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【文原创】ZVS,零电压开通正激拓扑

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xd285070
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副总工程师
  • 2015-9-25 16:45:26
前几天在司马兄的帖子里面讨论推挽怎么不适合做高压输入,由于以前没有做过推挽,于是自己分析了下推挽的工作过程,由于当时没有考虑推挽拓扑在死区时间,由于次级的钳位,以为复位电流是通过前面绕组来复位的,那mos管开通的时候应该是软开关才对?回头看看别人实际的波形,当然后来发现是次级钳位导致的。三绕组的正激不就是前面复位的吗,如果把复位二极管换成mos,会怎么样?


采用,开环控制,40%占空比,10%死区,频率50k,输入电压0v起调

结构图:
拓扑1.png
空载时M1管子的ds波形和驱动波形
IMAG1297.jpg

file:///C:\Users\wxiaodong\Documents\Tencent Files\1710196728\Image\C2C\G6E13W}OGV9$E21LR}`Z8GP.png


本帖最后由 xd285070 于 2015-10-19 09:59 编辑

qinzutaim
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副总工程师
  • 2015-9-25 17:09:43
 
不错的波形!
xd285070
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副总工程师
  • 2015-9-28 11:23:57
 
本来打算周末写的,但是由于家里电脑问题,一直上不去。
水平有限,我尽量说明白一点,肯定有说错的地方,还望纠正。


原理分析:
m1关闭以后,到m2导通之前的死区时间,激励电流开始复位,因为次级只有一个二极管,复位电压被钳位到变比*输出,激励电流值能通过原边复位,电流流过m2体二极管,直到m2导通,激励电流继续减小直到为0,但是由于m2这时还在导通阶段,激励电流开始由负变正,直到m2关闭。
在m2关闭到m1导通之前,激励电流开始复位,电流流过m1体二极管,直到m1导通。


暂停一下,如果m1导通10us,那么激励电流复位的时间也是10us?

如果是,m1和m2都是导通40%的占空比,死区时间20%。
m1导通40%,电流上升时间40%,----死区时间,通过m2体二极管复位10%-----m2导通40%的时间,前面30%时间是复位时间,后面10%是电流换向导通时间---最后10%时间,由m1体二极管提供电流通路,电流刚好为0。
通过我实际测量一个三绕组加rcd复位的正激电源,mos管导通时间为3.84us,激励电流复位时间为3.4us,对,激励电流复位时间实际上会比导通时间少,这就像你给一个空杯子倒水,倒满1kg,在重杯子里倒在桶里,那么杯子里面不粘点水?桶里面的水肯定就比1kg要少一点点了,磁芯存了1mj的能量,我就不相信他可以放出来1mj,总有那么一点效率损失。

mos管导通3.84us

mos管导通3.84us

复位电流3.4us

复位电流3.4us


所以如果激励电流的复位时间小于上升时间,假如说复位时间是激励上升时间的90%。

在回到前面的m1和m2都是导通40%的占空比,死区时间20%。
m1导通40%--复位时间为36%,死区吃掉10%m2导通提供26%,m2继续导通电流换向时间为14%---m2导通14%复位时间为12.6%,死区只能吃掉10%,还有2.6%由m1体二极管提供,m1,m2均为软开关开通。下一个阶段m1的导通时间为40%,复位吃掉了2.6%,电流换向时间变小了,由40%变成37.4%。最终是什么样子,下面的图片我会介绍到。


这个电路分为2中情况,也就是上面图,中k1的位置,接通还是不接通。
k1接通的时候:
短路了输出电感,在m1软开关导通以后,对输出电容充电,对负载放电。峰值电流受到输入电压波动,输出电容容量以及,负载的影响,实测当负载大到一定的程度,输出电压比较低,在输入电压上升阶段,m2会失去0电压开通,m1不会失去。当输出负载电阻越等于0的时候,电流不受控制,会爆管,需要保护电路。

