高频LLC负载匹配感应加热电源的研究

辽宁工业大学电子与信息工程学院 张 晴 孟丽囡 王慧宁

0 引言

感应加热电源负载呈现阻感特性，Q一般较高。为提高效率，输出额定功率，需对负载进行匹配。LLC负载匹配能实现电流变换，可替代变压器匹配，有利于电源小型化，经济方便，功率因数高，适合高频的感应加热场合[1]。

1 LLC特性分析[2-3]

1.1 负载特性

LR—线圈等效电感；R—线圈等效内阻；Ls—匹配电感；C—补偿电容；U0—逆变器输出电压幅值；UC—电容电压。

由式(1)得负载幅频、相频特性。可以看出：回路有ω1和ω0两个谐振点(ω1<ω0)，本文采用了电压型逆变器，所以应使回路工作于感性状态以减小开关损耗，通常选在ω>ω0区域。设ω0为理想的频率工作点，由式(1)得：

由此可见，谐振状态下的负载电路不是纯阻性，而是略带感性。

1.2 负载功率特性分析

电压型逆变器U0为逆变器输出的基波电压,当ω≈ω0时，电源输出功率达到最大：

1.3 负载电流、电压特性分析

电流传递函数：

综上，Q值较大时，UC滞后U0约90°，此角度受参数变化影响不大，可作为锁相引入量。

1.4 参数设计

电压型逆变器发生串联谐振，为使负载输出最大功率，电路工作状态应为感性或阻性，即LLC阻抗角φ≥0恒成立，所以tan(φ)=tan[Z(ω)]≥0。由此式得到关于ω的5次多项式，然后提取公因子得：

由式(18)近而推得β≥ Q/2 即Q≤2β。又因为电路在ω0处为小感性，因此其相位角应小于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取值范围为(β+1,2β]。因为增大Q可减小负载相位角，更接近于谐振状态，降低开关损耗，提高电源效率，因此Q取2β处的值。

2 仿真

已知参数：f0=100KHZ，P=5KW，R=0.2Ω，V1=447V。计算公式如下：

由上式求得：

C=0.398μF,LR =7µH,LS=70µH。

仿真波形图如(1)～(3)所示：

(1)输出功率P与频率f的关系图（见图1）

由图1可知，在逆变器频率工作点f0(100KHZ)处输出功率最大，最大为P0=5KW。

(2)电压U0与电流i0的波形图（见图2）

从图2可以看出LLC负载工作于小感性状态，相位角约25°接近由式(8)计算的理论值26.5°。

图1 输出功率P与频率f的关系图

图2 电压U0与电流i0的波形

(3)电压U0与电压UC的波形图（见图3）

图3 电压U0与电压UC的波形

图3中电压UC滞后电压U0约90°，说明相位锁定。

上述波形证明参数设计方法可行。

3 结束语

本文在分析LLC特性基础上，提出了一种Q值估计的方法，根据估计得到的Q值计算相应的补偿电感和电容等参数。此方法所需的已知量少，计算量小，参数设计方法详细，仿真波形无畸变。仿真结果说明逆变器工作频率能跟随负载谐振频率的变化，使电源输出最大功率，提高电源效率。输出电压、电流的相位角约为25°，满足小感性，有效地降低了开关损耗。

[1]李金刚,孙琪,刘卫武.基于LLC负载谐振电路负载匹配的高频感应加热电源研究[C]//中国电工技术学会电力电子学会学术年会,2010.

[2]张年福.基于LLC谐振负载的感应加热电源的研究[D].天津大学,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.