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未解决

求助:推挽全桥原边VDS波形振荡

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1
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-11 16:03:17
10问答币
新手,正在做一个推挽+全桥的升压电路,原理图如下图所示.
原理图.png

其中,变压器变比1:10,原边励磁电感3uH,原边额定输入20V,副边额定输出200V,实际测试输入8V,负载200欧姆;搭了个简单的环境实验了一下,发现原边VDS和副边回路电流的波形振荡的比较严重,如下图所示:
波形图.jpg


其中,绿色和黄色是原边MOS的驱动,蓝色副边回路上的电流,使用电流互感器测得的波形。

想向论坛里的各位专家求助,这个振荡是怎么产生的,有没有办法消除或者改进一下呢?





nc965
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  • 2021-4-11 21:04:11
 
红色是啥?频率几何?二极管啥型号?
红色的振荡总是率先出现且与蓝色的振荡同频,说明蓝色的振荡是红色的振荡引起的(且LC同源)
红色振荡幅度的减弱对应蓝色幅度的增加,说明振荡能量仅在二者之间传递,而非拓扑变换机制(能量向输出传递)。
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-12 10:13:42
 
谢谢您的回复。红色是原边其中一侧MOS管的VDS电压,频率300KHz,蓝色是副边主回路(桥式整流前)用互感器测得的电流波形;
副边整流二极管是一个SiC 的肖特基-碳化硅二极管,型号是IDH10G65C6。

在副边调试大概情况如下:
我在副边输出侧调整电容滤波,振荡没有变化;
在副边主回路增加电感,任何感值,都会加剧该振荡;
在副边主回路增加电容,nF级电容会引起振荡加剧,uF级电容,振荡无变化;
貌似副边的滤波滤不掉该振荡。

看到网上说有可能是原边漏感引起的,于是在原边调整,将原边的现在用的Si MOS(结电容较大,Coss约9nF)更换为SiC MOS管(结电容很小,Coss约2nF),结果振荡更厉害,振荡频率增加了,如下图:

1换为SiC-MOS振荡.jpg
nc965
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  • 2021-4-12 16:02:15
 
试试减少死区和原边绕组双线并绕。
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-12 19:27:56
 
好的,谢谢您的建议,我下来实验。
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-13 17:59:26
 
老师您好,我实验了一下您说的减小死区和原边双线并绕,貌似没有较大改善。然后我我在副边主回路增加了LC谐振,并且把开关频率调整到与自谐振频率一致,现在电流的波形几乎干净了,但是原边VDS波形还是振荡较为剧烈:
增加LC谐振后.jpg


nc965
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  • 2021-4-13 18:45:56
 
副边增加谐振,拓扑已经改变,只要效率没问题,也是可以的。原边Vds的振荡是无功,只要是对称的且尖峰可以接受,影响不大
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-14 09:35:08
 
原本就是要做谐振式软开关推挽的。这个振荡尖峰,现在电流稍微大一点点就成倍增大,这个可能不能接受。

老师想请问您,有没有针对这个振荡的处理办法呢?吸收我试过,几乎没有效果。
我听说有个“有源钳位”的技术,我不懂,不知道是不是可以解决这个问题?

nc965
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  • 2021-4-14 15:30:30
 
这个电压尖峰是推挽的固有毛病,拓扑缺陷,很难根除,一般的办法就是4楼所述两项措施开环运行。
这个尖峰是正激的2倍反射电压效应,这意味着全幅振荡的话最高会飙到4倍Vin,还意味着要钳位的话也不能低于2倍Vin,否则正激拓扑就是短路的,这就导致钳位电压远高于输入电压,简单办法不能将此部分漏感能量送回输入。对此:
1、有源钳位,钳位电压定在略高于2Vin,充分滤波稳定电压后,用一个略小于0.5(比如0.4)固定占空比的Buck将漏感能量送到输入侧,维持钳位电压稳定。
2、无源钳位,把推挽原边的两路绕组和开关分开,中间串联一个钳位电容,只要该电容的容量足够大、阻抗足够低(与输入阻抗接近),则可在该电容上形成一个大致与Vin相等的反向电压,满足正激的2倍反射电压需要,随着开关的交替可维持电压的稳定且无损地把漏感能量送到输入侧。
3、也有在原边做谐振的方案,使该尖峰的频率与PWM同频,彻底软下来,站内搜索可能有惊喜。
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-15 09:01:30
 
感谢您的回复,我下来消化一下。
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-15 19:18:26
 
老师您好,我按照您说的无源钳位,在如下图红色框位置增加了钳位电容:
实验原理图-电容.jpg

您看是这样的吗?

