作阻抗系数。对于确定的参数k和kz，开关管在任意复阻抗负载下导通瞬间的漏源电压可被计算出来，进而可确定使电路处于zvs状态的负载阻抗线，即在既定参数下使得开关管导通瞬间的漏源电压为零的负载阻抗线。进一步地，由于开关管自身具备反向导通能力，或通过外加反并联二极管使之具备反向导通能力，在计算出地导通瞬间电压为负值时，实际开关管两端电压被钳位在一个很小的电压值，如二极管的正向导通电压，因此在这样的负载阻抗区域内，可认为电路仍处于zvs状态，具备较高的效率。故可认为在确定的参数对k和kz下，使得所设计的e类逆变器开关管导通瞬间的漏源电压为0至一定负值之间的阻抗区域即为此时设计参数下的zvs负载区域。
[0073]
通过调整设计参数对k和kz，可以使所设计的e类逆变器的zvs负载区域足以覆盖到实际负载的变化范围。一旦确定了k和kz，则输入谐振电感和并联分流电容的值即被确定，而输出谐振电感和输出谐振电容可通过选择输出谐振网络对额定负载电阻的品质因数来确定，一般地，这个品质因数在5-15之间，但并不限制在这个范围，设计者可按照实际元器件的体积、功率、电流和实现的可能性尽可能选择较大的品质因数。至此，可以得出所设计的e类逆变器所有元器件参数。
[0074]
下面我们下面以一个13.56mhz的宽范围复阻抗负载e类逆变器设计过程为例进行详细说明，具体包括以下步骤：
[0075]
(1)、配置逆变器基本参数；
[0076]
设置目标负载变化范围为三负载点(15+j0)ω，(50+j50)ω和(50-j50)ω所围成的负载区域；将目标负载范围归一化后，在归一化负载阻抗平面内为点(3,0)，(10,10)和(10,-10)所围区域，如图2所示。
[0077]
设置开关频率为f＝13.56mhz以及输入电压v
in
＝48v；
[0078]
选定归一化负载电阻值rn，rn取值为最大功率负载点(即负载电阻最小点15ω)的电阻值至其1/3处的范围内，即rn＝5ω；
[0079]
定义设计参数k和kz并给定初始值，在本实施例中，k的初始值为1.2915，kz的初始值为1.25；
[0080]
(2)、将负载阻抗z＝r+jx归一化到rn，得到归一化的负载阻抗z
*
；
[0081][0082]
(3)、绘制在当前设计参数k和kz下的zvs负载区域；
[0083]
(3.1)、为实现zvs，应使负载在给定参数下满足而由于在时，开关管进入反向导通状态，因此可将此状态也视为实现了zvs。为防止输出波形出现严重畸变，
不能过小，在本实施例中，将满足的负载区域定义为所述e类逆变器的zvs负载区域。应当说明，的下限并未限制在-1，设计者可按实际情况选择合适的下限值。
[0084]
(3.2)、在的上下界分别绘制对应的负载区域边界；
[0085]
(3.2.1)、在的下界绘制对应的负载区域边界；
[0086]
根据设计参数k设置变量g；
[0087][0088]
判断变量g是否等于-1，若g＝-1，则e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的直线：
[0089][0090]
否则，e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的圆弧：
[0091]r*2
+x
*2
+a1r
*
+a2x
*
＝b
[0092]
(3.2.2)、在的上界绘制对应的负载区域边界；
[0093]
判断变量g是否等于0，若g＝0，则e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的直线：
[0094][0095]
否则，e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的圆弧：
[0096]r*2
+x
*2
+a1r
*
+a2x
*
＝b
[0097]
其中，变量a1,a2,b,g1,g2,g3,g4,g5如下：
[0098]
[0099][0100]
(3.2.3)、从时的负载阻抗线顺时针到时的负载阻抗线之间的区域作为当前设计参数k和kz下的zvs负载区域；
[0101]
在本实施例中，在给定的初始设计参数下，和负载阻抗线以及zvs负载区域如图3所示。
[0102]
(4)、对设计参数k和kz进行检验与调整；
[0103]
(4.1)、将步骤(3)得到的zvs负载区域与设置的负载变化范围进行对比，如果zvs负载区域能完全覆盖设置的负载变化范围，则输出设计参数k和kz，并跳转至步骤(5)；否则，进入步骤(4.2)；
[0104]
(4.2)、调整设计参数k和kz；
[0105]
若设置的负载变化范围超出时的负载阻抗线，则按照设置步进0.05增大设计参数k，然后返回步骤(3)；
[0106]
若设置的负载变化范围超出时的负载阻抗线，则按照设置步进0.05减小设计参数kz，然后返回步骤(3)；
[0107]
在本实施例中，k取值不超过1.5，kz取值不低于0.75；
[0108]
在本实施例中，参数调整过程如表1，对应的zvs负载范围变化过程如图4，可见按所述方法经两次参数调整后，和两负载阻抗线中间所围成的zvs负载阻抗范围完全覆盖住了目标负载范围。
[0109]
调整次数012k1.29151.31.35kz1.251.251.25
[0110]
表1
[0111]
最终确定满足设计负载范围的设计参数为k＝1.35，kz＝1.25。
[0112]
(5)、计算输入谐振电感l1和并联分流电容c1的值；
[0113][0114]
[0115]
其中，ω为开关角频率，ω＝2πf；最终计算出l1＝54.3nh，c1＝1391.1pf；
[0116]
(6)、计算输出谐振电感l2和输出谐振电容c2的值；
[0117][0118][0119]
其中，q为输出谐振网络的品质因数，为保证输出电压电流质量，q应尽可能大，但考虑到实际元器件参数限制，通常取5-15，在本实施例中，取q＝10，可以计算得到l2＝586.9nh；c2＝234.7pf。
[0120]
至此，13.56mhz的宽范围复阻抗负载e类逆变器设计完成，完成后的电路各参数如表2所示；
[0121]
参数名称符号值开关频率f13.56mhz输入电压v
in
48v归一化电阻rn5ω频率系数k1.35阻抗系数kz1.25输出谐振网络品质因数q10输入谐振电感l154.3nh并联分流电容c11391.1pf输出谐振电感l2586.9nh输出谐振电容c2234.7pf
[0122]
表2
[0123]
最后，采用ltspice仿真对设计结果进行验证，仿真参数与电路设计参数一致。将逆变器负载分别置为(15+j0)ω，(50+j50)ω和(50-j50)ω，代表目标负载范围的三个边界点。仿真得到的开关管漏源电压波形如图5、6和7所示。从所示三张结果图可见，在图5所示的纯阻性，图6所示的阻感性以及图7所示的阻容性负载下，开关管导通瞬间漏源电压均为0v，即开关管处于zvs运行状态下。ltspice仿真结果证实，本方法设计的逆变器可在宽范围的复阻抗负载下实现高效率zvs运行。
[0124]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

