由于第一次做TC，再加上水平有限，难免踩坑。发出来给广大网友参考。本文分为设计部分、问题总结和测试效果三个部分。在设计上主要参考了大佬rb-sama的几篇帖子：

跳脉冲驱动

主动续流工作模式

谈一谈QCW泰斯拉线圈（tesla coil）的BUCK控制部分

QCWDRSSTC理论与验证实验

设计部分：

完整原理图见附件

QCW_DR.pdf 67.99KB PDF 109次下载 预览

1、DR控制部分

驱动使用UCC21520隔离驱动IC，数据手册标称响应时间19ns，驱动频率可达5M（实际没测过系统最高能跑多少频率）。另外UCC21222价格低点，我用UCC21520是手头刚好有。驱动IC自带disable引脚，为后续的“主动续流模式”设计提供了便利。

原理图中J10、J11外接谐振槽路，U4的disable引脚接过流保护信号（DR_OCP），而U10的disable引脚接地（不使用这个脚）。这样在谐振槽路触发过流时，Q8Q9被禁用，而Q10Q11继续工作，利用Q8Q9的体二极管实现主动续流模式。

G极驱动中的Z17和C29提供-5V驱动电压，驱动供电是18V，这样驱动幅值就是+13V/-5V。

IGBT管子选择FGH50T65SQD。数据手册给出在测试条件Ic大于IRG4PC50UD的情况下，Qg还比50UD小。可见开关速度优于50UD。

2、跳脉冲的实现

U7和U15是光纤接收头DLR1150。U7用于灭弧信号接收。看到rb-sama在跳脉冲驱动的帖子中提到通过改变限流大小实现无前级QCW的想法，于是预留了U15用于接收QCW调制信号，在J7处选择是TL431基准源还是QCW信号作为过流保护基准。U13-A用于锁存过流保护信号，U13-B保证在电流过零时执行过流保护信号，并在槽路电流下降到阈值以下时恢复，实现跳脉冲驱动。不过正如rb-sama所说，74系列芯片是单边沿触发，关断时间是一个完整的谐振周期。但和双边沿触发的效果差别大不大？这个还没做过对比试验。

3、buck部分

现在回头看buck的设计，感觉设计得有点复杂。最开始看了Steve ward的buck方案，觉得他的电路没有过流保护，可靠性不高。还是想应用成熟的buck电路。在这种上kW的应用中首选CCM工作模式。但是选择电压模式还是电流模式？当时认为电流模式需要斜坡补偿，而斜坡补偿会导致在小占空比时过流保护点过大，特别是电感小的情况下。另外当时选择UC3843作为控制IC，它的主流斜坡补偿方案是从定时电容上获取斜坡信号，但当电感小的情况下，定时电容提供的斜坡斜率就不够用了。所以选择了电压模式，而电压模式做逐周限流就会加剧电路复杂程度。后续会优化这一部分。

另外可以看到使用了带同步整流的buck方案，并且给同步整流管Q2做了逐周限流。U3-B做过流比较，U8-A做过流信号锁存，U5-B提供时钟信号在新的周期恢复过流保护。

同步整流的作用是工作在QCW模式时，在一个锯齿波结束后使母线电压快速恢复到设置的低压值。防止在下一个锯齿波周期开始时母线电压处于比较高的水平。

由于不知道电弧负载多大，而参考其它帖子也只给了平均功率，并没有灭弧周期和ontime数据。（rb-sama倒是给了one-shot模式下的电弧能量，但他的数据不能直接应用到我这个小型TC上）。最终以不损坏管子为目标，设置逐周限流点为30A。另外不想自己绕电感，手头最合适的成品电感就是CS467060铁硅铝磁环绕50T，静态感量350u。占空比0.5时电感纹波电流最大，这时输出电流能达到17.5A（开关频率40k），而感量下降到170u。200V输出时功率达到3.5kW（后面调试发现这个功率远远不够 ）。得益于逐周限流，在整个调试阶段没有炸过管子。

buck输出功率不够，临时改了buck电感和调整逐周限流点到50A，但输出功率还是不够。具体所需功率在测试效果部分讲。

4、系统供电部分

供电全部使用220V转18V电源模块（其中一块改输出电压到12V），淘宝上几块钱一个，非常的香。（香归香，坑还是有的，问题总结部分再说）

5、灭弧控制部分

灭弧控制就很简单了，使用单片机输出高频载波信号350k给光纤发射头，接收端RC滤波，通过调制发射端占空比来控制接收端滤波后的电压值。

6、线圈参数

外径110mmPVC水管，0.2mm线径绕230mm高，顶部贴圆形铜箔增大对地等效电容。谐振频率230kHz。初级电容是电磁炉谐振电容8个串联，总容量37.5nF。初级线圈用0.1*150股膜包线在外径130mmPVC水管绕6T。实测拍频80k，计算得耦合系数k=0.327

问题总结：

问题1：光纤发送三角波调制的高频载波信号，在接收端滤波之后，三角波的上升沿出现凹坑（波形忘存了）。使用非隔离探头测试光纤接收头的输出信号时，问题消失。当时考虑要不以后就挂个探头使用  怀疑是探头电容的影响，翻数据手册找到这样一句话：

