固态特斯拉线圈DRSSTC电路设计理论
DRSSTC基础原理请看这里。。
http://www.kechuang.org/t/37463

任某人在此帖里详细讲述了DRSSTC的基本电路原理,ZCS的过程,触发器的工作状态,GDT,IGBT等等。
但是具体的电路设计仅仅有最基本的原理还是有点不够的。

为了取得较好的效果,DRSSTC还需要各种参数的调试、协同调整。
这些参数都影响到最终的电弧长度、管子发热量以及爆管频率。
所以还是很有必要看看的。

但是因为这部分内容几乎很少地方有提到,都是各位DR高手的总结和共识,所以在此总结下有助于大家交流~

PS:本帖发帖动机:G40PC50UD 炸光了。。所以必须得总结下自我了。
感谢black,y2k,ry,以及(Steve Ward & McClauley)([s:274]   ) 的帮助。

下面开始正文。

DRSSTC主要分为4个部分:
1. 驱动板部分。
2. 灭弧部分。
3. 功率部分(IGBT&功率电容)
4. Tesla Coil谐振部分(MMC,Primary,Secondary, Top)。

驱动板部分嘛。反正原理就那样。只要加好了屏蔽电路没有问题也没什么可以调整的是吧。。。
灭弧部分很简单,也不说了。
这两部分的内容在https://www.kechuang.org/t/37463都有描述。

下面来谈剩下两个部分的几个参数,这都是事关DR性命的啊。。
各种参数的演示将使用PSPICE仿真结果来演示。
1. 谐振。
谐振想必凡是做tc的人都懂得,这里也不说了。简单来看就是
1/(2πf)2=L1C1=L2C2

2.浪涌阻抗(Z因子)和电流上升速率(dI/dt)。

在每个灭弧周期的开始,初级线圈中的电流从0开始上升。
这个上升不是瞬间完成的,而是需要一定的时间。

如果知道点Fourier分析的童鞋应该可以理解这一点。
全桥(半桥)相对于LC谐振回路其实就相当于是一个方波电压源,频率和LC谐振频率相当。
我们知道,在LC谐振频率下,串联LC回路对外阻抗相当于为0(如果考虑上线圈电阻和电容ESR,应该有一个很小的mΩ级的电阻,如果布局合理的话可以忽略不计)。
但是,在DR工作过程中并不是一上来就是稳定的正弦波,而是有一个电流上升过程(如前所述)。这其实就相当于在初始条件中有不是谐振频率的分量(废话,如果都是谐振频率的话就没有电阻了)。这些分量会渐渐衰减为0(LC回路的选频作用嘛)。这个分量衰减的越快,电流上升速率就越高。

这就是浪涌阻抗(surge impedance, Z因子)的物理含义。
其定义式为
surge.png

浪涌阻抗Z越小,电流上升速率dI/dt越快。

讲到这里,细心的童鞋就可以看出,
DRSSTC不像SGTC,只要谐振好就行了。
因为保持谐振频率不变,初级电感L1增大一个倍数,初级电容C[sub]1减小同一个倍数,频率不变。
但是Z因子变了。

为神马Z因子这么重要??

DRSSTC相当于是间歇式工作的,在每个灭弧工作期间IGBT会承受巨大的谐振电流。
这么大的电流,时间长显然就爆了对吧?
所以要尽量缩短每个灭弧周期的ontime。
但是这矛盾啊~ontime短了传送到次级的能量不就少了么。。电弧不就短了么。。。

因为初级谐振电流不会无限制上升,而会有一个极大值(稍后有图)。
而次级电压和初级电流基本上是成比例的。
当初级电流达到极大值,次级电压也达到极大值,这时候电弧长度也达到极大值了。
所以,并不是ontime越长越好哦~ontime只要长到初级电流达到最大值就行了。

这时候Z因子和电流上升速率的重要性就体现出来了:
电流上升速率越快,达到极大值的时间就越短,ontime也可以做的越短。
ontime短了会怎么样?发热就少啦!炸管就少啦!

还没有理解Z因子的作用?看图~

Low_dI_dt.png

  
High_dI_dt.png


看清楚纵坐标哦~
明白了?

