雅各布天梯制作

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雅各布天梯制作

布布卡

2012/01/20

高电压技术

IP:广东

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0引言：

0.1 雅各布天梯
   希腊神话中有这样一个故事：雅各布梦见一个阶梯，它的顶部到达天堂。后人便把这神话中的梯子，称之为雅各布天梯。[1]
0.2 主要结构
该展品由驱动电路、行输出变压器、羊角电极等部分组成。由驱动电路驱动高频变压器提供数二十万伏的高压，在羊角电极下端击穿空气，形成电弧，受到空气浮力和磁力影响，使电弧向上运动，电弧升高到一定高度断裂，周而复始，其运动过程类似于爬梯。
工作时，管状电极底部产生电弧，电弧逐级激荡而起，如一簇簇圣火似地向上爬升，犹如古希腊神话故事中的雅各布天梯。雅各布天梯则展示了电弧产生和消失的过程。[2]
0.3 采用零电压开关(Zero Voltage Switch) 技术
   本制作采用了零电压开关技术，由高频高压变压器代替笨重的工频高压变压器，减小了体积，提高了功率密度，并在一定程度上提高了安全系数。
1原理：
1.1 等离子体（Plasma）
  等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。
等离子体是具有高位能动能的气体团，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。
1.2 等离子体产生过程
    在二十万伏高压下，电极间隙处的电场十分强。巨大的电场力使空气电离形成等离子态而导电，我们看到的电弧就是因为空气中的原子核核外电子由激发态转变到稳态时能量以光和热的形式散发出来。两电极最近处的空气首先被击穿，形成大量的正负等离子体，即产生电弧放电。空气对流加上电动力的驱使，使电弧向上升，随着电弧被拉长，电弧通过的电阻加大，当电流送给电弧的能量小于由弧道向周围空气散出的热量时，电弧就会自行熄灭。　　并且在高压下，电极间距最小处的空气还会再次被击穿，发生第二次电弧放电，如此周而复始。

1.3 零电压开关(Zero Voltage Switch)
   交流电是按正弦波规律变化的，如果在电压为最大，或较大值时接通或断开电路，就会有较大的电流冲击。交流正弦波在正负半波交替时为过零，过零时接通或断开电路，冲击电流就较小，零电压开关技术就是在功率元件两端电压为零时开通和关断。
     本制作采用有源型的零电压关断，通过将主金属氧化层场效晶体管支路引入到谐振电路中，当主MOSFET要关断时，让电路产生谐振，在主MOSFET中电压过零时撤除控制信号，即可实现零电压关断。同理，在主MOSFET要开通时，让其产生谐振，当主MOSFET两端电压过零时，施加控制信号，便实现了零电压开通。
2驱动电路
2.1 电路图

2.2 电源部分：
220v交流电源经过变压器降压至36V，经过20A1000V整流桥整流，47000μF 60v电解电容储能滤波，5μF CBB电容吸收尖峰。
2.3 功率部分：
采用双管推挽自激初级线圈与所并联的电容C（C1和C2)并联谐振，电感L1用于扼流防止冲击电流瞬间损坏功率管。
功率管采用500V 30A以上的大功率N-MOSFET管，初级采用粗电线绕制5匝＋5匝，谐振电容采用CBB电容。瞬间功率可达2KW。散热由散热片和散热风扇共同完成，因工作在ZVS下，发热量不大。
2.4 电路原理：
2.4.1   上电瞬间，电源电压流经R1，R2，经过D4，D5稳压二极管钳位在12V后分别送入MOS1，MOS2的GS极，因此两个MOS管同时开通。
2.4.2    因为元件参数的离散性（例如：MOS管GS钳位电压的离散性、MOS管本身跨导参数的离散性、变压器初级绕组不严格对称、走线长度差异等），导致两管DS电流在上电瞬间就不相同。假设下方的MOS管MOS2流过的电流稍大。即IL3>IL2（假设变压器上绕组为L2下绕组为L3，后同）。因为L2，L3是在同一磁芯上绕制，本身存在磁耦合，所以，对磁芯的励磁电流为IL2，IL3之和。之前提到IL3>IL2，而且从抽头看去，IL2，IL3的电流方向相反，所以对磁芯的励磁电流为Ip1=IL3-IL2。这样就可以等效为仅有L3线圈产生励磁作用（有一部分抵消掉L2的励磁）。
2.4.3    在上电瞬间，变压器上绕组，L3中的等效励磁电流Ip1，因为具有相同的磁路，Ip1将在L2上产生一个互感电流，L2+L3与C构成并联谐振，这个互感电流的方向同IL2相反，如此正反馈造成的结果是IL2越来越小，最终可单纯看做只有L3参与励磁。
2.4.4    与此同时，L2上端电压升高，D4截止，G1电压保持12V,MOS2继续保持开通。因为MOS2开通时VDS很小，L3下端近似接地，D5导通，将G1电位强行拉低至0.7V左右，MOS1失去VGS而截止。
2.4.5    随着时间推移，L3对磁芯的励磁最终达到磁饱和，此时L2-L3-C的电流因磁芯饱和失去互感刚好减到0，MOS1的DS上电压为零。而L3失去电感量而近似于一个仅几mΩ的纯电阻，瞬间大电流全部叠加在MOS2的导通电阻Ron上，使L3下端电位瞬间升高，D2截止，G1点电位恢复至12V，MOS1获得VGS而导通（在VDS=0的情况下导通，故称ZVS）。继而L2上端近似接地，G2点电压降到0.7V，MOS2截止，MOS1保持导通。当L2励磁达到饱和时电路状态再次发生翻转，重复第4过程。
2.4.6    整个过程中，翻转的时间由谐振电容C的容量和L2+L3共同决定，因为有C构成谐振，初级电压波形呈完美正弦波，谐波分量大大减小，漏感的影响不复存在，因此变比等于匝比。L1为扼流电感，利用电感电流的不可突变特性，保证磁饱和瞬间MOS管的DS极不会流过巨大浪涌而损坏。
因为利用了磁饱和原理，所以在磁芯工作在滞回线1,3象限的饱和临界点之间，磁芯的储能作用得以最大发挥，传递功率相当大。[3]

参考文献：
[1] XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX    维基百科：   Jacob's_Ladder
[2] XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX      百度百科：    雅各布天梯
[3] XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX                    关于经典ZVS原理 ehco
《零电流开关关断过电压及其抑制》
《AHB 直流变换器的 ZVS 原理分析与控制》
《开关电源设计实例》
《新型开关电源及其应用》

非常感谢ehco等坛友帮助

第一次按论文样式写不太符合格式。。有些别扭。。。我做好挨砖准备了。。

实际谐振电容用了10uf 电感600uh 频率在7.5khz 功率550w 基本无发热
管子最开始用的gt60m104 后来用的g40N150D 但内阻大最后用的IRFP250N(拆机货) 效果很好
高压包是普通的中型黑白包，但很给力：5cm击穿。绝缘较麻烦用了大片的热熔胶（热熔胶绝缘性很棒）
电极用的两个陶瓷柱和粗漆包线（刮漆）螺丝固定。
下面是实际图片：
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