ZVS双管自激电路原理仿真分析
关于ZVS的原理,论坛里面讨论得比较多,有好几种解释,但一直看不太明白,抽空用Multisim仿真了一下ZVS,并作了一下分析,觉得和实际情况还是比较吻合的,欢迎大伙拍砖。
正文如下:
131101

关键变压器的模型,库里面的是理想变压器,电感无穷大,耦合系数为1,高压包可以看作是一个输入电感有限,耦合系数接近1(因为铁氧体磁芯),因此可以在两个初级线圈上并上电感来等效,上图中两个40uH是我随便设定的值,实际高压包初级电感在这个数量级,谐振电容取340nF
借用下图,列出需要分析的电压和电流;
131102

下面是仿真结果:
131103

其中电源电压Vcc=12V,但是扼流圈L1后面的电压Uin最高能达到18.6V,超过了电源电压,其实这是可以计算出来的,因为谐振LC并联回路波形是一个正弦波,即图中Ud1-Ud2,由于MOS管隔半个周期交替导通接地,L1后面的电压就相当于正弦波经过全波整流,周期为原来的一半,又由于扼流电感L1是通直流阻交流的,Uin的直流等效电压应该等于Vcc,这个需要对其积分求平均,用公式表示就是:
131104

那么LC回路的电压峰值就是:
131105

差不多3.14倍的电源电压,这也是MOS要承受的电压值。

关于振荡的原理,很多人分析过了,我这里简单补充一下,扼流线圈L1是很关键的一个元件,因为电感的电流不能突变,在上电瞬间,下面的MOS管突然导通,L1上会感应出一个和电源电压相当的电动势,使得MOS管电流由0开始缓慢增加,而不会发生全部电压加在导通的MOS管上,烧毁管子。
另外两个MOS管其实是存在一个互锁的状态,只要有一个导通程度比另外一个大一点,就会将这个优势正反馈过去,将另外一个管子的栅极电压继续拉低,以至完全截止,而它则能进一步完全导通;如果没有LC回路,它的状态是会一直稳定下去的,不能形成振荡。
能形成周期性的振荡主要是利用了LC回路,图中的LC工作在并联谐振状态,此时电流是非常大的(特斯拉线圈则相反,利用了串联谐振),还是上面的图,Ug1Ug2Ud1Ud2分别为MOS12的栅、漏极电压,由于二极管的钳位作用,Ug1Ud2Ug2Ud1之间在二极管导通时会有约0.7V的固定压差,截止的时候则没有直接关系;
131106

下面分析Ud1,MOS1开始由截止转为导通时,Ud1电压会降到接近0V,这时候LC回路中电流达到最大值,而电容电压最小,接着就是这个电流开始对电容进行充电,电容上的电压开始上升,即Ud2Ud1开始增加,随着电容的充电,回路的电流开始降低,电流降为0的时候,Ud2电压也达到最大值(二极管D1会在Ud 2>Vcc-0.7的时候截止),当电容完成充电后,开始反向放电,这时候电流开始增加,Ud2↓,当降到Vcc0.7以下时,D1导通,则Ug1=Ud20.7 ↓,当Ug1降到4.2V左右时,MOS1开始进入可变电阻区了,这时候Ud1会因为MOS1内阻增加而上升,即Ud1↑,于是LC回路上的电容电压:(Ud2Ud1)↓,其中 Ud2因为Ud1↑下降速度有减缓,于是出现了上面图形中的一个小平台;最终Ud2还是会继续下降,使得Ug1也下降,MOS1转为截止,这时Ud1同时在上升到(Vgsth0.7),约3V时,通过二极管D2Ug2上升,MOS2导通,接下来和管1的过程一样。

顺便引用一下乖氏家族ehco实测的波形图,可以看到和仿真波形是一致的,特别是上升过程中的一个小台阶;
https://www.kechuang.org/t/29745
131110