在这个仿真中,因为没有加次级,所以电流会无限制的上升。
但是可以很明显的看出Z因子大的电流上升慢,而两幅图的谐振频率是一样的哦~

未完待续~ [/sup]

[修改于 2 年前 - 2018-07-06 21:06:09]

+40  科创币    云烟   2012-03-08   等待待续
+200  科创币    猎鹰   2012-03-09   辛苦了
+48  科创币    任某人   2012-03-09   今天分都给你了~
+25  科创币    粤语残片   2012-03-09   高质量发帖 今天分都给你了
+25  科创币    魔羯司令在此   2012-03-09   这个绝对有意思。。
+100  科创币    tyl961115   2012-03-09   今天的全给你啦
+50  科创币    cdefgabzym   2012-03-09   
+200  科创币    虎哥   2012-03-10   赞扬!
+25  科创币    最高主机泡泡   2012-03-10   讲得好
+25  科创币    pavaroti   2012-03-15   等待继续……继续加分
+9  科创币    左哥   2014-03-18   醍醐灌顶
来自:高压与强磁 / 特斯拉线圈
 
2012-3-8 23:32:17
1楼
收藏了。期待继续
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
2楼
继续。
2. 耦合度和频率分裂。
上面说到了没有次级,电流会无限制增大。
这怎么行呢!于是就有了次级~

凭直觉,次级放的离初级近,和次级放的离初级远肯定是有区别的对吧,
量化这个参数,就是传说中的耦合度k。
0≤k≤1,表征初级发出的磁场有多少能被次级接收到。

现在加上这个传说中的次级,再来仿真看看:

High_dI_dt_with_sec_high_k.png

  
High_dI_dt_with_sec_mid_k.png



看出来没有?
1.高耦合率的电流最大值比较小。
2.高耦合率达到极大值快,就是上面那个“包络线”震动的比较快。
这里先引用两个图:
changek.gif


doubhump.gif


这就是说明,在有次级的情况下本来单一的频率(LC谐振频率)会分离成两个峰。
而知道点物理的人都懂得,这两个频率之差俗称拍频,也就是包络线波动的频率
根据某公式,
f1=f0/√(1-k),
f2=f0/√(1+k),是两个峰的频率。
所以,耦合度k越高,频率之差越大,自然“抖动"也快了。


High_dI_dt_with_sec_mid_k_FFT_freq_split.png


High_dI_dt_with_sec_high_k_FFT_freq_split.png


这分别是上面两个图的傅里叶频谱,可以清楚的看出频率分裂的差别。




那么耦合度对电流上升速率有没有影响呢?显然是有的。
不仅仅是电流极大值的位置和大小会变,
耦合度高了的时候,就相当于初级谐振被次级限制住了,所以上升也会减慢。
这里有个我很喜欢的图来解释耦合度:
coupling.gif




所以到这里,耦合度和Z因子就说完了。
后面会讲到S路线要说到这个。
要电流上升速率快的话:
1. 减小Z因子,即增大C减小L
2. 或者减小k


但是注意!
k太小了,就像没有次级一样,电流会无限增长,管子果断归西。。
k太大了电弧短额。。虽然对管子好些。




还没完待续~
+200  科创币    虎哥   2012-03-10   很不错的描述,一看就懂
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2012-03-09 00:19:00
3楼
有点不明,所谓的Z因子和Q值有什么关系?
+1  科创币    caoyuan9642   2012-03-09   z因子是关于谐振回路本身而言的,和电阻(电感内阻+电容esr)无关,而q评判的是谐振与衰减(阻尼)之比
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
4楼
灰常NICE!richie王道了。。虽然伦家做SG的。。但是理论比屎锑敷要精细的多~
扩展阅读:
http://www.richieburnett.co.uk/operatn2.html#quenching
http://www.richieburnett.co.uk/operation.html#operation
+1  科创币    ry7740kptv   2012-03-09   他老人家是做SSTC的吧?
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
5楼
继续来吧~


上面压根没有提到DRSSTC功率部分的器件对吧~下面就是了。


3. 软开关,ZCS和IGBT的工作状态。


IGBT怎么工作的应该在扫盲贴里已经说了。


为什么要ZCS(Zero Current Switching)呢?
管子中通过的电流高达数百安,
而开关的过程正好是电流和电压交接的地方。
当电流为0的时候开关,就能很有效的降低损耗,从而降低发热。


