一种分数阶D类并联谐振逆变器的制作方法

本实用新型属于谐振变换器技术领域，特别涉及一种分数阶D类并联谐振逆变器。

背景技术：

能源是当今人类面临的十大问题之一。能源处理技术在能源技术中占有巨大比例，而电力电子技术则是电气与电子工程的一个重要分支，它涉及开关模态DC-DC变换器分析、仿真、设计、制造及应用等。谐振功率变换器在可再生能源与能量处理技术中处于中心地位。DC-AC谐振逆变器、高频整流器及 DC-DC谐振变换器的分析与设计为各种高频、高效低噪声能量处理设备奠定了基础，并且在过去二十年间以史无前例的速度增长着，它的发展促使交直流能源设备更加的小型、高效、轻便、廉价以及可靠。功率处理设备广泛应用于计算机、通信、仪器、自动化、航空、国防以及民用工业当中。

谐振逆变器技术在直流-交流变换技术领域应用广泛，特别是在高频技术领域，这是因为通过谐振变换技术可以解决实际逆变设备中遇到的许多问题。 D类谐逆变器也称D类谐振放大器，是于1959年由Baxandall所发明并且广泛应用于DC-AC变换的许多设备中，其中包括DC-DC谐振变换器、无线传输设备、高频电加热、光纤制造以及电化学加热等设备。D类逆变器可以分为两类： D类电压源逆变器和D类电流源逆变器。其中，D类电压源半桥逆变器又包含有多种谐振电路拓扑，如串联谐振、并联谐振以及CLL谐振等。高频变压器T 也可以插入到输出端电路当中以实现隔离作用。

目前的谐振逆变器都是利用电感、电容实现的，传统的参数设计未考虑电感和电容的分数阶次，在进行参数设计时仅利用了电感和电容的数值，因此，当处于高频时，由于电感和电容本身因分数阶次的作用而产生了损耗，从而导致基于整数阶微积分进行参数设计时无法准确计算出最大效率点。同时，传统的整数阶参数设计方法在高频或低频条件下，理论和实际的计算误差将会很大。

分数阶元件(如分数阶谐振电容和分数阶谐振电感)的概念起源于上世纪末，它的模型是基于分数阶微积分理论所建立且更加符合实际，例如对于电容的整数阶模型中的容抗将背离因果性。分数阶微积分的概念已经有300多年的历史，但是由于基于分数阶导数的建模及分析方法复杂，且没有实际的物理背景，数百年来一直处于理论研究阶段。近几十年来，分形理论的出现为分数阶微积分理论提供了新的物理解释，从而促进了它的飞速发展，特别是在高分子材料及纳米材料等领域的发展尤为迅速。由于整数阶微积分仅仅是对自然界物理现象的一种近似解释而无法精确描述，因此分数阶微积分开始得到重视，并逐步应用于工程及控制领域。近年来，分数阶微积分理论已经在电路与系统以及电力电子领域开始得到研究和应用，由于传统的谐振变换技术是基于整数阶微积分理论的，而基于分数阶微积分理论实现谐振变换的这一领域尚未被研究和应用。

鉴于目前利用分数阶微积分理论进行参数优化设计的优势，其还未被应用于谐振变换技术领域，因此有必要提出一种分数阶D类并联谐振逆变器。

技术实现要素：

为克服上述技术的不足，本实用新型的目的是提供一种分数阶D类并联谐振逆变器。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种分数阶D类并联谐振逆变器，包括分数阶并联谐振电路、逆变电路和负载电路，所述分数阶并联谐振电路包括分数阶谐振电容(Cα)和与其串联的分数阶谐振电感(Lβ)，所述逆变电路包括功率开关管(S1和S2)、分别与功率开关管(S1和S2)并联的门极驱动信号(vGS1和vGS2)、分别与功率开关管(S1和S2) 并联的二极管(vDS1和vDS2)和直流电压源(Vi)，所述负载电路包括直流阻断电容(Ccα)、高频变压器(T)和负载(RL)，所述直流电压源经逆变电路逆变输出后接入分数阶并联谐振电路实现将直流电逆变为交流电的功能，功率开关管(S1和S2)顺向串联，功率开关管(S1和S2)的两端设有直流电压源(Vi)并与功率开关管(S1和S2)串联，在功率开关管S2两端引出逆变输出电压，在该逆变输出电压两端串联有分数阶谐振电容(Cα)和分数阶谐振电感(Lβ)，在分数阶谐振电容(Cα)两端引出谐振电压，在该谐振电压两端串入直流阻断电容(Ccα) 及高频变压器(T)，在功率开关管(S1和S2)两端接入反并联二极管(vDS1和vDS2)，并在功率开关管(S1和S2)的栅极和发射极间接入对应的门极驱动信号(vGS1和 vGS2)，通过功率开关管(S1和S2)、门极驱动信号(vGS1和vGS2)、二极管(vDS1和 vDS2)将直流电压源(Vi)的能量，经并联分数阶谐振电路使得输出电压为正弦波；在经过高频变压器(T)的副边接入负载(RL)，工作原理为通过门极驱动信号使两个功率开关管轮流导通形成两个工作模态。

