大容量高频谐振逆变器关键技术的研究

论文摘要

大容量高频谐振逆变器电源广泛应用在工业领域的透热、熔炼、铸造、轧钢淬火、回火、退火、焊接、烘干等场合,这可以满足绝大多数工业热处理的要求,对国民经济发展有很大的推动作用。大容量高频谐振逆变器包含了大容量高频谐振逆变器主电路拓扑研究、负载匹配研究、扩容技术研究、驱动电路设计、锁相环电路设计以及涉及到高频、高效应用的软开关关键技术的研究。国内对大容量高频谐振逆变器电源研究起步较晚,技术相对落后,同时许多在中频和超音频下可以忽略的问题,在大容量、高频下不可忽略。本文在河北省自然科学基金“大容量高频DC-AC逆变器软开关技术”（No.E2009000714）支持下,研究了大容量高频谐振逆变器中的关键技术,设计研制出了一体化电源样机,包含的主要内容和成果如下：1.将有限双极性控制方法应用在电压型谐振逆变电源中,实现了功率器件的软开关,减少了功率器件的开关损耗；完成了功率的调节,且功率调节范围宽；输出电流近似为正弦波且连续。2.电流型谐振逆变器直流侧采用大电感滤波,容易并联扩容,负载匹配方法灵活,易于负载调功。通过主电路拓扑串联的小电感以及并联电容的改进,解决了过压、电流上升率过快以及密勒电容效应的问题,提高了功率器件开关速度,并保证了主电路工作的稳定性。3.设计出三阶CLC负载槽路,取代高频匹配变压器,实现高效、低成本的负载匹配。通过调节储能电容值的大小,来调节输出功率和频率的大小,使电源输出功率、频率的范围变宽,降低了功率开关管选择要求；通过开关频率的改变以及三阶CLC负载中电容比例的定量分析,权衡输出电流与负载线圈支路电流大小,确定小容性工作范围和输出有功功率最大值。4.综合考虑并联功率MOSFET本身参数与外围电路线路参数对开关性能的影响,通过对并联功率器件的开关过程建模、仿真,定量界定了器件参数一致性的选择范围,保证了开通的一致性,动态均流以及零电流开通；提出了一种电容箝位电路,抑制了关断过电压,降低功率损耗。给出改进的功率模块参数设计公式,计算出参数值,将其模块应用于电流型谐振逆变器进行实验,500kHz工作频率下,并联均流能达到栅源电压同步时间差小于5ns,同时实现了MOSFET软开关,降低开关损耗。5.提出了适合高频谐振逆变器中功率MOSFET的谐振电流型驱动电路,并详细分析了其工作过程,不仅实现了驱动控制电路的数字化,且具有高速、低损耗等一系列的优点。6.根据谐振逆变器所需锁相环的性能特点,设计出具有跟踪范围宽、锁相精度高,跟踪响应快,实现了us级的频率跟踪锁相速度的锁相环电路,克服了现场环境噪声影响。并设计出可控容性工作角度的全数字锁相环电路,可灵活调节容性角度,在高频电流型CLC谐振逆变器工作中具有实用性和优越性。最后将上述方案综合应用.设计出一台400kW/400kHz的大容量高频电流型谐振逆变器样机,并进行了试验研究,验证了本文所提到的控制策略和所得结论的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 绪论
• 1.2 软开关逆变技术研究现状
• 1.2.1 谐振直流环逆变器
• 1.2.2 谐振极逆变器
• 1.2.3 负载谐振逆变器
• 1.3 负载谐振逆变器主电路拓扑的研究现状
• 1.4 扩容技术的研究现状
• 1.4.1 单管并联一致性的研究现状
• 1.4.2 模块的并联扩容技术研究现状
• 1.5 驱动电路的研究现状
• 1.6 功率调节和锁相跟踪的研究现状
• 1.6.1 功率调节的研究现状
• 1.6.2 锁相环技术的研究现状
• 1.7 本文所作工作
• 第二章 谐振逆变器主电路研究
• 2.1 高频电压型谐振逆变电源新型软开关调功策略
• 2.1.1 电压型谐振逆变器中移相调功的限制
• 2.1.2 新型软开关调功的工作原理
• 2.1.3 功率调节
• 2.1.4 实验验证
• 2.2 改进型电流型谐振逆变器调功策略
• 2.2.1 改进型电流谐振逆变器的工作原理
• 2.2.2 负载匹配调功方案
• 2.2.3 仿真与实验
• 2.3 本章小结
• 第三章 扩容技术的研究
• 3.1 功率MOSFET一致性的研究
• 3.1.1 功率MOSFET的可靠性
• 3.1.2 并联功率MOSFET开关过程分析
• 3.1.3 并联功率模块的改进及其设计
• 3.1.4 实验验证
• 3.2 电流型逆变器并联的优势
• 3.3 本章小结
• 第四章 高频电流型谐振逆变器功率MOSFET驱动电路研究
• 4.1 高频桥式谐振驱动电路要求
• 4.1.1 结电容的变化
• 4.1.2 导通电阻的变化
• 4.1.3 驱动电路供电电源的选择
• 4.2 适合高频谐振逆变器的功率MOSFET驱动电路
• 4.2.1 驱动电路
• 4.2.2 驱动电路工作过程分析
• 4.2.3 驱动逻辑控制信号
• 4.2.4 实验验证
• 4.3 驱动保护电路
• 4.3.1 过流保护
• 4.3.2 过热保护
• 4.3.3 过压保护
• 4.4 本章小结
• 第五章 锁相环电路
• 5.1 模拟锁相环
• 5.1.1 模拟锁相环中的噪声
• 5.1.2 各个模块的选取以及参数计算
• 5.1.3 锁相环仿真与实验
• 5.1.4 锁相环性能的改进
• 5.1.5 试验波形
• 5.2 可控容性角度数字锁相环的设计
• 5.2.1 可控容性角度的数字锁相环的设计
• 5.2.2 可控容性角度的数字锁相环数字化实现方法
• 5.2.3 仿真与实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 大容量高频电流型谐振逆变器样机的研制
• 6.1 逆变器样机系统
• 6.2 样机的参数
• 6.3 样机的测试
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 致谢
• 作者简介
• 附录