当短路电感2端,原边mos管(m2)和他s级电流的波形                       此时m1驱动波形黄色,和他mos管ds的波形

m2

m2
                                

m1

m1



k1不接通,负载和电感串联,当负载电阻很大的时候,流过电感和电阻的电流很小,电阻几乎分得了所有电压,电压为=vin/变比,但是输出电流为0.当负载电阻比较小的时候,接近于0的时候,电流达到最大值,但是因为电阻很小,大部分电压由电感分担,这个时候的电流受到电感,频率,变比以及输入电压的共同影响,只要电感不饱和,电流就会得到控制,整个电路不需要过流保护也可以安全工作。

我用一个三绕组的正激,临时搭棚,弄了一个样机出来,输入电压采用50vac,ic供电外置14v,占空比设定40%左右,无软启动,无采集电压或者电流,开环的。频率48k左右。
原边mos管ds波形(m1和m2是一样的),和他s级电流的关系,红色是电压,黄色是电流,电流采用自制的电流烫头测量得到,电流波形那个毛刺,不是干扰,是驱动电流,这一点要注意。
输出接近空载时                                                                                          输出短路时

空载

空载
                    

短路

短路



我把输出电容直接驱动,电流互感位置接到输出线上面去,值得注意的是,当电流连续变化的时候,电流互感器的0点没有位移,你不要以为输出电流还有负的,那是示波器没有位移而已,请注意
红色原边mos管ds波形(m1),黄色电流波形输出电感
输出接近空载时                                                                                                 输出半载时                                                   输出短路时

空载

空载
            

半载

半载
     

满载

满载


来一张输出二极管2端的电压波形和输出电感的电流波形
输出接近空载时                                                                         输出半载时时                                                                  输出短路时

输出二极管耐压和输出电流0.01a.jpg    输出二极管耐压和输出电流0.25a.jpg    输出二极管耐压和输出电流0.6a.jpg








司马仲达
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总工程师
  • 2015-9-28 09:48:55
 
没了?
楼主想说什么?
xd285070
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副总工程师
  • 2015-9-28 11:32:01
 
才刚刚发现这非常有意思的一个结构,怎么会没有了~~~~我还没有上2中不同结构类型时,他上电启动的电压电流波形
稍微总结一下:
对于输出没有电感的那一种,表示没有啥兴趣,不做研究
对于输出有电感的,我表示这比较有意思,在输入确定的情况下,输出电压的最大值只取决于变压器变比,输出电流的大小,取决于输出电感的大小,至于ic直接开环跑就可以了,不用采集电压,或者电流信号,ic的vcc绕组不受输出电压和输出电流的影响。输出也不用担心短路。只要保证最大输入电压下变压器或者电感不饱和,就随意玩了,他天生就不怕短路。
缺点,输出二极管耐压得不到一个有效的控制,比较高,差不多3倍多的输出电压了,完全就是电感和一些寄生电容的谐振。二极管和电感的峰值电流是输出电流的2倍。纹波电流差不多是输出电流的一半。
多大的占空比,多少的电感量,在多少的输入电压下,能够形成软开关,他们的关系还需要后面慢慢研究。

因为这个玩意,前几天才发现,试了一下,感觉还不错,所以就推荐给大家洛,感兴趣的朋友,可以试试哦
本帖最后由 xd285070 于 2015-9-28 11:40 编辑

司马仲达
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总工程师
  • 2015-9-28 13:38:35
 
纹波电流差不多是输出电流的一半------这个是设计的电感量有点小吧,你是用互感器或者普通霍尔测试的吗
xd285070
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副总工程师
  • 2015-9-28 14:06:06
 
因为电感上升时间和下降时间一样电流上升或者下降的斜率一样,他就木有办法进入ccm模式,输出电流就是一个三角波了,纹波电流自然就是输出电流的一半了电流波形是一个绿环绕了50圈,做的电流互感器测得的,测试输出电流的时候,是去掉了滤波电容的,保证了测试出来的电流就是电感电流波形。
司马仲达
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总工程师
  • 2015-9-28 15:08:44
 
???怎么会没有办法进入CCM
xd285070
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副总工程师
  • 2015-9-28 16:39:43
 