所述分数阶谐振谐振电容的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，iC为分数阶谐振电容电流，vC为分数阶谐振电容电压，α为分数阶谐振电容的阶次且为大于零的正数，Cα为分数阶谐振电容的电容量。

所述分数阶谐振电感的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，vL为分数阶谐振电感的电压，iL为分数阶谐振电感的电流，β为分数阶谐振电感的阶次且为大于零的正数，Lβ为分数阶谐振电感的电感量。

本实用新型的有益效果是：本实用新型结构简单，采用电感和电容的分数阶模型，完全区别于以往的逆变器电路，增加了参数设计的自由度以及可控性，提高D类并联谐振逆变器输出功率的传输效率。

附图说明

图1为本实用新型的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例：

一种分数阶D类并联谐振逆变器，包括分数阶并联谐振电路、逆变电路和负载电路，所述分数阶并联谐振电路包括分数阶谐振电容(Cα)和与其串联的分数阶谐振电感(Lβ)，所述逆变电路包括功率开关管(S1和S2)、分别与功率开关管(S1和S2)并联的门极驱动信号(vGS1和vGS2)、分别与功率开关管(S1和S2) 并联的二极管(vDS1和vDS2)和直流电压源(Vi)，所述负载电路包括直流阻断电容(Ccα)、高频变压器(T)和负载(RL)，所述直流电压源经逆变电路逆变输出后接入分数阶并联谐振电路实现将直流电逆变为交流电的功能，功率开关管 (S1和S2)顺向串联，功率开关管(S1和S2)的两端设有直流电压源(Vi)并与功率开关管(S1和S2)串联，在功率开关管S2两端引出逆变输出电压，在该逆变输出电压两端串联有分数阶谐振电容(Cα)和分数阶谐振电感(Lβ)，在分数阶谐振电容(Cα)两端引出谐振电压，在该谐振电压两端串入直流阻断电容(Ccα) 及高频变压器(T)，在功率开关管(S1和S2)两端接入反并联二极管(vDS1和vDS2)，并在功率开关管(S1和S2)的栅极和发射极间接入对应的门极驱动信号(vGS1和 vGS2)，通过功率开关管(S1和S2)、门极驱动信号(vGS1和vGS2)、二极管(vDS1和 vDS2)将直流电压源(Vi)的能量，经并联分数阶谐振电路使得输出电压为正弦波；在经过高频变压器(T)的副边接入负载(RL)，工作原理为通过门极驱动信号使两个功率开关管轮流导通形成两个工作模态；采用分数阶谐振电路可以通过引入分数阶元件的阶次作为附加的调节参数获得更大的调节范围及更好的滤波效果，扩大了谐振频率的调节范围，有利于最大效率点的选取。分数阶谐振电容的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中， iC为分数阶谐振电容电流，vC为分数阶谐振电容电压，α为分数阶谐振电容的阶次且为大于零的正数，Cα为分数阶谐振电容的电容量，通过此计算公式可选取数阶电容的阶次以提高D类并联谐振逆变器输出功率的传输效率。分数阶谐振电感的电压、电流微分关系满足：相位关系满足：其中，vL为分数阶谐振电感的电压，iL为分数阶谐振电感的电流，β为分数阶谐振电感的阶次且为大于零的正数，Lβ为分数阶谐振电感的电感量，通过此计算公式可选取数阶电感的阶次以提高D类并联谐振逆变器输出功率的传输效率。

本实用新型结构简单，采用分数阶元件实现的D类并联谐振逆变器，完全区别于以往的逆变器电路，增加了参数设计的自由度以及可控性，提高D类并联谐振逆变器输出功率的传输效率。