131109

131108

131107

关于振荡的频率,可以通过并联谐振的公式计算出来,即:
131111

131112

对于仿真图中的参数,C=340nFL=L2L3=80uH
这是L2=L3的情况,当L2L3时,则不能这么计算了,需要分两种情况考虑:
1、  电路中有带中间抽头的变压器,假设系数是11,用阻抗变换的公式将L2L3从抽头和变换到主回路中,L1=L2×N^2=4L2L4=4L3,再将两个电感并联代入公式计算即可;
    

阻抗变换原理:
131113


2、  电路中没有变压器,L2L3之间耦合较弱,则直接将L2L3串联计算就行了,L=L2+L3;根据原理,L2L3为完全没有耦合的电感,振荡也是能维持下去的,因此变压器的反馈作用并不是主要的,根本就没有必要,电路上面加上它主要是实现功率的输出(变压器耦合);


    以上结论均可以通过仿真来验证,有人说这个不是并联谐振,频率和计算出来的并不一致,我觉得是因为没有考虑次级的影响,因为阻抗变换(匝数1n,阻抗就是1n的平方啊),比如高压包次级的电感和电容可以转换到初级线圈回路中,还有负载也要转换过去,这样的话应该就和实际差不多了;

下面是仿真的文件,装了Multisim 11的可以试一下,一点就振的。


ZVS.rar83.0k202次



+50  科创币    delete   2012-04-17   学习了
+50  科创币    坚持and突破   2012-04-17   话说这个我在去年就仿真过了,得到的结论和楼主一样,就是那个扼流圈的关键性!今天分数全给你!
+10  科创币    爬行动物   2012-04-17   楼上说这话什么意思?不理解
+200  科创币    ehco   2012-04-17   很少有人静下心来研究原理,暂一个!图文并茂
+1  科创币    caoyuan9642   2012-04-18   扼流圈应该作为类似于恒流源来对待,所以Uin貌似不是Vcc的样子。。。鼓励思考
+1  科创币    任某人   2012-04-18   Good Job..!
+200  科创币    金坷居士   2012-04-18   Well done~
+50  科创币    jrcsh   2012-04-18   高质量发帖
+10  科创币    xiefeng   2012-04-21   
+25  科创币    粤语残片   2012-04-23   很有意义
来自 高电压技术
 
3
2012-4-17 08:47:01
1楼
回 楼主(frival) 的帖子
话说这个我在去年就仿真过了,得到的结论和楼主一样,就是那个扼流圈的关键性!今天分数全给你!
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2楼
我做的没有成功,参数怎么设都不起振。

谢谢

这个破联通,加不了分
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frival(作者)
3楼
回 2楼(samsun185) 的帖子
电路中变压器不是关键的,可以去掉;并联的电感电容不能缺,如果不起振,可以故意将两边的电阻设得不对称,比如一边400欧,一边390欧,或者一边下拉10K,另外一边下拉9K,就很容易起振了;如果参数是完全对称的,就需要变压器的反馈作用来促进振荡,一旦振荡形成,就能稳定下去了。
+45  科创币    任某人   2012-04-18   0楼加少了补上。。
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4楼
发现个问题,为什么我把电感设置为50uH就不起振了
这个是50u,不起振
131047


这个是51u
131048


这个是49u
131049
  

反正就是50u不起,不知是不是仿真参数设置问题

设置为49.99999u也能起振,就是50整不行,仿真参数设为10e-5也一样
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5楼
我想在不起振的情况下看看电流大小,结果电感前加个探针起振了[s:275]
难道是Bug??
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frival(作者)
6楼
回楼上,你把初始条件设置一下就行了,我全部设置为0,也可以自定义,电容初始电压为0,电感初始电流为0,如果用系统自动计算出来的静态工作点作初始值是不能起振的,ZVS实际中缓慢上电也有可能进入停振的状态,设置见下图:
131051