原理很简单,但是要真的做到ZCS还真难啊。
下面是一张仿真的ZCS工作状态图片。
ZCS_situation.png




这里来说说每条线的含义。
从延迟的先后顺序依次为


0                     紫线---初级谐振电流
0                     粉线---反馈变压器的输出电压
10ns~20ns     上方两条绿线---74HC14整形的输出波形
50ns               黄线---DR4板子中IRF540/IRF9540的驱动波形
100ns          中间的绿线---IRF540/IRF9540输出波形

200ns            红线---IGBT的G极波形

300ns            天蓝线---IGBT两端电压



到这里为止,IGBT就算是彻底关断/打开了。
300ns还只能算是非常小的延迟了,这是针对IRG4PC50UD这种小管子而言的。
如果使用的IGBT是更大的管子,比如说大砖之类的,延迟时间将更长。


于是就有了相位补偿~把相位提前来抵消这个延迟。


顺便来说说定频驱动和自激驱动的区别:(说错了请纠正)
通过仿真发现,自激可以做到接近ZCS(接近上图所示)
然而定频驱动是做不到ZCS的。相反,IGBT将会在电流极大值处关断。
所以做定频DRSSTC不能做大功率~要不必须爆管。


然后再来更进一步说说为啥要减小灭弧周期ontime~


这是一个灭弧周期内的两个部分的ZCS状况:
short_ontime_ZCS.png


long_ontime_ZCS.png


在下面这幅图里面,可以看到延迟时间已经变得800ns以上了~这相比原来的300ns来说是一个巨大的增长,而发热量也会显著增加。


原因估计是因为电路里面的某种不对称性,使得相位发生了一定的变化,于是造成上升沿延迟很小,而下降沿延迟很大。(不知道对不对)


所以啊!!ontime一定要短来获得小的发热量~可以把bps开大,但是一定不要把ontime开的太大。。。


下次来说S路线和QCW的事情~
+200  科创币    ry7740kptv   2012-03-09   先不说对不对,冲你这热心劲儿给你加200~
+10  科创币    kcltxinshou   2013-05-15   在烧了许多管子之后,静静地思考了很多。重新看你这篇分析,就有一种英雄所见略同的感觉。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
6楼
caoyuan的理论完全正确
符合事实而且能达到国外技术普及贴水平
非常值得赞扬 故资以精品鼓励

关于QCW和S路线 是总结出来的规律
所得到的结论并不能保证完全正确 发在此贴并不适合
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
7楼
4. 高级调谐技巧


由于black版主不太建议S路线的事情,就来说说其他的吧~


通常人们认为Tesla Coil就是建立在灰常精确的谐振上的,所以费劲一切心思来调谐振。
这一点对于SGTC来说还比较正确,但是对于DR就有点问题了。


上面第二节中已经说到了频率分裂和”波包“(拍)的形成


根据傅里叶分析的观点,初级线圈中的电流其实就是这两种频率的叠加。
为了能更好的从初级向次级传输能量,通常希望其中一个峰尽量大,另一个峰尽量小。
注意到在通常情况下,总是低频率的那个峰值要大些,另一个要小些。
所以一般是选取左边那个峰使其尽量大,右边那个尽量小。


使得低频峰值增大的方法就是稍稍降低初级的谐振频率,也就是增加初级L(比较常用)或者初级C。
不过这也不能增加的太多,否则电路失谐,初级电流过大引起炸管,而电弧也会比较短。




另外,考虑到电弧其实也是有电容量的,大约为
1ft.电弧≈1pF电容
即1m电弧≈3.3pF电容
所以在电弧增长的时候,电容也会显著增加,造成次级谐振频率下降。
如果在没有电弧的时候初次级是精确调谐的话,电弧增长后就会失谐,造成即使加高电压电弧也无法继续增长或者爆管。
解决方法就是首先降低初级频率,使其在无电弧时稍稍失谐,然后加高电压之后一旦有了电弧,谐振就变得更好了,所以会一下子出现很长的电弧。


