杂谈ZVS:为什么ZVS的峰值电压是π*VCC?
rb-sama2021/06/07原创 电气电工 IP:湖北

ZVS是个很有意思的电路,

这个电路因为它非常简单,

广泛应用于各种简洁暴力 的电磁炮充电线路上。

-

很多人在论坛之前发过帖子讨论仿真。

也解释过这个问题,但基本是用数学思路来分析的,

后面我做双CLASSE特斯拉线圈的时候,因为也是双管拓扑,所以计算思路一致。

有一些深入一点的思考,所以这个帖子从电路的角度来分析计算为什么得到这个结论。

希望进阶爱好者们,能从帖子中看到一些不同的思路。

-

我按照正常数学思路来分析,

3.png

红色部分为半边DS的电压,*按照RFC隔交通直的特性,VCC的有效值应该等于DS的有效值

根据这个思路来计算,易得$G*\int_{0}^{pi}SIN(x)=VCC*2pi$

这个等式揭示了上一句话的数学含义。

很容易推导出增益G就是Um相对于单位函数SIN(x)的比值即Um

$Um=pi*VCC$

-

这是大部分推导帖中的结论,但是其中隐藏一些爱好者不好理解的地方,

也是我最开始有些想不通的,我列出如下:

1:为什么VCC一定要等于DS的有效值?LC槽路也是源,不会对电压节点造成影响吗。

2:RFC也是电感,并不严格隔交通直,而是有一定的阻抗Wl,为什么交流分量不受影响参与计算?

-

以下

众所周知,ZVS电路的拓扑是这样的:

1623032136280.jpg

这个电路的原理就是K1和K2交替导通,电感L1和L2作为恒流源。

从并联谐振电路LC的左右两端,分别给予激励,在适当的频率下,LC谐振电流不断增加。

从而通过变压器耦合、磁场直接对负载耦合等方式达到稳态。

-

2.png

C会不断对L放电,直到所有能量以电流的形式储存在L内。

此时L电流达到最大值,电流此时有很大的惯性,会继续拖动电容对L放电。

直到L电流从最大值,逐渐衰减为0。

此时完成整个放电周期,同时所有能量通过电流的形式得以储存。

C的上的电压Vds达到最大值Um。

-

按照基尔霍夫节点定律, 可知Il+Il1=C=0

由于钳位作用,按照Wc和Wl1的比值来计算。

此时RFC电感L1实际上一般为几百uH的取值,

而C和L的取值一般为几uH,TANK LC作为一个“源”实际上在节点Vds在“抢夺”

抢夺的规律可以认为是当Vds>VCC时,Vds=(Vds-VCC)*Wl1 /(Wc+Wl1) (可Wl1 /Wc>>1)

Vds<VCC 时,结果类似,都是由VTANK起主导地位。

人话翻译就是:槽路阻抗低,RFC上任何交直流分量不足以影响到Vds

-

这个结论与*红色部分是是相反的,那么问题到底出在哪?





[修改于 3年7个月前 - 2021/06/07 11:58:59]

来自:电气工程 / 电气电工
7
 
3
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
rb-sama 作者
3年7个月前 修改于 3年7个月前 IP:湖北
894243
瞬态和稳态

实际上以上的分析,从瞬态来看是没有任何问题的。

其问题也就出在“稳态”和“瞬态” 的区别。

实际上LC的谐振频率,对于ZVS的工作周期而言是一个非常“短”的过程。

在长时间工作的时间尺度上来看

最终ZVS稳态的工作条件实际上是要考虑RFC的影响的,因为是从稳态角度来考虑。

以上的公式,就不得不把所谓的WL1>>WC这个小的因素考虑进来。

-

实际上它的平衡就是通过以上公式来实现的。

同样会表现为ZVS的“启动”和“稳定”两个完全不同的形态。

-

让我们看一下ZVS的实际仿真图

4.png

可以看到ZVS的启动,是存在一个非常大的“过冲”情况的。

在普通ZVS工作的大多数情况下,这个过冲是十分有害,

电压和电流会同时达到额定值的几倍,往往会造成启动炸管的现象发生。

-

此时就是以上推导的WL1>>WC在起绝对主导地位。

槽路电压由于惯性,输入了较大的能量,使得槽路电压拉动RFC自由震荡。

-

而在一段时间后,电路会逐渐趋近于平稳,也就是计算值的Um=pi*VCC

这时候,同样还是Vds=(Vds-VCC)*Wl1 /(Wc+Wl1) (可Wl1 /Wc>>1)

起作用,由于这个微小影响因子的存在,RFC线圈会一直施加VCC的直流分量给Vds。

这个钳位的过程相对于瞬态而言无疑是漫长的,

经过一段时间后,最终Vds一定会被钳位在Vcc的直流分量上,

-

结论:

1:为什么VCC一定要等于DS的有效值?LC槽路也是源,不会对电压节点造成影响吗。

2:RFC也是电感,并不严格隔交通直,而是有一定的阻抗Wl,为什么交流分量不受影响参与计算?