一点就起振了
131052
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7楼
嗯,发现新问题,以前一直以为谐振频率和那个电感有关,现在发现那个电感就是限流用的,只影响起振时间,不影响谐振频率
我把次级加上电感,发现好像也不对谐振频率有影响嘛。。。。次级再串联可变电阻+定值电阻后,随意滑动可变电阻,频率稳如泰山。。。
得出以下结论:谐振频率只和初级漏感和谐振电容有关和其他一切无关
次级负载的变化,不管是加入感性还是容性,只引起功率有微小变化,换言之,次级空载和有负载(随便什么负载,不短路就行),电源供电的电流Irms变化不大(只有0.0X安),这个貌似与实验不符哎,拉弧到极限后电弧尖啸,场管巨热

曾记得维基上的E文说到次级阻抗发生变化后,映射到初级感抗的变化,会引起谐振频率的变化,限流电感也参与决定谐振频率,现在看来貌似不对。。

过会儿试下调制电源仿真~
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8楼
话说,漏感到底是要和原线圈并联还是串联啊,我将楼主的40uH改成和初级串联,但是不起振,一定得在次级加上一个电感才行,如图
131056

刚上维基百科看了下,工业上定义漏感为将一边线圈短路,测另一边的电感,那似乎应该是串联的。。。但是串联后仿真失败- -!
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frival(作者)
9楼
变压器不是这么用的,我在分析的一开始就提到,这个理想变压器模型输入电感无穷大,耦合系数为1,直接串上去,回路电感还是无穷大,没法用的。
次级的电感通过阻抗变换转到初级是要除以匝数比的平方的,并且是和变压器并联的,所以上面说的要加个电感才行。

还有“电源供电的电流Irms变化不大(只有0.0X安)”,注意仿真是空载运行的,所有元件还是比较理想的状态,当然就这么点电流,实际中空载电流也一般只有几百mA吧。
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10楼
回 9楼(frival) 的帖子
呃。。。原来如此~~对于multisim果然还是不熟~~!那个pdf因为我的kcb不多了所以想节约一下~
+1  科创币    frival   2012-04-17   我哪有设KC币呀,直接点开就能看了。
+1  科创币    caoyuan9642   2012-04-18   貌似只要下载附件九扣kcb吧。。
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11楼
如果说关键是那个电感,我记得以前用12V不加电感依然起振?!!?
+1  科创币    caoyuan9642   2012-04-18   应该是分布电感造成的。但是这样对管子不好吧
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frival(作者)
12楼
回 11楼(tslahz) 的帖子
确实,把电感换成10欧的电阻,一样可以起振;但我实际中是不能用的,这个电阻上面的功耗将会非常大,导线电阻可能在1ohm以内,P=U^2/R;
而用扼流电感的话,交流电只会产生无功功率。
131073
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13楼
12V,合上J1后有小概率形成如图所示波形
大多数时候不起振 131074

另外我把10k去掉后发现G极波形更好,上升时间明显缩短,但是如果限流电感过小,容易无法起振,也就是说,如果限流电感够大,那么10k可以去掉,效果更好~不知分析的对不对。。。
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14楼
很少有人静下心来研究原理,暂一个!图文并茂
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15楼
请教一下,我电源出来后放了个探针,探针显示的Irms为什么会显示空载有2.7A,而当我电源出来后加一个1Ω电阻,Irms就变成几百mA级别了符合实际了
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frival(作者)
16楼
回 15楼(眼睛) 的帖子
试试这个,用这种电流探针,接示波器上看电流波形,开始的瞬间时候电流是很大的,稳定之后就正常了。
131089
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frival(作者)
17楼
回 14楼(ehco) 的帖子
echo老大,参考了你以前测量的波形,非常感谢,不过我对你前面分析的一处感觉有点疑问:

见:https://www.kechuang.org/t/30731   2楼
“3.    见图1,在上电瞬间,L2,L3中的等效励磁电流Ip1用红色线条表示,因为具有相同的磁路,Ip1将在L2上产生一个互感电流,图中用蓝色线条表示,L2+L3与C1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。”