所以有一种调谐方法认为”先在次级顶端接上和电弧长度相当的细导线,然后再调谐“。
我个人感觉这种方法没什么大效果。。最好还是直接调谐调到电弧长度最长就完事了。
+50  科创币    咸鱼超人   2012-03-09   
+20  科创币    jxs   2012-03-10   无语。。。所谓的高级调谐技巧就是“直接调谐调到电弧最长完事”。。。
+200  科创币    虎哥   2012-03-10   这样论述很好理解。
+25  科创币    粤语残片   2012-03-10   很詳細 不過我還是想知道S線路是怎麼回事
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
8楼
回 7楼(caoyuan9642) 的帖子
那個還是說說吧  很想看,比如可以在一個新帖上面單獨討論
折叠评论
1
加载评论中,请稍候...
折叠评论
9楼
回 7楼(caoyuan9642) 的帖子
虽然看不懂!不过好像很精彩
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2012-03-10 00:01:40
caoyuan9642(作者)
10楼
回 9楼(咸鱼超人) 的帖子
额。。你做了一个的话就懂了
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
11楼
无语。。。所谓的高级调谐技巧就是“直接调谐调到电弧最长完事”。。。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
12楼
有些人真有趣,一方面对前人百般诋毁,一方面却又把前人嚼剩下的东西吃的津津有味。哈哈,滑稽哟滑稽。(并非针对楼主,请勿对号入座)
+1  科创币    caoyuan9642   2012-03-10   话说您老什么时候见我对前人百般诋毁了?
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
13楼
回 11楼(jxs) 的帖子
话说有些人调谐直接用示波器+信号发生器什么的调到理论点完事~所以还是得强调一下的
比如说你在开始的时候用示波器+信号发生器调到了谐振点,然后发现电弧不是很长,应该往哪个方向调才能调到电弧最大值?
如果调反了的话,电压加高了一失谐就会爆管子。
所以所谓“高级调谐技巧”就是在理论层面上阐明应当如何才能正确达到最佳工作点。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
14楼
很詳細 不過我還是想知道S線路是怎麼回事
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
15楼
至于S路线和QCW~还是写上来吧~建议~
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
16楼
看这么多人想听听,我就简单说下吧~
S路线:为了保护管子,尽量降低ontime(几十us到100多us),降低ontime的原因我说过了,但是又不能牺牲电弧长度,所以只能提高输入电压。有时候&bps也能提高~所以可以拿来放音乐(因为ontime很短,只要管子不过热就没事)。
QCW:基本上和S路线是对立的。ontime很长很长的时候电弧也能很长,而且因为是同一个bps周期内产生的电弧,所以电弧很直,也很粗(电流比较大)。ontime一般在5~50ms之间。但是bps必须就很低了。这也是为什么叫“准连续工作”(Quasi-continuous working(W到底是什么我也不太清楚。。要不然是Wave?) Wave)bps一般不超过20bps,要不容易炸管。由于管子必须长时间经受300~400A这样的极端工作条件(而不像在S路线中ontime就几十us),所以必须用稍微高级些的管子,像40N60A4D或者CM300之类的昂贵管子。G4PC50UD会发热很严重。
+1  科创币    black   2012-03-10   wave
+1  科创币    y2k   2012-03-10   索引有..............
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
17楼
话说ls两砖家诶诶。。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
18楼
额,话说我的sstc走的就是S路线,电弧很像SGTC,也比较适合我喜欢的风格,原来只知道这种方法,却不知道还有个这名字。。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
19楼
顺带再加一句,S路线需要较大的初级电流(槽路电流),所以需要较小的耦合(正文中已提到)。
相反QCW因为电流大了会boom,而且为了电弧不分叉,所以需要较小的初级电流,即较大的耦合。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
20楼
回 19楼(caoyuan9642) 的帖子
最近在寫一個高中物理探究實驗的小論文。寫的是特斯拉線圈,可否引用一點你的結論
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
caoyuan9642(作者)
21楼
回 20楼(粤语残片) 的帖子
额。。随便啦。。不过还是注明下比较好~
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
22楼
原来这就是S路线啊。。。之前ry有讲过额。。。我尝试走S路线的时候适当加大谐振电容,减少L。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2012-03-11 10:59:19
caoyuan9642(作者)
23楼
回 22楼(奇侠) 的帖子
差不多吧。。反正就是要减小Z因子,减小耦合度,减小ontime,提高输入电压
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2012-04-02 19:41:06
2012-4-2 19:41:06
25楼
我什么也不懂 但是想学     点击 “原理请看这里” 之后进入  另一个帖子    之后又看到了 ”原理请看这里 “   最后    看到了  《怎样制作 SSTC 》 [s:214]   这个pdf早就下载了。  但是还是看不懂            毕竟初三物理基础。。。。 [s:214]    初中生真的伤不起!!!
+1  科创币    闪电侠007   2012-12-24   这个东西跟学历关系不大,主要是靠自己多看相关的书,高中都不会学的。多看介绍基础电子元件的书
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2013-01-24 19:49:24
2013-1-24 19:49:24
26楼
回 21楼(caoyuan9642) 的帖子
今天才看到你这个帖子,醍醐灌顶啊!都是精髓。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2013-05-15 08:40:33
2013-5-15 8:40:33
27楼
我稍微吐槽一下吧,
surge impedance   浪涌阻抗Z在这里指的是当电容释放蓄能对电感充能时在LC回路上的等效阻抗,这个Z影响的是峰值电流I,
d.jpg