这个地方,电感的上升下降时间差不多,电压幅度一样,那么电流斜率就是一样的,0上升到最大值,然后在最大值下降到0,他怎么都进入不了ccm,你看我上面输出二极管反压和输出电流的那个图片,输出短路的时候,我假设电感中一直有电流,那么二极管是一直处于导通状态,他的反压应该就是负的0.7v左右,绝不会出现高于0.7v的,但是图上显示就是有正的,那表明电感电流是断续的。只是已经非常接近qr模式了
改变电感值的大小,就改变了峰值电流,输出电流的最大值也随之改变
司马仲达
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总工程师
  • 2015-9-28 16:45:59
 
互感器 是测不到直流分量的
xd285070
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副总工程师
  • 2015-9-28 17:01:22
 
恩,所以我引入了二极管的耐压作为参考点
司马仲达
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总工程师
  • 2015-9-29 14:30:56
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帖子太长了,哪个图啊
xd285070
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副总工程师
  • 2015-10-19 09:54:53
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本来这玩意不想折腾了,但是忍不住还是打样了个pcb,现在是死芯了,虽然毛病很多,但是效率还是蛮高,所以就发上来,有情趣的朋友可以下去自己试试。
v2版设计规格,是交错式的,变压器采用pq2625,变比9:9:9,不磨磁芯,电感量330uh左右,频率100k,驱动是带死区的互补pwm,死区要大,600ns左右。

36v输入,36v输出(35v)1a,效率=97%左右,5a输出,效率=94%左右

先上结构原理图:

原理图

原理图

输出1a时,原边M1,mos的电流波形和DS极波形:

1a时前面的M1和M4

1a时前面的M1和M4

输出5a时,原边M1,mos的电流波形和DS极波形:

5a时前面的M1和M4

5a时前面的M1和M4

输出5a时,次级二极管电流波形和耐压:

次级二极管

次级二极管


xd285070
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副总工程师
  • 2015-10-19 09:57:24
  • 倒数8
 
还有一点忘了说,M2和M3在V2版电路中只作为一个辅助管的作用,重载时工作于硬开关,但是因为直流过激励电流所以损耗不大。
司马仲达
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总工程师
  • 2015-10-19 10:39:34
  • 倒数7
 
M1,2,3,4的型号是?
xd285070
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  • 2015-10-19 11:25:16
  • 倒数6
 
irf540.18a,100v
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  • 2015-9-28 17:23:05
 
在这里更新一下,输出电压和输出电流的关系,和输出功率和输出电流的关系。

电流和电压和功率

电流和电压和功率

开开鼠
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副总工程师
  • 2015-10-20 08:29:04
  • 倒数5
 
这种跟有缘钳位正激不是类似的效果吗
xd285070
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副总工程师
  • 2015-10-20 09:32:07
  • 倒数4
 
完全不是一个东西~~~~~~~~~,这个实现软开关的原理是,不然激励电流流过次级,强制让他流过初级,在由于,磁芯复位的时间小于激励电流上升的时间
所以我提高了2个结构,一路的时候,输出不要续流二极管,2路交错的时候不能要电感,这样子,激励电流就没办法流过次级,次级线圈就不会被钳位,mos管才有0电压导通的机会。
一路输出有电感的结构输出二极管耐压实在是没有办法搞定,其他还好
2路交错的,由于输出二极管是最大电流关断,二极管不能马上截止,导致功率大了以后,前面的辅助mos处于硬开通,但是主mos不受影响。
xd285070
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副总工程师
  • 2015-11-4 09:35:22
  • 倒数3
 
昨天发现的第三种结构

感应加热

感应加热
,原边软开关,次级三角波电流,据说可以拿来做感应加热
xd285070
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副总工程师
  • 2015-11-5 09:19:29
  • 倒数2
 
昨晚回去,试了试把输出变成一圈,空心电感对易拉罐加热,效果还不错哦。

实验原理图
原理图.png
实物图
实物.jpg
一个mos管的电流和电压波形
正常波形.jpg
启动阶段的mos电压电流波形
启动波形.jpg
xd285070
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副总工程师
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  • 2015-11-5 09:22:35
  • 倒数1
 
36v输入的时候,输入功率10w左右,原边一个mos管峰值电流3a,次级25a左右,加热了5分钟
室温23度,易拉罐65度,裸奔的mos 42,变压器32,10w的能量,mos和变压器不热,效率应该还不错
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