实际上L2上产生的感应电压应该是上正下负的(感应电动势总是阻碍总电流IL3-IL2的变化),方向应该是和IL3相反,与IL2一致的。
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18楼
是的,是上正下负的,流向画反了,感谢您指出错误。

还有我那贴中说的靠饱和来实现翻转,总觉得不能自圆其说。
+1  科创币    caoyuan9642   2012-04-18   好像真心不用那个磁饱和也能翻转。。。想想用ZVS做感应加热磁芯都没有也照样起振
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frival(作者)
19楼
回 18楼(ehco) 的帖子
谢谢,这个地方困扰了我好久,总算清楚了;
翻转我觉得是靠LC回路的谐振实现的,可以把它理解为一个惯性很大的的飞轮(并联谐振电流很大的),使截止的那个MOS管漏极的电压按正弦规律变化,最后下降到VCC-0.7V时,使开关二极管导通,把导通的那个MOS栅极拉低,再进一步下降至其截止,实现状态的翻转。
+200  科创币    ehco   2012-04-17   +1
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20楼
是的,后来在研究感应加热的时候,明白了LC的惯性,尤其是并联谐振回路的惯性,可以进行巧妙的利用。

您的“惯性很大的的飞轮”描述非常之贴切,您对台阶电压的分析灰常之透彻,学习了!

建议将本帖标题改为《ZVS双管自激电路原理仿真分析》,好多几个搜索关键字,万分感谢!

如果能将pdf中的文字和图片传到楼主位上更好,方便大家阅读,增强体验。
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frival(作者)
21楼
谢谢老大加精[s:227]
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2012-4-18 00:15:52
22楼
扼流圈应该作为类似于恒流源来对待,所以Uin貌似不是Vcc的样子。。。鼓励思考
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23楼
好像真心不用那个磁饱和也能翻转。。。想想用ZVS做感应加热磁芯都没有也照样起振
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24楼
回 22楼(caoyuan9642) 的帖子
这几天在实验zvs电X机,发现那个电感在一定程度上越大带载能力越强,另外大的电感对提高ZVS的抗冲击能力很有帮助(我实验时60uH电感12V的ZVS带150W灯泡停振,而三个60uH电感12V的ZVS带150W灯泡轻松启动+灯泡雪亮)
结论:那个电感有助于稳定ZVS的震荡
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25楼
回 24楼(金坷居士) 的帖子
电感大了基本上就等于恒流源。。。所以管子就不会过流或者同时导通之类的蛋疼了
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2012-4-21 00:13:03
2012-4-21 00:13:03
26楼
有个非常大的疑问,本来想等搞明白了再说说(可能是我自己白),但是工作忙,没时间思考,所以还是直接问了吧。。。
"又由于扼流电感L1是通直流阻交流的,Uin的直流等效电压应该等于Vcc,这个需要对其积分求平均,用公式表示就是:XXXX"直流有效值不是平方后再积分吗,然后解出来的是方均根值(rms值),也就是应该是根号2倍的Vcc,后来仿真试了几次,减小电感会增加电感右边的电压峰值,很微小
另外没搞明白的就是为什么次级接了负载后改变负载阻抗谐振频率却不变,如果次级负载变了,那么初级映射的电感值也不就变了吗
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frival(作者)
27楼
回楼上,有效值是针对功率而言的,但这里需要计算的是平均值,也就是交流电的直流分量,比如均值为0的正弦波,有效值是峰值除以根号2 ,但直流分量是0呀!
另外这是个近似的计算,把电感当作一个完全阻交流通直流元件,实际上还是有一定的交流电流通过电感元件的(几百mA),所以峰值电压和电感量有点关系;
关于负载影响谐振频率,可看这个比较:
先设置好变压器匝数比为 0.5,意义如下:
131384

