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原创 7th原创赛

尝试用一种【ZVS软开关电路】来做纯正弦波逆变器。

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Coming.Lu
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  • 2017-8-23 19:24:37
尝试用一种【ZVS软开关电路】来做逆变器。
10+年前入行做电源,一开始就是做纯正弦波逆变器
当时用的也就是最最普通的H桥拓扑,工作频率20kHz左右。
体积比较大效率也是一般般。
总之,觉得做得很烂,没达到自己的接受程度

后来,虽然换了工作,也没做逆变器了,但还是总想做个好点的逆变器
多年来,也考虑过多种拓扑,但最终都被判定为不合适。

前几年,书上看到一种 软开关buck电路,它的软开关实现条件相对还能接受
于是打算用来做个逆变器H桥(H桥其实就是两个带同步的buck,或者说是两个半桥)试试。
已在 28楼 加入 ZVS软开关实现原理 的简单讲解。

可以结合 13楼 的波形理解。

先上个简图:
简图.JPG

其实,就是在普通H桥上,多加入了 二极管,电感,电容,最终实现在MOS导通前,有多余电流将MOS管的Coss电量抽走



Coming.Lu
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  • 2017-8-23 19:44:06
 
该H桥在正常工作时,控制方式和普通H桥没有区别,所以就不贴几个管子的驱动波形了。
就按调试步骤贴波形,并说明一下吧。

母线输入100V,桥臂,输出,驱动 的波形。

黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形:
scope_674.png

展开,检查ZVS是否能实现。
黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形:
scope_675.png

从图中勉强可以看出,ZVS可以实现


Coming.Lu
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  • 2017-8-23 19:47:15
 
将母线输入升到200V,桥臂,输出,驱动 的波形。

黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形:
scope_676.png

同样展开波形:
黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形:
scope_678.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-28 19:58:52
 
用个Buck来说明一下该软开关电路的原理,贴子里的逆变器是全桥,道理都一样。
其实,这个软开关电路可以用在 Buck,Boost,半桥,全桥 等电路中。

图1,先从Q1导通说起,图中红色箭头为电流方向。
Free Documents_页面_1.png

图2,Q1关断说起,图中红色箭头为电流方向。
这时,输出电流会从Q2续流
同时,将Q2的Coss电量带走
Free Documents_页面_2.png

图3,图中红色箭头Q2开始导通时的电流方向
Q2导通一段时间后,电流会因L1,C1等元件存在而发生换向
换向后,变为蓝色电流方向,输出电感电流方向不变(假设为CCM模式)。
Free Documents_页面_3.png

图4,Q2导通期间大部分时间为红色电流方向
L1两端电压很低,在Q2导通期间其电流基本不变,也就是维持上边换向后的方向
Free Documents_页面_4.png

图5,Q2导通结束,因L1电流需要维持原来的方向,自然会经Q1流回母线
同时,将Q1的Coss电量带走
Free Documents_页面_5.png

图6,图中红色箭头Q1开始导通时的电流方向
Q1导通一段时间后,电流会因L1,C1等元件存在而发生换向
换向后,变为蓝色电流方向,输出电感电流方向不变(假设为CCM模式)。

Free Documents_页面_6.png

图7,Q1导通期间大部分时间为红色电流方向
L1两端电压很低,在Q1导通期间其电流基本不变,也就是维持上边换向后的方向

Free Documents_页面_7.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-28 20:03:26
 
可以结合 13楼 的波形理解。
gxg1122
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  • 2017-9-1 17:01:27
 
学习了。楼主分析的很细致
Coming.Lu
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  • 2017-9-4 09:20:37
 
为了这个软开关,想了好多办法。
之前在一本书上看到这个拓朴,作者是说的buck。
看后,觉得可以用来做逆变器。
之前就自己搭了个buck和boost试过,所以现在才敢用来搞搞逆变器。
但可惜,无功电流太大,效率一般。
Coming.Lu
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  • 2017-8-23 19:53:38
 
