杂谈ZVS:为什么ZVS的峰值电压是π*VCC?
rb-sama 2021-6-7原创 电源技术

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 6 天前 - 2021-06-07 11:58:59]

来自:电子与无线电 / 电源技术
 
1
rb-sama 作者
5天21时前 修改于 5天21时前
1楼
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!

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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。

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