1、是因为由于VCC和Vtank的共同影响,最终稳态条件下达到电压平衡,

实际上当Vtank过大,VCC则无法给槽路补充能量。

相对地当Vtank过小,VCC则继续给槽路补充能量。

这样的过程,最终构成了Vds的稳态,与ZVS的稳定工作。


2、则是因为感抗远大于槽路感抗,所以通过RFC的交流分量,

对于同频率变化的Vtank而言是很小的,而RFC的VCC端会有滤波电容。

能够起到很强力的钳位作用,所以影响是非常小的。

(引出实际ZVS的精确震荡公式是需要引入RFC计算的,也就是会有影响只是小而已)


这样一来,就完美解释了1和2的疑惑。

而不是用所谓,RFC隔交通直,所以Vds的有效值等于VCC这种暧昧而不清晰的说法来解释。


-

可以看到以上的推导过程,直接展开剖析了初高中课程中“隔交通直”的这种特性。

我从小就对这种说法有所怀疑,因为实在是太暧昧,很不喜欢这种说法。

到底什么算是直?什么是交?那为什么通过一个电感还能点亮小灯泡?

后来在工作、计算中,逐渐能理解这种说法的意义。

是为了快速辅助电工、爱好者等工程领域的人员,快速了解一些电路元件在电路中起的作用。

而作为电路设计,还是需要剖析其根本原因,也就是所谓的“边界条件”。

-

这些指标和参数才是在电路设计研发中最重要的一些参数。

这个帖子作为一个记录发出,希望能起到抛砖引玉的作用。

如果有误区,希望能指出共同学习!

引用
评论
2
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
月下孤狼
3年6个月前 IP:广东
894430

系统总结很好,以后我没办法继续考爱好者为什么ZVS 的开关管稳态电压峰值是电源电压圆周率倍了,对方可能不愿意分析而是直接以此贴作为回答。不过还有一些值得分析的,不通过磁耦合的方法驱动任何负载的ZVS是一个并联谐振回路,将稳定工作在并联谐振频率;如果将ZVS的谐振电感通过磁耦合的方法驱动另外一个谐振回路,将出现频率不稳定的情况(此时并联谐振频率将分裂为两个甚至更多)。如果有人尝试过用ZVS直接耦合一个特斯拉线圈,会发现最终稳态频率总是偏离次级谐振频率,因为次级谐振频率是一个低阻抗点,而ZVS最终是要稳定在高阻抗的谐振点上。


另外从工程上,上电启动浪涌是有害的,请推导上电过程Vds包络的频率和扼流圈电感的关系,从哪些角度可以优化这个问题?

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
rb-sama作者
3年6个月前 IP:湖北
894444
引用月下孤狼发表于2楼的内容
系统总结很好,以后我没办法继续考爱好者为什么ZVS 的开关管稳态电压峰值是电源电压圆周率倍了,对方可...

😅

普通TC相当于是双谐振回路,

并联谐振和串联谐振的概念是针对激励源的驱动方式而言的

并联谐振一般是电流源驱动,串联谐振是电压源驱动

而磁耦合则是能量通过磁耦合,耦合到LC中,可以当RLC分析。

频率分裂从数学角度解释,是因为频幅曲线的极值点是一个二次未知数的解,有正负两个极大值(还有一个极小值)

从物理的角度上看,其实又可以理解为原副边C通过松耦合到L1成为一个L(c)的谐振频率

<这个概念不展开,仅作为一个结论引出副边电容可以折算到原边作为电感特性>

原副边的谐振频率就此产生差异,

-

而这个频幅曲线描绘的仅仅是对于这个“网络”的激励和输出的特性

由于无源网络,可以很轻易的构建衰减、相位特习惯,所以最终自激振荡系统的工作点会落在哪个位置。

主要由反馈网络的增益、相位两个特征所确定和影响。

-

比如反馈点取在初级电流回路中,那么74HC的反馈回来正好是一个0°、180°的相位差

不会出现90°或者其他时延的可能性,

那么反馈就是正确的,此时相位特性满足后,考验的是此点相位的系统增益。

如果增益大于1,这个振荡就可以持续维持下去。

而DRSSTC线路是很容易达到这个条件的,所以一般都是0+w° 

如果300Khz 对应3.3us周期,74HC的时延大概有75ns 算上IGBT驱动等能达到200nS

这样就是20/3333=2.16°的相位对应此时的相频曲线


引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
矿山收音机
3年4个月前 IP:广东
895795

书里有说这个,比你说的清楚多了

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
2SC1970
3年4个月前 IP:山东
895895

但是似乎有人用示波器测出实际上初级电压超过了3.14VCC

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/p/3996396168

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
rb-sama作者
3年4个月前 修改于 3年4个月前 IP:湖北
896103
引用矿山收音机发表于4楼的内容
书里有说这个,比你说的清楚多了

是你吗 大聪明?  sticker

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
rb-sama作者
3年4个月前 修改于 3年4个月前 IP:湖北
896104
引用2SC1970发表于5楼的内容
但是似乎有人用示波器测出实际上初级电压超过了3.14VCCXXXXXXXXXXXXXXXXidu.c...

那就说明有其他因素影响,使得实测值偏离了理想模型的范围。

有兴趣可以展开讨论下

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
上级专业
同级专业
rb-sama
高压局 进士 老干部 学者 机友 笔友
文章
53
回复
1721
学术分
5
2010/05/02注册,15天15时前活动

曾是化学爱好者转到火箭爱好者最后变成电子爱好者的科创爱好者。

主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:未同步
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
收藏
取消收藏
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}