高頻LLC負載匹配感應加熱電源的研究

遼寧工業大學電子與信息工程學院 張 晴 孟麗囡 王慧寧

0 引言

感應加熱電源負載呈現阻感特性，Q一般較高。為提高效率，輸出額定功率，需對負載進行匹配。LLC負載匹配能實現電流變換，可替代變壓器匹配，有利于電源小型化，經濟方便，功率因數高，適合高頻的感應加熱場合[1]。

1 LLC特性分析[2-3]

1.1 負載特性

LR—線圈等效電感；R—線圈等效內阻；Ls—匹配電感；C—補償電容；U0—逆變器輸出電壓幅值；UC—電容電壓。

由式(1)得負載幅頻、相頻特性。可以看出：回路有ω1和ω0兩個諧振點(ω1<ω0)，本文采用了電壓型逆變器，所以應使回路工作于感性狀態以減小開關損耗，通常選在ω>ω0區域。設ω0為理想的頻率工作點，由式(1)得：

由此可見，諧振狀態下的負載電路不是純阻性，而是略帶感性。

1.2 負載功率特性分析

電壓型逆變器U0為逆變器輸出的基波電壓,當ω≈ω0時，電源輸出功率達到最大：

1.3 負載電流、電壓特性分析

電流傳遞函數：

綜上，Q值較大時，UC滯后U0約90°，此角度受參數變化影響不大，可作為鎖相引入量。

1.4 參數設計

電壓型逆變器發生串聯諧振，為使負載輸出最大功率，電路工作狀態應為感性或阻性，即LLC阻抗角φ≥0恒成立，所以tan(φ)=tan[Z(ω)]≥0。由此式得到關于ω的5次多項式，然后提取公因子得：

由式(18)近而推得β≥ Q/2 即Q≤2β。又因為電路在ω0處為小感性，因此其相位角應小于45°[4]，即tan θ＜1。由β=Q tan θ -1得Q＞β+1。而β值大于1，所以Q取值范圍為(β+1,2β]。因為增大Q可減小負載相位角，更接近于諧振狀態，降低開關損耗，提高電源效率，因此Q取2β處的值。

2 仿真

已知參數：f0=100KHZ，P=5KW，R=0.2Ω，V1=447V。計算公式如下：

由上式求得：

C=0.398μF,LR =7μH,LS=70μH。

仿真波形圖如(1)～(3)所示：

(1)輸出功率P與頻率f的關系圖（見圖1）

由圖1可知，在逆變器頻率工作點f0(100KHZ)處輸出功率最大，最大為P0=5KW。

(2)電壓U0與電流i0的波形圖（見圖2）

從圖2可以看出LLC負載工作于小感性狀態，相位角約25°接近由式(8)計算的理論值26.5°。

圖1 輸出功率P與頻率f的關系圖

圖2 電壓U0與電流i0的波形

(3)電壓U0與電壓UC的波形圖（見圖3）

圖3 電壓U0與電壓UC的波形

圖3中電壓UC滯后電壓U0約90°，說明相位鎖定。

上述波形證明參數設計方法可行。

3 結束語

本文在分析LLC特性基礎上，提出了一種Q值估計的方法，根據估計得到的Q值計算相應的補償電感和電容等參數。此方法所需的已知量少，計算量小，參數設計方法詳細，仿真波形無畸變。仿真結果說明逆變器工作頻率能跟隨負載諧振頻率的變化，使電源輸出最大功率，提高電源效率。輸出電壓、電流的相位角約為25°，滿足小感性，有效地降低了開關損耗。

[1]李金剛,孫琪,劉衛武.基于LLC負載諧振電路負載匹配的高頻感應加熱電源研究[C]//中國電工技術學會電力電子學會學術年會,2010.

[2]張年福.基于LLC諧振負載的感應加熱電源的研究[D].天津大學,2011.

[3]Zhou M L,Li Y P,Wang J C.10KW/100KHZ High Frequency Induction Heating Power Supply Design[J].Advanced Materials Research,2014,1008-1009:637-640.

[4]Espi J M,Dade E J,Ferreres A.Steady-state Frequency Analysis of LLC Resonant Inverter for Induction Heating[A].In:IEEE International Power Electronics Congress Technical Proceeding,CIEP[C].Cuernavaca,Mexico,IEEE,1996:22-28.