而楼主说:“ DRSSTC不像SGTC,只要谐振好就行了”,在SGTC中,火花间隙会消耗掉大量的能量,通常会在一定范围内减小初级槽路电容,加大电感来降低电流,从而减小损耗
[s:274]SGTC要做好也不容易啊,不是谐振好了就行,打火频率,MMC,初次级匹配等等,要谈完这些,估计能写一篇跟楼主差不多长的帖子出来[s:274]
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2014-03-18 08:22:24
2014-3-18 8:22:24
28楼
感谢楼主科普~楼主认为TRSSTC走S路线好呢,还是QCW路线好?
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2015-07-29 23:08:29
2015-7-29 23:08:29
29楼
好东西啊,最近才学习DR,相见恨晚。
好东西啊,最近才学习DR,相见恨晚。
好东西啊,最近才学习DR,相见恨晚。
好东西啊,最近才学习DR,相见恨晚。
好东西啊,最近才学习DR,相见恨晚。
好东西啊,最近才学习DR,相见恨晚。
[s:20][s:23][s:24][s:31][s:37][s:38][s:41][s:49]
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2015-07-31 18:59:53
2015-7-31 18:59:53
31楼
没做过这东西,但是看楼主讲得很精彩的样子,先收藏,空了的时候玩玩看
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2015-10-14 14:10:03
2015-10-14 14:10:03
33楼
震撼
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2016-03-04 11:30:13
2016-3-4 11:30:13
35楼
虽然看不懂!不过好像很精彩
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

caoyuan9642
学者 笔友
文章
49
回复
810
学术分
4
2009/05/06注册,4 年前活动
暂无简介
插入资源
全部
图片
视频
音频
附件
全部
未使用
已使用
正在上传
空空如也~
上传中..{{f.progress}}%
处理中..
上传失败,点击重试
{{f.name}}
空空如也~
(视频){{r.oname}}
{{selectedResourcesId.indexOf(r.rid) + 1}}
插入表情
我的表情
共享表情
Emoji
上传
注意事项
最大尺寸100px,超过会被压缩。为保证效果,建议上传前自行处理。
建议上传自己DIY的表情,严禁上传侵权内容。
点击重试等待上传{{s.progress}}%处理中...已上传
空空如也~
草稿箱
加载中...
此处只插入正文,如果要使用草稿中的其余内容,请点击继续创作。
{{fromNow(d.toc)}}
{{getDraftInfo(d)}}
标题:{{d.t}}
内容:{{d.c}}
继续创作
删除插入插入
{{forum.displayName}}
{{forum.countThreads}}
篇文章,
{{forum.countPosts}}
条回复
{{forum.description || "暂无简介"}}
ID: {{user.uid}}
{{submitted?"":"投诉"}}
请选择违规类型:
{{reason.description}}
支持的图片格式:jpg, jpeg, png