本帖最后由 caesar_king 于 2014-1-20 08:30 编辑 经过一番努力,终于拍完了所有组图!组图为父亲拍摄及后期处理,感谢父亲一直以来的支持!
也算给好久不活跃的ZVS折腾一下。
这个帖子,我主要分为四步:
一、发布新ZVS
ZVS,作为一款经典的逆变电源,有其优点也有其不足,不过因为元件易得,电路简单,一直受广大创客的热爱。
我自己,为了给夏天即将开张的网店增添第一点东西,设计了一款PCB,并由一款PCB延伸出了三款PCB。三款PCB电路相同,体积不同,适用于不同功率下长时间工作。
这就是我这款PCB,体积7cm*8.8cm。三款PCB中,最小的一款小于4*6cm。
由于是第一次设计,边缘线做得很大,大家看到了吧。这就是一种浪费了,要么把铜敷扩到边上,要么缩小边缘节省体积。涨经验了。
成品图,电容从卤豆腐那里采购而得,其他所有元件都是正规大厂家直接进货,保证了产品的稳定性。
已经具备批量生产的能力。这是成品的多角度图。每一个上面的MOS用的都不一样,其中有250、260、460、4668四种场馆。为了给下文的研究作硬件铺垫。
很壮观吧!
下面用IRFP260场馆的成品来测试PCB。
全套设备。
高压包负载时D极波形。
输入38V,推背投高压包3+3T拉弧,长度约有20cm长,铝制散热器很快烫手,烧铁丝能瞬间烧的火星乱蹦。铝制散热片上压着的是EC40变压器磁芯。
横向拉弧,非常壮观。在离子火最上端,可以看到高温等离子体。
电流峰值16A,不过因为电源不给力(36V10A,硬调到38V,上到这种功率我已经很惊讶了),电压被拉到36V。粗略算得功率,16*36=576W。
到此,新品发布结束,请多多指教。
下面,展开我对ZVS的一点想法、思考和研究。
二、对于工作过程中场馆发热原因的探究
我在实验中发现,不同场馆的ZVS,实际驱动效果相差万里。
曾经,在玩ZVS的初期,我很幼稚的认为,场馆参数越高,效果就越好。所以从250升到260,效果不错;从260升到460,效果大打折扣;从460升到4668,效果又和260相差不大。
查阅资料,给出几个数值:
250:200V 33A Rds<0.085 Ohm
260:200V 50A Rds<0.04 Ohm
460:500V 20A Rds<0.27 Ohm
4668:200V 130A Rds<0.004 Ohm
250和260之间的差别很好解释,导通时DS间电阻比260大一倍,所以发热严重,大功率有炸管危险。250我今天也在用,用在功率比较小的时候;
260和460的差别更好解释。虽然四百六数值上比二百六大,但性能却不适合用在低压ZVS。最大电流460小于260,最重要的是,460通态电阻接近260的七倍!460主要是电压高,可用于市电。在小电压运行时,电流耐受才20A,我的ZVS就已经16A了,有点危险。
最百思不得其解的是260与4668。
单纯看参数,260的通态电阻是4668的十倍,4668应该完胜260。
但在上电运行后,感觉差不多,满功率输出时问题暴露了,4668发热要比260发热量大。运行10分钟,260温热,4668烫手。这引起了我的困惑,明明电阻小于260,为什么发热量倒大?
我想到了可能是开关不完全。
可是都是正常工作,哪来的不完全开关?
