一种用于双E类逆变器的宽负载域系统的制作方法

本实用新型属于感应加热技术领域，涉及一种用于双e类逆变器的宽负载域系统。

背景技术：

铝、铜等弱磁性金属材料在感应加热装置中应用广泛，但弱磁性材料的导磁系数接近空气，加热难度大。为了提高加热效率，节省电源体积，通常采用lc谐振槽路的双e类逆变器以提高感应加热电源的频率，利用谐振原理实现了电路软开关，减小了开关损耗。

二阶lc谐振槽路的双e类逆变器零电压开关的范围较窄，对于负载的变化较为敏感，实际感应加热过程中加热材料的电阻会随时间而变化，负载的不匹配对电路效率有较大的影响。

三阶llc谐振槽路的双e类逆变器增加了负载谐振槽路的自由度，通过调节匹配电感与等效电感的比例来实现负载的等效变换，将负载等效变换到较小范围内，减小软开关对负载变化的敏感程度，满足感应加热电源的实际应用需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于双e类逆变器的宽负载域系统，实现了更宽负载范围内的软开关，解决了双e类逆变器软开关对负载变化敏感的问题。

本实用新型所采用一个的技术方案是：一种用于双e类逆变器的宽负载域系统，包括直流输入电压源uin，所述直流输入电压源uin的正极分别连接第一扼流电感l1和第二扼流电感l2；第一扼流电感l1分别连接第一开关管s1的漏极、第一电容c1和llc谐振单元的一端；第二扼流电感l2连接第二开关管s2的漏极和第二电容c2；llc谐振单元的另一端分别与第二电容c2和第二开关管s2的漏极连接；第一开关管s1的源极、第一电容c1、第二电容c2和第二开关管s2的源极均与直流输入电压源uin的负极连接。

本实用新型所采用一个技术方案的特点还在于，

llc谐振单元包括匹配电感ls，匹配电感ls连接等效电感lr和谐振电容cr，等效电感lr连接负载电阻r，负载电阻r与谐振电容cr连接。

匹配电感ls与第一扼流电感l1、第一开关管s1的漏极和第一电容c1连接；负载电阻r与第二开关管s2的漏极和第二电容c2连接；谐振电容cr连接第二开关管s2的漏极和第二电容c2连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种用于双e类逆变器的宽负载域系统，采用在逆变器电路中增加了llc谐振单元，增加了负载槽路设计的自由度；通过调节匹配电感与等效电感的比例来实现负载的等效变换，实现了阻抗变换，将负载等效变换到较小范围内，减小了双e类逆变器对负载变化的敏感程度，使其能在更宽的负载范围内实现软开关，满足感应加热电源的实际应用需求。

附图说明

图1是本实用新型一种用于双e类逆变器的宽负载域系统的原理图；

图2是本实用新型一种用于双e类逆变器的宽负载域系统匹配方法的匹配曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供了一种用于双e类逆变器的宽负载域系统，如图1所示，包括直流输入电压源uin，直流输入电压源uin的正极分别连接第一扼流电感l1和第二扼流电感l2；第一扼流电感l1分别连接第一开关管s1的漏极、第一电容c1和llc谐振单元的一端；第二扼流电感l2连接第二开关管s2的漏极和第二电容c2；llc谐振单元的另一端分别与第二电容c2和第二开关管s2的漏极连接；第一开关管s1的源极、第一电容c1、第二电容c2和第二开关管s2的源极均与直流输入电压源uin的负极连接。

llc谐振单元包括匹配电感ls，匹配电感ls连接等效电感lr和谐振电容cr，等效电感lr连接负载电阻r，负载电阻r与谐振电容cr连接；

匹配电感ls与第一扼流电感l1、第一开关管s1的漏极和第一电容c1连接；负载电阻r与第二开关管s2的漏极和第二电容c2连接；谐振电容cr连接第二开关管s2的漏极和第二电容c2连接。

直流输入电压源uin输入直流电压源，通过直流电池或由交流电整流得到的直流电，为系统提供电能；第一开关管s1和第二开关管s2分别以50％的占空比交替导通为负载电阻r供电，第一开关管s1和第二开关管s2选择mosfet或者igbt等功率管，需要承受的电压为3.55倍的直流输入电压，流过第一开关管s1和第二开关管s2的电流分别为直流输入电流的1.6倍；

