电压型负载谐振变换器谐振槽路参数优化设计与负载匹配的研究

摘要

在介绍负载谐振变换器的概念、应用领域、研究现状的基础上,探讨了负载谐振变换器的几个关键问题.研究了大功率高频正弦波电源的参数优化设计方法和感应加热负载匹配问题.实验和工程实践证明了分析结果的正确性. 在利用负载并联谐振电路(PRC)作为实现手段的大功率高频正弦波电源研究中,为了简化参数设计和特性分析,提出了引入品质因数和电源频率f<,s>与谐振频率f<.r>的比值k作为中间变量的分析方法.在研究它们与输出电压波形畸变率THDV的关系后得出结论:合理的参数设计可以使变换器输出满足要求的正弦波电压. 提出了优化和k的设计方法,给出了基于电源输出额定电压、额定功率的参数设计表达式.深入研究了PRC电路在电源设计中的特性.从输出电压、输出电流、谐振逆变器工作状态等诸方面分析了与、k的关系,给出了各表达式的数值曲线.综合考虑了优化输出波形、降低设计成本、改善逆变器工作状态等多因素. 完成了20kHz的大功率正弦波系列电源系统设计,给出了5kW电源的仿真和实验波形.该系列电源在实际设备中已经得到应用,性能良好. 研究了三储能元件的负载谐振变换器在电压型感应加热电源负载匹配中的应用. 给出了基于感应加热负载特殊性的三储能元件电路拓扑族.利用等效分析电路方法,对所有的电路拓扑进行了研究,结论是只有6种拓扑可以实现负载匹配功能.对适用于电压型逆变器的3种拓扑进行了深入的研究. 提出在高频感应加热中,过补偿方式相对于欠补偿更具优势的观点.从负载的匹配范围、匹配和补偿元件承受的电气参数、电路对负载线圈参数变化的灵敏度、对开关损耗的影响等多角度进行了分析,比较了三种电路的优缺点. 提出了在高频感应加热控制中应用DSP的全数字锁相方法,为负载谐振变换器全数字控制的研究打下良好的基础. 全文分析的负载谐振变换器在实际应用中很具代表性,文中介绍了一些新的分析方法,得出结论的正确性已被仿真和实验所证明.对两种领域的应用设计均有指导意义.根据理论分析设计的电源设备已得到应用,取得了一定的经济效益.

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

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1.负载谐振变换器的研究背景和意义

1.1软开关的概念

1.2负载谐振变换器的种类

1.2.1二阶负载谐振槽路

1.2.2三阶负载谐振槽路

1.3常用负载谐振变换器拓扑

1.3.1负载串联谐振变换器(SRC)

1.3.2负载并联谐振变换器(PRC)

1.3.3串并联型负载谐振变换器(LCC)

1.3.4 LCL型三阶负载谐振电路

1.3.5四阶及更高阶数电路研究举例

1.4负载谐振变换器在大功率逆变电源中的应用

1.4.1负载谐振变换器在软开关中的应用

1.4.2负载谐振变换器在改善电源输出性能中的应用

1.5本文研究的主要内容和章节安排

2.负载谐振变换器的一些特殊问题

2.1逆变器开关器件的工作状态

2.1.1感性换相状态分析

2.1.2容性换相状态分析

2.1.3死区内换相状态分析

2.1.4负载谐振变换器三种换相状态的仿真

2.2负载谐振变换器的功率调节方式

2.2.1负载谐振变换器的调幅调功(PAM)

2.2.2负载谐振变换器的调频调功(PFM)

2.2.3负载谐振变换器的全桥移相PWM调功(FB-PWM)

2.2.4负载谐振变换器的脉冲密度调功(PDM)

2.2.5负载谐振变换器的死区控制调功

2.3本章小结

3.PRC变换器实现大功率高频正弦波电源的研究

3.1电压型负载谐振变换器简介

3.1.1负载串联谐振变换器(SRC)的基本特点分析

3.1.2负载并联谐振变换器(PRC)的基本特点分析

3.2负载并联谐振变换器输出波形研究

3.3负载并联谐振变换器工作状态研究

3.3.1谐振槽路相量图分析

3.3.2谐振槽路电压电流相位数值分析

3.3.3逆变器工作状态分析

3.3.4逆变器工作状态仿真与实验

3.3.5本节小结

3.4负载并联谐振变换器谐振槽路电流与负载输出电流的关系研究

3.5 PRC变换器对不同负载的适应性研究

3.5.1负载性质

3.5.2阻感性负载的基本表达式

3.5.3 PRC变换器带阻感性负载时的特性

3.6输出正弦波电压的大功率电源的设计

3.6.1谐振槽路参数设计分析

3.6.2电源系统和参数设计方法

3.6.3仿真和实验结果

3.7本章小结

4.基于三阶负载谐振电路的感应加热电源负载匹配研究

4.1感应加热电源基本原理和特点

4.1.1感应加热的基本原理

4.1.2感应加热的特点

4.1.3感应加热电源的基本类型

4.1.4感应加热电源功率调节方式简介

4.1.5感应加热电源的电磁耦合负载匹配方法

4.2静电感应负载匹配中的三阶谐振电路族

4.2.1三阶谐振电路族拓扑结构

4.2.2三阶谐振电路族对负载匹配的特性分析

4.2.3仿真结果

4.2.4本节小结

4.3三种电压型感应加热静电感应负载匹配静特性分析

4.3.1电压型逆变器负载匹配的电路拓扑

4.3.2电压型逆变器负载匹配的电路静特性分析

4.3.3仿真与实验结果

4.3.4本节小结

4.4电压型感应加热静电感应负载匹配动态响应及逆变器损耗分析

4.4.1过补偿开通状态和开通损耗分析

4.4.2欠补偿开通状态和开通损耗分析

4.4.3两种补偿方式开关管的开通损耗比较

4.4.4仿真和实验结果

4.4.5本节小结

4.5过补偿LRCL电路的几个特性

4.6感应加热控制电路中的数字锁相技术

4.6.1 DPLL的原理

4.6.2基于DSP的DPLL算法实现

4.6.3实验结果

4.7本章小结

5.全文总结

5.1工作总结

5.2论文创新点

5.3后续工作

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的主要论文