技术特征：
1.一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器，其特征在于，包括：输入直流电源v
in
、输入谐振网络、开关管s、输出谐振网络和负载网络；所述输入直流电源v
in
的正极与输入谐振电感l1相连，负极作为电路的参考地电位；所述输入谐振网络包括输入谐振电感l1和并联分流电容c1，输入谐振电感l1的一端与输入直流电源v
in
的正极相连，另一端与并联分流电容c1和开关管s相连；并联分流电容c1并联到开关管s的两端，一端与输入谐振电感l1相连，另一端与参考地电位相连；所述开关管s的一端与输入谐振电感l1和并联分流电容c1相连，另一端与参考地电位相连；所述输出谐振网络包括输出谐振电感l2和输出谐振电容c2，输出谐振电容c2的一端与输入谐振电感l1、并联分流电容c1和开关管s相连，另一端与输出谐振电感l2串联后接负载网络，输出谐振网络在开关频率下谐振；所述负载网络包括负载电抗x和负载电阻r，负载电抗x的一端与输出谐振网络相连，另一端与负载电阻r串联后连接参考地电位。2.根据权利要求1所述的一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器，其特征在于，所述开关管的占空比为50％。3.一种宽范围复阻抗负载的e类逆变器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、配置逆变器基本参数；设置目标负载变化范围、开关频率f以及输入电压v
in
；选定归一化负载电阻值r
n
，r
n
取值为最大功率负载点的电阻值至其1/3处的范围内；定义设计参数k和k
z
并给定初始值；(2)、将负载阻抗z＝r+jx归一化到r
n
，得到归一化的负载阻抗z
*
；(3)、绘制在当前设计参数k和k
z
下的zvs负载区域；(3.1)、设置zvs负载区域对应的导通瞬间电压范围为(3.2)、在的上下界分别绘制对应的负载区域边界；(3.2.1)、在的下界绘制对应的负载区域边界；根据设计参数k设置变量g；判断变量g是否等于-1，若g＝-1，则e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的直线：否则，e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的圆弧：r
*2
+x
*2
+a1r
*
+a2x
*
＝b(3.2.2)、在的上界绘制对应的负载区域边界；判断变量g是否等于0，若g＝0，则e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右
半平面内的直线：否则，e类逆变器对应的负载阻抗线为在归一化复平面的右半平面内的圆弧：r
*2
+x
*2
+a1r
*
+a2x
*
＝b其中，变量a1,a2,b,g1,g2,g3,g4,g5如下：如下：(3.2.3)、从时的负载阻抗线顺时针到时的负载阻抗线之间的区域作为当前设计参数k和k
z
下的zvs负载区域；(4)、对设计参数k和k
z
进行检验与调整；(4.1)、将步骤(3)得到的zvs负载区域与设置的负载变化范围进行对比，如果zvs负载区域能完全覆盖设置的负载变化范围，则输出设计参数k和k
z
，并跳转至步骤(5)；否则，进入步骤(4.2)；(4.2)、调整设计参数k和k
z
；若设置的负载变化范围超出时的负载阻抗线，则按照设置步进增大设计参数k，然后返回步骤(3)；若设置的负载变化范围超出时的负载阻抗线，则按照设置步进减小设计参数k
z
，然后返回步骤(3)；设计参数调整时按照先调整k至设置的负载变化范围不超出时的负载阻抗线，再对k
z
进行调整。调整参数后，返回步骤(2)；(5)、计算输入谐振电感l1和并联分流电容c1的值；
其中，ω为开关角频率，ω＝2πf；(6)、计算输出谐振电感l2和输出谐振电容c2的值；的值；其中，q为输出谐振网络的品质因数；至此，宽范围复阻抗负载的e类逆变器设计完成。

技术总结
本发明公开了一种宽范围复阻抗负载的E类逆变器及设计方法，方法将逆变器元器件参数进行归一化后，使逆变器参数设计转化为对频率系数k和阻抗系数k


技术研发人员：孙敏 王宇飞 蔡东升 黄琦 吴卫 井实 李坚
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/15