第一扼流电感l1和第二扼流电感l2用以稳定输入电流，通常这第一扼流电感l1和第二扼流电感l2的电感值足够大，使得输出电流为正弦波；

第一电容c1和第二电容c2根据实际负载情况进行设计，与llc谐振单元共同实现软开关。

一种用于双e类逆变器的宽负载域的匹配方法，按照以下具体步骤实施：

步骤1，在谐振点ω0时，根据llc谐振单元等效变换方法计算匹配电感ls和等效电感lr的比值α，将负载电阻r变换为等效电阻r；

步骤2，计算负载电阻r与等效电阻r之间的等效变换；再根据输入和输出功率平衡原则，计算感应加热负载的等效电阻；目的为了实现阻抗变换，将负载等效变换到较小范围内，减小了双e类逆变器对负载变化的敏感程度，使llc谐振单元能在更宽的负载范围内实现软开关；

步骤3，当负载电阻r达到最优值ropt时，负载电阻ropt大于等效电阻r，根据步骤2中计算出负载电阻r与等效电阻r的等效变化关系即为ropt≥xlα/2，再结合步骤2中计算感应加热负载的等效电阻可知r≥ropt，实际负载电阻值r增大，谐振电路的等效电阻值r减小，逆变器电路可实现软开关，逆变器电路整体效率较高；

若r<ropt时，通过谐振原理可知此时逆变器电路为硬开关，会产生较大的电流尖峰，损害电路器件；根据llc谐振单元等效变换方法应当调节匹配电感ls与等效电感lr的比值α关系，满足r≥ropt，逆变器电路实现软开关。

如图2所示，负载电阻r变化时负载网络等效电阻r和等效电抗x的变化曲线。负载电阻的最优值为ropt，llc谐振单元的等效电抗为x，调节等效变换系数α，当满足ropt≥x/α时，随着实际负载电阻值r的增大，谐振电路的等效电阻值r减小。

步骤1中，计算等效变换系数α为匹配电感ls和等效电感lr的比值α的公式为：

ls/lr＝α(1)

其中，第一电容c1、第二电容c2为：

式中，r为负载电阻，ω＝2πf为双e类逆变器工作角频率；

第一扼流电感l1和第二扼流电感l2为：

谐振电容cr为：

式中，f为双e类逆变器工作频率，q为逆变器品质因数；

q＝ω0l/r(5)

式中，ω0为谐振角频率，l为lslr/(ls+lr)。

步骤2中，计算llc谐振单元的负载电阻r与等效电阻r之间的等效变换；

在谐振点ω0时，llc槽路输入阻抗为

设llc谐振单元电流增益为负载电流ir与逆变器输出电流io之比，即：

在谐振点ω0时

当llc谐振单元的品质因数较大时

根据输入和输出功率平衡原则，感应加热负载的等效电阻为

r≈α²r(10)

llc谐振单元工作于谐振频率时，等效电阻r和等效感抗x分别为：

对r求导，并令dr/dt＝0可得：

带入公式(11)可得等效电阻r为：

当负载电阻r逐渐增大，q趋于0时

x≈αωl＝αxl(14)

xl式中为等效电感l的感抗。

由此可以得到负载电阻r变化时负载网络等效电阻r和等效电抗x的变化曲线如图2。负载电阻的最优值为ropt，llc谐振单元的等效电抗为x，调节等效变换系数α，当满足ropt≥x/α时，随着实际负载电阻值r的增大，谐振电路的等效电阻值r减小。

通过负载匹配设计，在[ropt，∞]的范围内均能满足双e类逆变器实现软开关时对负载的要求，减小了双e类逆变器对负载电阻变化的敏感程度，适用于感应加热过程中负载电阻会增大的场合。

通过上述方式，本实用新型的一种用于双e类逆变器的宽负载域系统，采用在逆变器电路中增加了llc谐振单元，增加了负载槽路设计的自由度；通过调节匹配电感与等效电感的比例来实现负载的等效变换，实现了阻抗变换，将负载等效变换到较小范围内，减小了双e类逆变器对负载变化的敏感程度，使其能在更宽的负载范围内实现软开关，满足感应加热电源的实际应用需求。