哈尔滨工业大学管乐诗、刘畅 等｜宽负载范围超高频功率变换技术：谐振参数设计与匹配网络构建

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超高频功率变换器能有效减小电源中无源元件的数值与体积，极大地提高系统的功率密度。其中，超高频逆变器在等离子体发生、无线电能传输、医疗成像等众多领域具有广泛的应用前景。 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的管乐诗、刘畅、王懿杰、徐殿国在2022年第24期《电工技术学报》上撰文，针对宽负载超高频逆变系统进行了综述。首先从谐振参数计算的角度介绍并比较了多种超高频逆变器拓扑及其参数设计方法，结合实际应用场景分析了参数设计的适用性。其次，从阻抗压缩角度讨论分析了适用于超高频逆变器的阻抗变换与压缩网络结构，为宽负载范围超高频功率变换器高效运行的后续研究提供理论参考，并对未来发展趋势进行了展望。

随着十四五规划将半导体装备、医疗设备产业创新发展等目标纳入清单，超高频逆变器的作用愈发突出。如芯片刻蚀、沉积等工艺均需要兆赫兹电源来激发等离子体，在无线电能传输领域中，兆赫兹电源被用于激励高频磁场。

然而，上述应用场景中，逆变器均面临着负载动态变化的问题。如在等离子体生成过程与晶体感应加热过程中，超高频逆变器负载的阻性分量和感性/容性分量均大幅变化，导致逆变器性能大幅下降甚至无法正常工作。同时由于较高的开关频率，超高频功率变换器一般难以通过频率或占空比的调节来实现单周期闭环控制。因此如何解决宽负载范围变化条件下超高频功率变换器的高效运行问题成为了亟待突破的难点。

哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员首先从超高频逆变器本身角度考虑，从时域和频域两个角度介绍了统的准谐振与全谐振式拓扑在变化负载下的参数优化方案；其次，从阻抗变换与压缩网络考虑，介绍了一系列压缩网络结构并对比其压缩效果；对于非阻性负载，介绍了调频、电容投切、电阻相位分步压缩等压缩方案。最后，对超高频逆变器及阻抗压缩网络未来的发展趋势进行了展望。

他们指出，在实际应用中，超高频逆变器面对着动态变化且变化范围极宽的负载，而超高频逆变器因其谐振式工作方式只能承受极窄范围的负载。因此，为适应宽范围动态变化的负载环境，需要从逆变器参数设计、阻抗控制两方面入手，寻求使逆变器适应宽范围负载或将宽范围负载调节至逆变器额定负载的解决方案。对现有工作的介绍、对比、总结如下：

1、超高频逆变器谐振参数设计

超高频逆变电路主要为 Class D、 Class E、Class Φ2 等电路拓扑。Class D逆变电路对驱动电路的设计和控制均提出了较高要求，其软开关往往依赖动态的死区时间控制。因此以 Class D逆变电路为代表的半桥型超高频谐振电路的工作频率还相对较低。

基于扼流电感的准谐振式Class E、Class Φ2 逆变电路能够在一定负载条件下实现开关管的零电压以及零电压导数开通。但是其能够高效工作的负载范围较窄，且工作方式不利于超高频功率变换器体积的减小与功率密度的提升。准谐振式Class E、Class Φ2逆变电路经过特殊的电感电容比例设计可以使软开关效果与负载保持无关性，但这种方法仅针对阻性负载，当负载存在感性或容性分量时，软开关将难以保持。

2、阻性负载型阻抗压缩网络

除对逆变器结构、参数进行特殊设计外，还可以通过阻抗变换网络解决逆变器与负载不平衡的问题。其中，由静态电感电容构建的两元件网络只能够在额定点处实现阻性变换。随着负载的增大或减小，会在输入侧阻抗中引入较大的容性或感性分量，导致谐振逆变电路偏离最优工作点，造成开关器件软开关特性的丢失和系统效率的下降。因此，从压缩效果上看，两元件网络只能将阻抗从一个区域大致投射到另一个区域，无法实现精准的阻抗压缩。

改进式的由三个元件构成的阻抗变换网络电路通过电容参数比值或电感参数比值的优化，可避免输出侧电阻变化所导致的输入侧容性或感性分量。但是，变换后输入侧电阻会大幅变化，较大的电阻变化范围会导致开关管阻抗网络特性改变，从而导致逆变电路工作点偏移。因此，传统的两元件或三元件匹配网络在变换后负载特性不受控，因此无法应用在非阻性负载变化的场景下。

3、非阻性负载型阻抗压缩网络

为解决非阻性负载有效压缩问题，可以通过调整系统的开关频率实现输入侧阻抗动态调整。但是现有数字控制器无法实现频率的连续改变，数字控制器输出的离散频率控制信号会导致动态阻抗压缩网络无法连续调节。

此外，还可通过调整无源元件值调节阻抗，例如通过调整两元件或三元件网络中电感、电容的感值、容值来调节网络的阻抗特性，但是，电感电容的调节速度较慢，系统状态切换过程中，系统工作在非最优工作状态下，导致逆变电路无法高效工作。综上所述，现有非阻性负载阻抗压缩网络大多以元件状态切换为代价，难以实现连续调节。

4、有源阻抗调制系统

在传统方案中，主要是通过硬件结构的设计实现阻抗的变换与压缩，可以看出，为了压缩的效果更好，实现更为精准的投射，就需要继续增加系统参数设计的自由度，传统方法只能通过增加元件个数来实现，从而增加了系统的体积、复杂度与成本。因此，未来的发展方向可以围绕多路变换器组合网络的负载阻抗压缩进行设计。

有源阻抗调制方法中，当负载电抗发生变化时，两支路中输入电压的幅值比和相位差可以被动态调节，以分别控制两支路中流过功率的比例。由此，负载的电抗可以被容性或感性支路补偿。这种网络可以将电抗分量变化较大的负载转换为纯阻性负载，逆变器可以在任意负载处工作在理想的软开关状态。

在上述网络的基础上，进一步提出了“有源+无源”的两步式阻抗压缩方案，其中无源网络首先将负载进行阻抗匹配，并实现较小范围的压缩，三端口有源压缩网络针对性地对每个阻抗点进行进一步阻抗匹配，使在宽范围内变化的所有负载点均落入理想的区间内。在这种混合的压缩方案下，阻抗的压缩范围可以被进一步提升，进而提升了使超高频逆变器能够高效工作的负载范围。

本文编自2022年第24期《电工技术学报》，论文标题为“宽负载范围超高频功率变换技术：谐振参数设计与匹配网络构建”。本课题得到国家自然科学基金、台达电力电子科研基金项目的支持。

引用本文

管乐诗, 刘畅, 王懿杰, 徐殿国. 宽负载范围超高频功率变换技术：谐振参数设计与匹配网络构建[J]. 电工技术学报, 2022, 37(24): 6170-6182. Guan Yueshi, Liu Chang, Wang Yijie, Xu Dianguo. Wide Load Range Very High Frequency Power Conversion Technology: Resonant Parameter Design and Matching Network Construction. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(24): 6170-6182.

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