下图为ZVS不能实现的波形
因并非现场直播,已不太记得都改了哪些参数才导致这样。
scope_681.png
只能从波形上看到,输入母线电压为360V。
由于死区时间太长,导致桥臂电压下降后又上升了,另一个管子才导通(没有另一个管子的驱动波形)。
这种现象,减小死区时间到合适的值就可以解决
Coming.Lu
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  • 2017-8-23 19:55:10
 
改善后的波形:
黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形:
scope_684.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-23 20:00:30
 
加入软开关电感的电流波形。
因为要有多余电流抽走MOS管的Coss电量,所以电感上会有较大电流(比输出电流大)。
黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_686.png

展开波形如下。
黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_692.png

从波形中可以看出,MOS驱动(蓝色)先下降,接着桥臂电压(黄色)才下降,之后软开关电感电流(红色)换向。
Coming.Lu
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  • 2017-8-23 20:02:18
 
再来一张展开波形,这张看得清楚一些。
黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_704.png
从波形中可以看出,MOS驱动(蓝色)先下降,接着桥臂电压(黄色)才下降,之后软开关电感电流(红色)换向。
Coming.Lu
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  • 2017-8-23 20:04:12
 
各种占空比下的波形对比。

黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_707.png
scope_708.png
scope_709.png


Coming.Lu
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  • 2017-8-23 20:06:13
 
这张图,可以看到软开关电感的电流包络
黄色为桥臂波形,绿色为输出正弦波波形红色为L1或L2电流波形:
scope_712.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-23 20:11:17
 
来个全套的包络波形:

绿色为输出正弦波波形,黄色为桥臂波形,蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_743.png


展开波形。
绿色为输出正弦波波形蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_748.png

绿色为输出正弦波波形蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_749.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-23 20:19:47
 
这张是带载的波形。
黄色为桥臂波形蓝色为MOS(上管)驱动波形,红色为L1或L2电流波形:
scope_760.png

可以看出,带载后,软开关电感(红色波形的包络变化幅度会比较大
如果要保证ZVS软开关的实现,就要保护它的电流必须每个开关周期都能反向
也就是要保证有多余电流抽走MOS管的Coss电量
xd285070
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  • 2017-8-23 21:52:16
 
顶一个
Coming.Lu
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  • 2017-8-24 10:05:59
 
为了更好的理解ZVS软开关的工作原理,把之前做搭的一个 buck验证电路的波形贴上来。
原理图就不画了,就是上边H桥的半边。

空载输出电感电流为正负跑
绿色为下管驱动,紫色为桥臂中点,红色为软开关电感电流,黄色为输出电感电流。
scope_47.png

轻载,输出电感电流也还是正负跑,但已往正电流方向偏一些
绿色为下管驱动,紫色为桥臂中点,红色为软开关电感电流,黄色为输出电感电流。
scope_46.png

轻载,输出电感电流基本只有单向,大约在临界的位置。
绿色为下管驱动,紫色为桥臂中点,红色为软开关电感电流,黄色为输出电感电流。
scope_45.png

中等负载,输出电感电流连续
绿色为下管驱动,紫色为桥臂中点,红色为软开关电感电流,黄色为输出电感电流。
scope_44.png

重载负载,输出电感电流连续
绿色为下管驱动,紫色为桥臂中点,红色为软开关电感电流,黄色为输出电感电流。
scope_43.png
gxg1122
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  • 2017-8-24 13:07:37
 
学习受教了。
Coming.Lu
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  • 2017-8-24 18:38:54
 
为了找个合适的软开关电路,还真是不容易啊。
这还只是功能实现,真要做产品,还有好多问题要考虑。
比如:短路保护,各器件生产一致性等。
gxg1122
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  • 2017-9-1 16:57:48
 
原理验证通过了,产品化的时候是需要考虑很多因素的。
Coming.Lu
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  • 2017-9-22 11:39:41
 
是的,产品化还有很多事情要考虑。
比如:磁性元件好不好生产和采购,整机生产是否方便,生产出来的整机一致性等。
Coming.Lu
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  • 2017-8-24 18:52:38
 