340nF和80uH,振荡周期33.16us,频率=1/T=30.15kHz
131385


再在次级加一个26.6666666uH的电感,1:1转换到初级和80uH并联,就是26.666×80/(106.666)=20uH,是以前电感值的1/4,根据公式,频率应该是刚才的两倍;
仿真也是这样的:
131387

周期是16.581us,频率=1/16.581us=60.31Khz
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28楼
嗯,楼主电学理论比我扎实多了,现在明白了,次级映射到初级的阻抗变的很小了,因此主要还是靠漏感维持谐振,负载映射到初级之后的阻抗,对于电流来说简直是螳臂挡车了
另外还是不明白,为什么要说,电感前后的直流分量是相等,而不是功率是相等呢,我想前后应该能量守恒吧,那不就是功率相等嘛
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2012-4-23 13:57:57
2012-4-23 13:57:57
29楼
這篇帖子對新人很有指導意義,謝謝分享
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30楼
回 29楼(粤语残片) 的帖子
我也觉得,不过我问的问题貌似太白了,没人来回答了- -!
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2012-4-24 10:37:07
31楼
Re:回 29楼(粤语残片) 的帖子
引用第30楼眼睛于2012-04-23 22:24发表的 回 29楼(粤语残片) 的帖子 :
我也觉得,不过我问的问题貌似太白了,没人来回答了- -!

功率不单是定义在DC上,AC也适用。
普适地认为:相同的相位基准下,功率=单位时间内电流波形与电压波形的重叠面积
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2012-4-25 12:30:42
2012-4-25 12:30:42
32楼
回 31楼(ehco) 的帖子
对于sin来说,重叠部分不就是方均根嘛~
后来想了一下,电感也会消耗掉功率(无功功率),因此前后不存在功率相等一说。。。但是为什么就说后面的交流电压的平均值就等于电源电压还没搞明白。。。。
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2012-8-24 23:57:56
2012-8-24 23:57:56
33楼
呵呵,这个电路是正激还是反激?
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2012-9-4 09:27:33
2012-9-4 09:27:33
34楼
新人进来学习一下,用Multisim仿真一下,謝謝分享[s:269]
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2014-10-12 14:56:46
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35楼
下载不了  下载下来  就是网页啊
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36楼
不能下载啊  下载了 是网页 不是文件
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2015-6-1 11:29:01
2015-6-1 11:29:01
37楼
为啥我一下载就是网页啊,貌似在科创上下都是那样,     总之先学习了
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2015-6-2 23:46:31
2015-6-2 23:46:31
38楼
我感觉我在挖坟,好东西值得学习
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2015-6-3 09:55:15
39楼
学习学习
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2015-9-20 17:10:45
2015-9-20 17:10:45
40楼
很不错
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2015-10-19 14:43:02
2015-10-19 14:43:02
41楼
不错
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2015-11-13 09:04:33
2015-11-13 09:04:33
42楼
问楼主一个问题,为啥我把电路图搬到multisim12.0上就不起振了,改电阻参数也不行(将两对电阻调成不对称)
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2016-3-24 09:23:32
2016-3-24 09:23:32
43楼
各位大神 请教个问题
我按照你们的 图仿真了下 我这一直都没有波形。是不是我这变压器选的不对?  还有就是我用这个原理图搭建了个电路 功耗很高频率也很高都M级别的了 不知道哪里原因 求指教啊 急急急  随便仿真没有波形 但是有输出电压261406

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44楼
请教下 这个电路是不是输出功率不高?带负载能力不理想?还有就是纹波是不是也不理想呢?我看变压器的电感量不大啊
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2019-2-24 16:50:49
2019-2-24 16:50:49
45楼

仿真改无抽头怎么弄

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2019-2-25 01:37:13
46楼
引用:emm_ 发表于45 楼的内容:
仿真改无抽头怎么弄

看窝的帖子!

https://www.kechuang.org/t/83587?page=0&;highlight=854556#854556

8.关于双电感无抽头的ZVS

这一行 理论证明了输入电感远大于谐振电感的情况下 两种zvs是等价的

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