电感品质因子就是Q。频率就是谐振频率。电感量和电阻值就是串联谐振中电感的电感量和线圈的电阻值。
如果进行个简单计算。就拿zvs推高压包的SGTC..初级线圈产生电磁振荡,激励次级线圈谐振。初级线圈就相当于次级线圈的激励电源。次级线圈就是发生串联谐振的部分。高压包输出电压一般万伏特左右。激励电压按1万伏特算。。次级线圈的Q值按100算,如果“完美”谐振,那么次级线圈谐振电压能达到 100*10000=1百万伏特。。如此之高的电压,自然就形成了闪电一样的电晕。如果用导体去引,自然形成了电弧
既然知道升压的原理。那么咱们就进入核心人物~DRSSTC
大家首先来看一下DRSSTC的整体结构图
如果你看不懂。那么不要着急。先看右半部分。你会发现有初级线圈。初级电容。和次级线圈和顶端(顶端就是次级电容。他其实就是一个光滑的金属球、环等。他们会有对地等效电容。总而言之。就把他当做一个容量特别小的超高压电容看待)。初级线圈(电感)和初级电容串联。次级线圈和次级的顶端(电容)串联。有没有感到似曾相识?
对了。就是上文说的串联谐振。如果我们给初级线圈一个能激励初级线圈和初级电容产生谐振的交流电源。那么初级电感(线圈)和初级电容两端的电压就会按Q倍(初级线圈的Q值)上升(已经把输入电压升高一次)
初级线圈和次级线圈耦合。初级线圈的能量传递到次级线圈。如果初级线圈和次级线圈的谐振频率相同。那么初级线圈就能再以“升高过一次的电压”去激励次级发生串联谐振。使次级线圈的谐振电压再按Q倍(次级线圈的Q值)上升(电压第二次以倍数上升)。(这里只是简单的介绍一下,没有考虑耦合系数因素)
就是这么简单。能使输出电压(次级谐振电压)=输入电压(初级线圈激励电压)*Q1(初级线圈Q值)*Q2(次级线圈Q值)
想一想按乘积增长电压。是多么可怕
下面咱们就来说说这个激励频率=初次级谐振频率的交流电是如何形成的。本文以全桥电路做讲解
下图是一个逆变功率桥的电路。我们称他为全桥。在这之前。 我先说一下IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
总而言之。IGBT就是一种类似于MOS的开关管。在下图中Q1~Q4均为IGBT。他的主要特点是耐压大。载流大。开关频率能达到超音频(10khz~100khz。甚至更高)。最为重要的。就是IGBT是压控开关管。也就是只要给基极一个+18v的高电平。IGBT的集电极和发射极就能导通(单向导通)。给基极一个低电平。集电极和发射极就截止。
了解了IGBT。那么我们来看一下全桥到底是如何工作的:看上方的交流输入A。B。C。在这里输入交流电源。通过二极管(整流桥)整流。再由后面的六个电解电容滤波(如果输入为380v三相电。整流后电压能达到530v。为了使电容有足够的耐压。这里通过串联电解电容。得到较高的耐压)得到整流滤波后的直流电。
接下来。我们先注意这四个开关管Q1。Q2。Q3。Q4。其他的元件先不用去看。当整流后的直流电。正极在Q1和Q3的集电极上。负极接在Q2和Q4的发射极上。
当四个IGBT的基极都是低电平的时候。四个开关管均不导通。整流滤波后的直流电源(以后简称直流电源)不能和任何负载形成回路。因此。逆变输出1和逆变输出2(接在串联的初级线圈和初级电容两端)
这时。如果我们给Q1和Q4的基极同时加入高电平。Q2和Q3继续保持低电平。这样。Q1和Q4就会导通。这样。逆变输出1就接入了直流电源的正极。逆变输出2就接入了直流电源的负极。
接下来。我们再给Q2和Q3的基极接入高电平。Q1和Q4的基极变为低电平。这样。Q1和Q4就会截止。Q2和Q3导通。同理。逆变输出1就接入了直流电源的负极。逆变输出2就接入了直流电源的正极。注意:正好与上一种情况相反
由此可观。如果我们将Q1。Q4与Q2。Q3的互相开启关断的频率改为与初级谐振电路的谐振频率相同。那么初级谐振电路(串联的初级线圈与初级电容)是不是就得到了等于频率等于谐振频率的激励电源?这样初级谐振回路就发生串联谐振。因此电压得以升高
该电路中。TVS是防止电弧打到全桥功率元件上面导致全桥损坏。不过现在制作的特斯拉线圈都会在初级线圈上面加一圈接地的铜管。做主保险。防止电弧打在初级线圈上。而且工业用的感应加热一类的逆变桥。并没有加入TVS。而且有人实验过制作没有在全桥母线上接入TVS的DRSSTC,依然运行良好。