功能实现了,就要试试过流保护了。

过流保护部分加上,结果保护是乱七八糟
为了方便分析和解决问题,把过流检测比较器输出端也引出来用示波器观察

黄色为过流检测比较器输出,绿色为桥臂电压,蓝色为CS采样电阻电压,红色为L1或L2电流。
scope_793.png

从图中可以看出,CS比较器(黄色)有多处误触发。
Coming.Lu
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  • 2017-8-24 18:55:33
 
在硬件上做了一些调整,将干扰处理了一下。
误触发少了很多。

黄色为过流检测比较器输出(因脉冲太小,波形上看不到),绿色为桥臂电压,蓝色为CS采样电阻电压,红色为L1或L2电流。
scope_795.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-24 18:58:28
 
这张看起来就比较正常了。
达到过流点就触发保护电流迅速下降

绿色为桥臂电压红色输出电感电流(注意是负电流方向保护)。
scope_806.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-24 19:01:46
 
其实,这保护方式还是有点问题,因为在正向电流保护时,电流迅速下降,
有时会下降太多,有时会变到负向电流,这样就不太好了。
主要是电流波动太大,这时实际输出的电流平均值就小了。

绿色为桥臂电压红色输出电感电流(注意是负电流方向保护)。
scope_807.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-25 10:26:18
 
继续调整过流保护策略,让保护时电流不会跑到负向

绿色是桥臂中点电压,蓝色是输出滤波电感电流,红色是输出正弦波电压。

scope_838.png


可以看到,输出滤波电感的电流,已经不会跑到负向
同时,在过流保护时,输出正弦波电压有削顶
Coming.Lu
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  • 2017-8-25 10:30:30
 
这张是看的对应的L1的电流波形。

绿色是桥臂中点电压,蓝色是L1电流,红色是输出正弦波电压。
scope_841.png


可以看到,L1的电流还是双向的,这是保证ZVS的前题
也就是说,在做过流保护的时候还能实现ZVS
Coming.Lu
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  • 2017-8-25 17:06:12
 
小电流限流可以了,把过流保护基准调高
绿色为桥臂中点电压,蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出正弦波电压。
scope_857.png

保护电流基准调高后,因保护时的变化电流基本不变,所以保护时电流就可以更连续
Coming.Lu
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  • 2017-8-25 17:07:32
 
波形展开:
绿色为桥臂中点电压,蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出正弦波电压。
scope_858.png

再展开:
绿色为桥臂中点电压,蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出正弦波电压。
scope_859.png

再展开:
绿色为桥臂中点电压,蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出正弦波电压。
scope_860.png
Coming.Lu
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  • 2017-8-26 14:39:57
 
再测试一下带灯泡负载启动时的限流波形。
灯泡冷态电阻较低,所以启动电流较大,会导致逆变器触发限流

绿色为桥臂中点电压,黄色为过流采样电阻上的电压,蓝色为输出滤波电感电流,红色为正弦波输出电压。
scope_892.png

多看几个周期,可以看到随着工作时间变长灯泡电阻变大,在同样限流值的情况下,输出电压越来越高
绿色为桥臂中点电压,黄色为过流采样电阻上的电压,蓝色为输出滤波电感电流,红色为正弦波输出电压。

scope_897.png

埃_维_针1
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LV8
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  • 2017-8-26 21:09:50
 
好厉害啊,看到一堆五颜六色的波形,可是还是没看明白
Coming.Lu
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  • 2017-8-26 21:38:10
 
那我有空画几个简图,把原理说一下。
gxg1122
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LV8
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  • 2017-8-28 13:51:02
 
等待楼主 简图。一看楼主的仪器都很高大
Coming.Lu
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  • 2017-8-28 20:01:59
 
已在 28楼 加入ZVS软开关实现原理的简单讲解。
Coming.Lu
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  • 2017-8-28 20:01:15
 
已在 28楼 加入ZVS软开关实现原理的简单讲解。

Coming.Lu
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  • 2017-8-29 12:17:17
 