于是我想到了G极上升沿。
听说上升沿慢,开关就不利索,就会造成发热量大。
就此想法,做出对比验证实验。
一共用250,260,460,4668四种场馆来进行对比实验。
250和460发热原因主要由通态电阻引起,于是只放出测量参数,不对比。
实验设备,用两个100uH电感代替负载。
上升沿对比
图像为实测MOS的G极波形
IRFP260
IRFP4668
IRFP460
IRFP250
由图可看出,其中260的上升沿的确比4668快一些。250和460的上升沿总体比较快,所以它们的发热应该主要由导通电阻引起。
下降沿对比
图像为实测MOS的G极波形
IRFP260
IRFP4668
IRFP460
IRFP250
由图可看出,250、260、460基本持平,4668大于此三者。这也有可能是4668发热较大的一个原因。
查阅资料可得,
250:导通时间25nS,上升时间50nS,关断时间60nS,下降时间40nS
260:导通时间23nS,上升时间30nS,关断时间90nS,下降时间28nS
460:导通时间18nS,上升时间59nS,关断时间110nS,下降时间58nS
4668:导通时间41nS,上升时间105nS,关断时间64nS,下降时间74nS
从理论角度,260在上升沿时间也大于4668。下降沿和关断时间虽然4668略胜一筹,但相差不大,远小于上升时的时间差。另外,也不存在不完全关断的问题。
经过实验,初步验证了4668发热量大于260的问题,得出推测:4668发热量大是由上升沿慢,导通时间慢引起的。
希望得到具备更好实验条件的前辈进一步验证。
对于昨天与@baiwenglong 交流和提出的问题,我也做出了思考。
三、分析ZVS大功率或大电流运行时不稳定现象的分析与推测
实验发现,并联于两场馆D极的电容,容量越大,电流越大,功率越大。所以我经常并联三个甚至四个电磁炉MKP来提高功率。但是我发现,电流一大,感觉效率就降低了。经过理论推算,找到了一部分原因。
这个原因可能有两点:
1、MKP参与谐振,容量越大,频率越低。不过电容通交流电,而MKP两端刚好是正弦波形,所以MKP有可能通过电流,导致效率下降。
MKP通过的电流与容抗有关,在电压一定时,与两个量有关:容量,频率。
而容量变化,频率也会变化。
那就需要计算,在电容量变化时,容抗究竟变大变小。
由计算得,效率下降。但频率下降,ZVS初级等效电感一定,会导致初级内电流变大从而增加有用功率。
2、但是我发现,电流一大,MOS发热就剧烈。
用示波器观察波形得知,在大电流运行时波形急剧变化,严重变形。
其原因,我要归结于两个方面:
1.首先以我自己的角度理解一下ZVS的运行原理。ZVS的G级控制可以看作是一个可以储存电能的地方(因为稳压管工作需要能量),电能从470 Ohm电阻进入,充斥整个控制单元。在单元内有电能(G级为高电平)时,场馆导通。随后波形由谐振控制,从峰值下降,当下降到单元内部的电平时,这个单元内部储存的电能会被快恢复二极管导走,G极会回到低电平,场馆关断。另一个场馆与此正相反。这个状态在两个场馆中循环运行。
2.在大功率运行时,次级上消耗的电能多,控制单元内部储存的能量会很快达到被排走的状态而被排走。此时场馆开始关断。而另一个场馆由于470电阻限制,并没有进入足够的能量,导致波形变化,MOS开关不彻底而严重发热。理论上解决办法是,降低470电阻的阻值。
3.两个控制单元内部的能量是交替运行的,但因为有上升沿和下降沿,导致二者一定相交。
这就是理论上的交点,我在实验中发现了。而这个交点很奇怪,两个G极测量,下降沿的平台开始的一瞬间,上升沿开始,下降沿平台过去的那一瞬间,上升沿的平台到达同一高度并且开始出现平台。上升沿平台过去的一瞬间,下降沿结束。而且交点是一个MOS没完全开,一个MOS没完全关(不再绝对的零电压开关状态),持续了一段时间后才变化。
我又把一个MOS的G级和另一个MOS的D极加起来测量,发现:
交点构造的平台完全重合。
与自己的D极测量,发现平台相交结构与两G极一样。这说明ZVS不在零电压开关状态,另外场馆通断与另一个场馆的G极有密切关系。
对于小平台及其导致的不在零电压开关状态,我作此解释:
快恢复二极管有正向压降。由一个场馆的DG两极波形可以看出,在此MOS没有完全导通时,快恢复二极管已经失去了导走电能的能力,所以这个MOS的控制单元开始充电。而二极管在有正向电压时不导通,唯一的解释就是正向电压小于正向压降。所以(参照一只场馆DG极图),在没有完全导通时,控制单元就已经开始充电。而在下降沿唯一能触发小平台开始的,就是一个上升沿的开始,因为这是同一时间发生的。而一个G极上升沿的开始,又代表着另一只场馆开始关断,他们是绑定的。
所以,我给出的过程是这样的:一只导通的场效应管MOS1由于谐振波形而即将关断。此时MOS1的控制单元的快恢复一直处于高电平状态。当到达一个值,即MOS2 D极电压降到MOS1控制单元的电平时,MOS1控制单元泄压(参照图1429)。此过程,MOS2的控制单元一直处于泄压状态。(参照图1431)当泄至快恢复的正向压降时,MOS2的控制单元停止泄压开始充电,MOS1关断。此时两只MOS都处于关断状态,但电容两端电压却是一个高一个低,于是此时所有能泄压的都在给电容充电。这就是那个下降沿小平台。除了MOS1 D极、MOS2控制单元和电容电平变化外(这三个引脚是等效的),所有电平保持平衡。当这三个等效点电平越过快恢复的正向压降,MOS2控制单元足够导通了,MOS2导通。导通后,MOS2连接的电容端泄压。这就是上升沿小平台。电容端电压小于快恢复的正向压降后,MOS1越过小平台,继续上升。循环。
这就是我所有的分析。
四、预告
接下来我将做我的第一个TC,高度是135cm的3000W SGTC。
敬请期待!
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