在看每个IGBT栅极上的P6ke18ca。他是保护IGBT栅极。防止电压过高击穿IGBT
栅极上串联的电阻。是为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡。与其并联的二极管。是为了加速IGBT关断
DRSSTC的全桥是工作在软开关的状态下(ZCS。零电流开关)许多人都听说过ZVS(零电压开关)但是却不知道ZVS和ZCS到底是什么意思。下面我来解释一下。ZVS和ZCS都是软开关技术。因为全桥要不断开关两组开关管来产生交流电激励初级线圈谐振。这里就会有一个问题。当开关管通过的电流(电压)越高的时候去截止开关管。那么开关管产生的热量和损耗就会越大。也就意味着开关管温度升高变得不稳定。什么意思呢?我们来举个栗子:有两个相同的IGBT接在相同电压的电路中。一个IGBT导通后承受的电流是1A。另一个导通后承受的电流是100A。如果把这两个IGBT截止。那么承受电流100A的IGBT发热量会远远大于承受电流1A的IGBT。所以。我们要让开关管在承受电流最小的时候关断他。
因为我们之前说过我们要让全桥输出的交流电频率等于初级线圈谐振频率。因此就能做到让电流在理论上为最低时开启或截止IGBT
下面的图清楚的表明的全桥输出电压与电流的关系
串联谐振逆变器本身就是自然换流的,诞生于可控硅的时代,那个时代还没有软开关这个说法,叫做过零关断,不需要人为设置到软开关,其实在这种工作方式下,想硬开关都难。可能会有人问如果激励信号偏频了是不是就硬开了,答案是肯定的,但是偏频后就失谐了,高压消失,大电流也没了。
下一部分说说是如何让全桥工作。产生频率等于初级谐振频率的交流电。。也就是驱动
我想了想。因为他是现在人们用的比较多的驱动电路图
首先看我在上面发的那个drsstc整体结构图。观察右下角的两个互感器。实际上可以认为是一个变压器。变压器初级线圈1匝(全桥接初级电容/电感的导线穿过两个磁环),变压器次级线圈1000匝。先看信号反馈互感器。这样就能得到电压升高。电流减小的频率等于初次级线圈谐振频率的交流信号。然后接入下图驱动中的限幅电路的J3上。由于逻辑电路能承受的电压很低。这里用到了稳压二极管。1n4733和1n5819反向串联。将互感器的高压信号限制在5v左右。通过耦合电容C2(可以看做导线)再经过R4将信号衰减。再次经过两个1n4148进行限幅,接着经过过零检测的施密特触发器。将信号继续整形。然后U3B输出接入一个非门得到与U3B电平相反的信号。再分别接入两个与门(U5A和U5C)PS:U3A的非门设计的优点就是不管其他部分出现什么情况。与门U5A和U5C都不可能同时开启。
先不看下半部分电路。两个与门的输出接入4426驱动器。推动放大电路工作。(实际上就是把与门输出信号放大。此时图腾输出A与图腾输出B输出信号与4426前的两个与门输出信号频率相同。)
现在想一想。在初级谐振回路中加一个互感器。截取初级谐振频率。经过限幅。过零检测。放大。我们是不是就得到了频率等于初级线圈谐振频率的交流信号?如果用这个信号去控制全桥中四个IGBT开关管。那么就完成了自激的任务。
可是这里就有问题了。如果全桥刚刚上电 四个开关管都没有开启。初级谐振回路也不会有电源输入。也就不会根据自身频率产生电磁振荡。那么就不能行程自激。
还有一个问题就是。如果该电路正常运转。全桥输出电源频率等于初级回路谐振频率。那么电容和电感的容抗和感抗就为0(上文说过)唯一的电阻就是导线中的阻抗(非常非常小)。而且串联谐振。lc回路的电压又升高。这样来说。根据欧姆定律。电流可以说是无限大。那么全桥部分一定会承受这无限大的电流。导致开关管瞬间损坏。
如何避免这些问题呢。接下来继续看驱动的电路图
继续上文。那么如何避免电流过大引起的烧坏全桥呢。解决办法就是。让电流没升高到最高值的时候。就让全桥停止工作。断开给初级谐振回路的激励源。这样。初级谐振电路的电流刚升高就会降下来。再让全桥工作。电流升高一点后再降下来看下图此时为谐振时。电感端电压的波形(此时可以注意一下。电源电压为1v。电感端电压最高时能达到几十伏)
串联谐振时。整个谐振回路成阻性负载。看下图。如果当谐振电流到达一定高度的时候。我们停止给谐振回路供电(即关断全桥)使谐振电流降低后。再给谐振回路供电(即使全桥工作)这样就能使全桥工作在安全的电流(谐振电流)范围内。所以。整个drsstc是一开一关的工作。因此我们看到的电弧也是一下一下的喷出来的