灯泡冷启动,已经可以限流,并保证了限流时还是ZVS
那就可以开始准备输出短路测试了,心里还是怕怕,怕炸机

短路测试,只是把输出端用螺丝刀碰了一下
蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出电压。
scope_898.png

蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出电压。
scope_899.png

Coming.Lu
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  • 2017-8-29 15:22:14
 
午觉起来,继续。
这是长时间短路的波形
蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出电压。
scope_900.png

蓝色为输出滤波电感电流,红色为输出电压。
scope_902.png
nc965
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  • 2017-8-29 20:19:50
 
这个功率不小哈
Coming.Lu
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  • 2017-8-29 22:15:11
 
是说的逆变器的功率,还是说的短路时损耗的功率。
nc965
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  • 2017-8-31 09:30:26
 
短路损耗
Coming.Lu
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  • 2017-8-31 09:34:46
 
短路时的损耗,和正常带载时差不多的(稍大一些)。
因为都实现ZVS软开关,所以主要就是电流带来的压降损耗。
也就是,那几个二极管压降,还有MOS内阻带来的损耗。
hwx-555
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  • 2017-8-30 16:59:43
 
蓝色电流为什么是这个形状,流过电感但还有方波状
Coming.Lu
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  • 2017-8-30 17:08:27
 
这个是50Hz的包络啊。
展开不是这样的。
其实,就是过流了PWM调整,一直处于“恒流限流”状态。
hwx-555
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  • 2017-8-30 17:12:30
 
有很多毛刺啊
Coming.Lu
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  • 2017-8-30 17:36:17
 
看23楼的最后一个图。
实际上是在不停调整占空比,把输出电流“稳定”在限流值上。
也就是,过流了,就“卡”,电流降下来了,又回复正常占空比,再过流了,再“卡”……
hwx-555
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LV10
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  • 2017-8-30 19:53:02
 
原来是这样,有点类似PFC的
Coming.Lu
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  • 2017-8-30 20:49:33
 
有点类似384X的单周期限流吧。
只是,我这为了限流保护时,还能实现ZVS,所有并没有像多数保护那样“一过流就不管3721,把所有管关掉”。
而是判断ZVS条件达到,再去做处理
gxg1122
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  • 2017-9-16 10:13:59
 
楼主强大!持续关注
nc965
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好贴关注
yyy787
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  • 2017-8-30 22:51:59
 
非常期待ZVS软开关电路做的纯正弦波逆变器,什么时候有样机来一台。
Coming.Lu
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  • 2017-8-31 10:49:42
 
目前还在H桥这一级的验证阶段,还没那么快能出整体功能的样机。
liuxiaofei126
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  • 2017-9-4 15:09:07
 
软开关技术没有用过,分享的很不错,主要是学习
Coming.Lu
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  • 2017-9-4 19:25:54
 
经过实际测试,这个拓朴因无功电流太大效率并不是很好(除非用很低内阻的MOS管,并把二极管也换成MOS)。
最终,也没有继续把它做下去,因电路已经比较复杂优势又不明显,感觉得不偿失
经过多方考虑,之后决定用 单边调制的方式来试一下,因为那样可以减少近一半的内阻及压降损耗
nc965
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  • 2017-9-5 07:57:24
 
哪里无功较大?体二极管正向电流?看看波形
Coming.Lu
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  • 2017-9-5 08:51:21
 
借用buck验证时的波形,因为那个波形才有两路电流,比较容易看情楚。

黄色为输出电感电流波形,红色为软开关电感电流波形。

scope_43.png


图中可以看出,为了保证ZVS软开关红色电流的变化幅度一定要大于黄色电流最大值2倍以上
主要损耗就在下图中蓝色电流方向的时候。
这个电流,要流过二极管,流过主开关管(buck的上管),流过软开关电感
Free Documents_页面_6.png

nc965
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  • 2017-9-5 12:15:50
 
明白了
这电路用一半有没有机会?
Coming.Lu
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  • 2017-9-5 13:53:04
 
怎么用一半,不太明白。
Coming.Lu
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  • 2017-9-5 19:37:23
 