在接收头的输出信号脚对地并30p电容，问题解决。很多时候器件没有按照预想的方式去工作，数据手册里都有对应关键信息，可以多在数据手册里找线索（或者应用文档）。

问题2：在发送三角波调制信号时，接收头在上升沿和下降沿的输出波形异常（如下图）。异常处发射端波形没问题。规格书标称最大频率可以到16M，按50%占空比算脉宽也有62.5ns，发射端的最小脉宽远没达到器件极限。

CH1=发射头波形（某些地方幅值小是示波器显示问题，展开后波形是正常的）

CH2=接收头经过一阶RC滤波的波形（C25波形）

后来查东芝TORX178的规格书发现发射占空比要求在25%~75%之间，怀疑DLR1150也有类似要求。把发射占空比设置为10%~90%，问题消失。具体原因还不清楚，但也没有细究下去。

问题3：反激电源模块起机上升沿过慢导致系统上电存在隐患。

CH2=反激模块空载输出

CH3=Q8管子驱动电压

从CH2可以看出反激模块的输出像是有缓启，上升沿分两个斜率。这样它给驱动供电时先达到UCC21520的启动阈值8.7V，Q8有驱动电压输出，并且开始建立负压（C29开始充电）。由于反激模块输出上升沿过慢，C29的充电电压抵消了一部分驱动电压，导致驱动幅值减小，就像CH3的波形那样，最小驱动电压掉到7V，几乎和米勒平台一致，这是不可接受的。解决方法是增加欠压保护电路，如下图

CH3=Q8管子驱动电压

优化后起机时管子最小驱动电压11V。

问题4：下电时，如果18V电源（驱动供电）掉电速度比12V电源（逻辑器件供电）快，并且18V电源掉电时谐振电流没有衰减到0，可能导致管子硬开关损坏。解决方法是增加18V电源的电容到470u。下电时由于buck最先停止工作，并且buck输出电容容量小，12V的保持时间很容易超过buck输出电压掉电时间，这样掉电时序就基本没什么问题了。

结合问题3/4，当系统原理图大致设计完成后一定要检查上下电时序，可以缩短后期调试时间。

测试效果：

跳脉冲限流50A，峰值电压设置200V，ontime=7ms，上升沿占比=90%，总周期=100ms

CH2=谐振电流（采样电阻端电压）

CH3=母线电压

如果剑弧形成原理是ontime时间内缓慢增加输入能量，导致电弧能量不足以打开分叉，从而沿原来方向生长。那么为什么在ontime一开始就达到了限流点，却仍然有剑弧效果？

我想到的可能原因是在初级能量往次级传输的过程中，由于拍频现象，初级电流峰值减小，这时母线电压的能量可以往次级传输，这样母线电压越大，往次级传输的能量越多。所以如果用PLL把开关频率固定在一个谐振峰，这时没有拍频现象，还会有剑弧效果吗？

跳脉冲限流50A，母线电压由直流源供电200V，QCW光纤信号接到跳脉冲限流设置点（U15），ontime=7ms，上升沿占比=90%，总周期=100ms

CH2=谐振电流（采样电阻端电压）

CH3=母线电压

直接调制谐振电流波形效果很差。电流包络波几乎看不出锯齿波，可能是ontime刚开始时，次级电弧长度小，能量消耗小，次级能量耦合回初级导致电流峰值升高到超过限流点，再加上拍频现象使得包络波不像锯齿波。由于限流点是锯齿波，和母线锯齿波方案相比，相同的ontime下电弧能量更小。

跳脉冲限流50A，母线电压由直流源供电200V，QCW光纤信号接到跳脉冲限流设置点（U15），ontime=20ms，上升沿占比=90%，总周期=100ms

CH2=谐振电流（采样电阻端电压）

CH3=母线电压

即使增大ontime效果也不如母线电压调制方案。基本宣判调制限流点方案凉凉。

跳脉冲限流50A，母线设置250V，ontime=0.5ms，总周期=2.5ms，输入400V2A。ontime时间内功耗4kW

跳脉冲限流75A，设置200V峰值，ontime=7ms，上升沿占比90%，周期100ms。输入锯齿波电压波形没看，但根据后续的测试结果估计幅度没达到设定值。

跳脉冲限流75A，母线设置200V实际150V，ontime=1.4ms，周期14ms。输入电压是稳的，母线电压会掉到150V左右。buck功率还是不够大。

CH1=母线电压

CH3=输入电压

由CH1可以看出灭弧后，有比较大幅度的过冲，这主要是buck输出电容量小，再加上环路带宽不高导致的。解决方法除了增大容量外，还可以增加过压比较关PWM的控制电路，但在TC系统中，这不是主要问题，所以没有优化它。

把直流源直接接到buck输出端。

母线电容改为2068u，输入300VDC，电容充满电后断开直流源，ontime=3ms，oneshot母线电压下降38V（跳脉冲限流75A），也就是ontime时间内平均输出电流26.19A

跳脉冲限流75A，母线电容2068u，输入300VDC，ontime=6ms

ontime增大之后电弧长度几乎没变。除了母线电压下降的原因，我想可能还和单个拍频包络波内初级电容最大储能没有随ontime的增加而增加有关。

最后，弧次比也没超过2，还有很多参数之间的制约关系还要花时间学习研究一下。

平均每个月只有4天时间来做这个TC，做了5个多月，后续计划还会再优化一轮，但可能会鸽很久