我按照这个实验,上电以后,电路没有起来,MOS管VDS没有波形,输出侧电流也没有波形。增加的电容,容值分别为1uF和12nF,实验结果相同。
nc965
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  • 2021-4-15 20:30:30
 
2、无源钳位,把推挽原边的两路绕组和开关分开,中间串联一个钳位电容,只要该电容的容量足够大、阻抗足够低(与输入阻抗接近),则可在该电容上形成一个大致与Vin相等的反向电压,满足正激的2倍反射电压需要,随着开关的交替可维持电压的稳定且无损地把漏感能量送到输入侧。
2.png
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-16 09:32:00
 
之前我理解错了,多谢老师纠正。您给的这个原理图我下来琢磨了下,对原来的推挽结构改动较大,其中一只管子浮地驱动了,这个对项目的后期可能有影响,因为我们后期可能还会考虑整个电路的双向传输的问题。
我也看了下您说的第一种解决方案,有源钳位,不知道您说的是不是下面这张图所示的结构:

推挽有源钳位.png

关于推挽的有源钳位,感觉网上能够查到的资料很少,我能找到的就只有这个了:
An Active-Clamp Push–Pull Converter for Battery.pdf (687.02 KB, 下载次数: 2)
nc965
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  • 2021-4-16 13:02:43
 
你这个也是有源钳位,而且软开关,但控制比较麻烦,不知道有没有专用芯片。
我说的不同,硬开关,一个Buck,固定占空比,控制简单:

2.png
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-19 08:27:18
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谢谢老师!!!
骑猪发浪
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  • 2021-4-17 18:38:39
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兄弟,你这个是在推挽变压器副边串联电容做软开关啊,我前两天刚调好两个5KW的机器,你的问题我也遇到了,做LC谐振后还有尖峰,我给你分享下我的调试出来的经验给你参考下,另外我调试的推挽软开关是工作于开环的。

1、看了你加LC谐振的电流波形,电流有点超前电压,我实际调试出来的也是一样,我发现推挽电路一旦电流超前电压了尖峰就会起来,跟全桥LC谐振还不太一样,所以尽量设置工作频率和谐振频率保持一致,这样也可以使其达到最大效率。
2、死区时间一定要设置好,这决定了推挽原边mos管能否进入软开关,从原理上来讲在mos管都关断的这时期,关断后的那一路mos管的DS电容Cds1通过变压器励磁电流充电至2倍的输入电压,而同时另一路待导通的mos管DS电容Cds2放电至零,为零电压开启创造条件。而实际调试出来的没有尖峰的波形确实是这样的,mos关闭前好像电流还会先谐振为零使mos零电流关断。
你可以观察下我的波形。
所以最蛋疼的就是这个,频率固定后死区时间大了占空比又变小,直流利用不高,只能调试出大概的死区时间,然后评估下自己能接受的占空比大小来确定工作频率,再不断微调LC电感电容来微调谐振频率,试出尖峰最小的那个参数。


综上主要就两点:工作频率和谐振频率保持一致,调整死区时间
最后还有一点就是,LC谐振后输入滤波电容真tm热啊,纹波大大滴


捕获.PNG
webwxgetmsgimg.jpg
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-20 08:42:14
  • 倒数8
 
感谢您的分享!!

我现在谐振和有源钳位都在调,还没有调出什么效果。
谐振还是调不出您那种效果,振荡总还是有,不知道是不是工作频率有影响,我的是300KHz?另外占空比往大了调的话,振荡的更厉害,小的就只能这样了。。。
有源钳位加上之后,没什么效果,还是振荡,不知道是电路哪里出问题了,还是怎么回事。
骑猪发浪
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初级工程师
  • 2021-4-20 20:53:41
  • 倒数7
 
300KHz?尝试把谐振电容换个容量大一些把工作频率调低些呢,看你的电流波形在驱动关断时电流并没有为零,最好工作频率和谐振频率相等
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-21 10:59:14
  • 倒数6
 
前辈您好,我现在就是按照您的建议调整了下谐振回路的参数,把谐振电容换大了点,具体如下:

原来的:
Cr = 3.3nF, Lr = 95uH,Fr = 284.25KHz

现在:
Cr = 12nF, Lr = 46uH,Fr = 214.215KHz

用现在的参数调试波形,貌似谐振频率比理论值要低一些,下图205KHz,关断电流应该是降到0了,此时没有尖峰:

205KHz.jpg
图205KHz


如果频率稍微高一点点,就有剑锋了:

207KHz.jpg
图207KHz



如果频率再低一点也没有尖峰:

198KHz.jpg
图198KHz

但是205KHz虽然没有尖峰,我还是有点疑问:

(1)开通的时候为什么没有实现ZVS开通呢?

(2)关断之后虽然没有尖峰,但是为啥VDS有一段电压没有起来,是0电平呢?

(3)VDS虽然没有尖峰,但是一直再按照某种斜率上升,临近关断时,都超出了一个VIN的电压值了?

请您帮忙看看,有没有遇到过类似的波形?










骑猪发浪
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初级工程师
  • 2021-4-21 21:58:32
  • 倒数5
 
我不是啥前辈,吹吹牛逼而已


(1)开通的时候为什么没有实现ZVS开通呢?