单边调制,4个MOS管的驱动波形包络是这样:
黄色为Q2驱动,绿色为Q1驱动,蓝色为Q4驱动,红色为Q3驱动。
scope_918.png
也就是,左边桥高频工作时,右边桥下管常开
右边桥高频工作时,左边桥下管常开
简图.JPG
nc965
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  • 2017-9-5 20:23:45
 
比如C5的右边只保留C3、C4,其余全部拿掉,半桥的意思。
Coming.Lu
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  • 2017-9-5 21:13:33
 
半桥可以工作啊,看13楼
13楼就是 同步buck 的波形,是在搞H桥前,验证软开关能否实现时测的。
其实,同步的 boost 也可以用这个电路实现ZVS软开关的。
Coming.Lu
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  • 2017-9-6 09:51:50
 
其实,56楼(楼上)这个单边调制,也就相当于半桥工作而以。
因为,每个半周,只有一个半桥工作,是轮流工作的。
也就是说,这种工作模式,也可以看成是两个同步buck轮流工作
Coming.Lu
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  • 2017-9-6 17:32:55
 
两个下管的驱动
正负半周切换的一小段时间,两个下管会同时导通
这是为了让过渡更可靠,同时也是为了保证ZVS实现
scope_928.png


Coming.Lu
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  • 2017-9-7 09:55:42
 
100V母线电压,输出正弦波。可以看到,过零点 有点影响。
scope_930.png

展开
scope_931.png




Coming.Lu
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  • 2017-9-7 16:33:14
 
200V母线电压,输出正弦波
scope_932.png

scope_934.png
Coming.Lu
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  • 2017-9-11 15:59:31
 
继续加高母线电压,结果炸机了。
估计,可能是因为每个半周切换过程中,对应的半桥开启的第一个周期硬开引起的。
比如,弥勒电容引起的共通问题

蓝色为下管驱动电压,红色为桥臂中点电压。
scope_935.png


gxg1122
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  • 2017-9-16 10:12:52
 
这个过零点的影响可以消除吗?怎么处理了?
Coming.Lu
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  • 2017-9-16 19:41:33
 
单边调制,这个过零点目前我没有办法解决。
这时,两个下管都导通,LC自己在那里振。
hellokv1688
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  • 2017-11-7 14:50:11
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请问,在空载时,高端MOS和低端MOS的Cds损耗是相同吗?
Coming.Lu
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  • 2017-11-7 15:13:49
  • 倒数9
 
空载时,Cds的能量都被电流抽走了,不会造成损耗。
hellokv1688
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  • 2017-11-7 15:59:39
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我采用硬开关,空载时,发现下端mos比上端损耗大?交换上下mos后还是下端的mos损耗大
Coming.Lu
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  • 2017-11-7 16:02:55
  • 倒数7
 
硬开关空载的话,如果电感量够小,估计也还是ZVS。
下管损耗大,也不一定就是Cds的损耗呢。
haohaobaxia
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  • 2018-3-8 23:20:17
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学习了 正在整一个20KW的双向全桥电源。 用的也是塞普瑞斯的控制器
qhm
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  • 2018-3-22 21:18:27
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留脚印学习
星宇
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  • 2018-8-6 00:17:53
  • 倒数4
 
能否把这软开关BUCK的相关论文发出来学习一下啊?
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  • 2018-8-6 08:08:16
  • 倒数3
 
没有相关论文,这个是多年前在书上看到的。
因当时没有条件试,所以就先记下来。
星宇
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  • 2018-8-6 08:16:16
  • 倒数2
 
那相关的计算呢?自己摸索?
Coming.Lu
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最新回复
  • 2018-8-6 12:06:07
  • 倒数1
 
是,自己摸索。
看看修改记录:
20170608   增加  SPWM_ZVS计算.xmcd
20170704   SPWM_ZVS计算.xmcd         修改 电容计算公式
20170707   SPWM_ZVS计算.xmcd         修改 变化电流计算公式
20170710   SPWM_ZVS计算.xmcd         增加 电感及损耗计算

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