你看波形上的Vds,有从最高点下降到10V左右,说明mos管的DS电容通过变压器励磁电感放电,但是没放完,说明死区时间还是有点小,你看我的波形其实也是有点电压的,没有完全做到零电压的


(2)关断之后虽然没有尖峰,但是为啥VDS有一段电压没有起来,是0电平呢?


这个到问住我了,我猜测应该是驱动关断的时候,另一个mos管的ds电容通过励磁电感给关断的mos管ds电容充电,ds电容电压没法突变导致的吧,仅个人猜测

(3)VDS虽然没有尖峰,但是一直再按照某种斜率上升,临近关断时,都超出了一个VIN的电压值了?


超出了一个VIN的电压值了?推挽输入mos管Vds正常都是2*Vin啊。
另外推挽LC谐振mos管的Vds电压都会偏左凹陷一部分,我的也是凹陷了12V左右,具体原因我不知道,这也是LC谐振的一个特性,我猜测应该是被谐振电容钳位了吧,这个要请教社区里的大佬了。
这个也是为什么我说输入滤波电容发热严重的原因了,纹波大了

或许你可以试试你设计的额定输入电压20V,别用8V了,看看能凹多少




111.PNG
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-22 22:16:25
  • 倒数4
 
您好,今天的实验结果如下,又有新问题了,请您帮忙看看波形,指导指导

(1)ZVS确实不能完全实现,增加死区时间也还是不能完全实现;

(2)关断之后的低电平可能跟负载不合适有关系,负载阻值太小,就会出现这个问题,输入增大到12V,负载调整到之前的额定值,就没有这个现象了;


(3)如您所说,提高输入电压,该斜坡确实会有所缓解,如下图所示:

这个是输入电压提升至12V以后的波形,之前的输入电压是5V:

电流波形振荡-11 .jpg

波形有所改善,但是有个问题,电流的波形在过零时,也对应着开关时刻,有一个振荡,我看您的波形过零处一直保持着为0,是一个0值的直线段,为啥我的电流在这个地方就有一个畸变和振荡呢?

我试了一下不同的变压器,都有这个问题,上面的波形对应的变压器是利兹线绕的,下面这个波形是铜片变压器的,磁芯相同,振荡的更厉害了:

电流波形振荡-22.jpg


我已经调整到了谐振频率了,电流的这种畸变和振荡又是啥原因呢?








骑猪发浪
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初级工程师
  • 2021-4-23 10:08:25
  • 倒数3
 
你第一个波形的问题我也遇到过,试试增大或减少谐振电容看看,我就是这样调出来的
第二个换变压器的波形是正常的,你两个变压器绕线不一样,漏感也会不一样的,从波形看很明显谐振频率变了,谐振频率比工作频率大了,更换变压器要重新调整下工作频率
Fancysun2018
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高级工程师
  • 2021-4-27 11:47:28
  • 倒数2
 
多谢兄台的建议和提示!! 这两天调试稍微有点进展了。
1、关于电流波形上有高频振荡的问题,这个通过反复对比摸索,最后发现是电流传感变压器的问题,带宽不够,导致测试波形有锯齿形振荡。不知道兄台你是用什么来测试谐振电流的?我更换了电流传感器,示波器探头不用夹子,测得的谐振电流勉强是干净的:

电流波形-1.jpg

2、死区时间内的振荡问题,这个问题现在还不知道是啥原因,按照您的建议,我尝试调整谐振电容(增大,减小会更差),电流在死区内仍然不是0值直线,有振荡;

3、新问题:谐振电流死区不对称,上面的图中是单侧的MOS管驱动、VDS、和谐振电流,两个死区内谐振电流不对称,关断时基本是0电流,但是开通时,电流好像过零了,不知道这是为啥呢?

4、ZVS实现问题。现在就是实现了ZCS关断,但是没有实现ZVS开通,不知道ZVS开通有没有办法实现?增大死区貌似也不能实现,反而会影响关断的ZCS的实现。

4、关于工作频率和谐振频率的思考。这两天查了下资料,得到以下两条信息,不知道是否正确:
(1)开关频率应该是要低于并接近谐振频率的,这样才能实现ZCS关断;
(2)谐振参数的Q值要尽可能小,使得回路电流处于DCM,才能为实现ZCS开辟条件;
我的理解:Q值小,增益变化小,频率偏移谐振后输出电压还能够稳定。

骑猪发浪
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初级工程师
最新回复
  • 2021-4-28 20:09:05
  • 倒数1
 
你那个电流我感觉是变压器原副边耦合不好导致的,你的推挽变压器是怎么绕的?我之前为了增加漏感有试过把推挽变压器的两个原边绕组绕在一起,副边绕组绕在最外层,变压器电流就跟你现在的一样,三明治绕法的变压器就ok了。

至于频率问题其实你可以看看LLC的资料,结合实际调试差不多就能明白了,一句两句说不清楚
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