科普向 UD2.x系列DRSSTC(半导体双谐振特斯拉线圈)驱动的前世今生
回顾一下DRSSTC的发展历史。
08年的时候,STEVE WARD的个人博客中。
更新了他的DRSSTC4 project,随之更新了新的驱动电路。
这个驱动电路被它命名为
Universal DRSSTC Tesla Coil Driver 1.3 Rev B
直译过来就是通用双谐振固态特斯拉线圈驱动1.3版本B。
缩写就是UD1.3b,而之后出现的UD2x.x系列命名原则相同。

而UD1.3b则为国内玩家广泛仿制使用,据统计,不同版本的UD1.3b仅在本论坛都有七八种不同的layout。
STEVE本人的驱动版本更新至了UD2.3,UD2之后的系列与UD1最大的区别是在于通过LR移相的作用,对特斯拉线圈馈回的电流信号延迟进行补偿,从而使DRSSTC的工作性能得到更大的提升。
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DRSSTC的初级线圈与槽路电流以及全桥构成谐振回路。
通过FB磁环对电流进行采样,并且经过驱动电路整形,以及MOS电路提供GDT驱动信号,最终驱动IGBT全桥完成控制闭环,而最终的目的是为了能够准确追踪系统谐振频率,从而实现软开关。
而在闭环系统中为什么要相位补偿,可以看下图。
2打打.jpg
上图是把DRSSTC驱动信号上升沿在闭环中的所有延迟列出来。
在一般大家的印象中,DRSSTC的驱动电路是无延迟的,是理想的能够产生于槽路正弦波同频同相的方波。
而实际工作过程中,信号经过电路,由于有开关器件以及接线杂散电容电感的影响,延迟在高频工作的时候就不能被忽略。
那么这个延迟有多大呢,以下结合本人针对经典UD1.3b驱动测量数据对延迟进行量化。
1:FB磁环延迟,FB磁环可以认为是一个1:1000的互感器,理想变压器对于电压波形传播与磁化时间有关,同样与杂散漏感有关。这个延迟的大小实测约30nS。
Q:有办法改善否?A:改善绕制工艺可以一定程度改善,但无法消除。
2:驱动电路延迟,DRSSTC的驱动信号在正弦波整形为方波后,会经过许多门电路以及斯密特触发器,这会产生一个约70nS的延迟。
Q:有办法改善否?A:使用较快的74AC系列,或者使用CPLD,延迟能减小。
3:MOS放大延迟,DRSSTC的驱动信号经过TC4423放大后,驱动MOS半桥,推动GDT驱动IGBT,这个延迟较大,约为130nS左右。
Q:有办法改善否?A:把IRF540分体驱动,换为结电容更小的FDD8424,有效降低延迟,提升工作频率。
4:IGBT开通延迟,这个延迟是以上数据中,最容易被量化的。具体怎么看呢?
我列出以下三种IGBT管的数据。
QQ截图20160722130835.jpg
60PD1,我在QCWDRSSTC中使用的IGBT管型号,td(on/off)分别为26/146ns,riseT&fallT分别为13/15ns。
QQ截图20160722130633.jpg
50UD,大家做小型DR常用的IGBT管型号,td(on/off)分别为46/140ns,riseT&fallT分别为25/74ns。。
QQ截图20160722131239.jpg
CM600DY-24A,很多坛友做大型DRSSTC时使用的IGBT管型号,封装为模块。td(on/off)分别为660/700nS,riseT&fallT分别为190/350ns。开通延迟约为以上两管的十倍左右。
Q:延迟大的模块,我加强驱动,把它弄成200nS上升沿的方波,岂不是能缩小这个延迟了吗?A:Sometime naive 你的驱动上升沿为200nS时候。整体延迟为200+660+190=1050nS。由于传统老旧IGBT特有的拖尾,下降延迟达到了200+700+350=1250nS,惊人的延迟
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以上四点,已经非常明白的阐明了DRSSTC的工作延迟原理。
我们拿DRSSTC爱好者喜闻乐见的两种DRSSTC种类来举例分析
1:QCWDRSSTC
2:大型模块桥DRSSTC
1:QCW的工作频率为400KHz左右,如使用UD1.3b进行驱动,固有延迟为300nS,IGBT延迟为40nS和160nS左右。整体延迟为300-400nS左右。
这个时候直接开关的波形是这样的(图来自Gaoguangyan QCW project)
11.jpg
IGBT上的尖峰电压,这些尖峰会对IGBT带来致命的失效。
那么问题来了:这些尖峰是如何产生的呢?
道理很简单,真正的软开关状态是不会产生尖峰的,而如果延迟导致的电流电压相位错开,就会导致在感性区或者容性区开关,这样的非理想开关就带来了尖峰。
我们知道,会产生尖峰,就一定伴随能量。这些高达几百V的尖峰电压的能量从何而来,到哪去呢?
很简单的分析,LC谐振回路中感性负载的能量,一部分会通过IGBT内部反向并联的快恢复二极管回流到母线当中,而尖峰同样也同样加在IGBT的CE两端。
最终这个尖峰可以被并联的吸收电容抑制钳位,从而转化为热量消耗掉。
而非理想软开关也会在CE结产生不小的热量损耗。

能量是守恒的。
不会平白无故产生,也不会平白无故消失。
有些爱好者认为,“根据实践经验延迟不影响工作效果”的理论是否正确呢?
分析:在同样的ontime大小,有延迟导致电压尖峰和软开关损耗的情况下。与理想无延迟的完全软开关对比。
输入能量为W
尖峰等等损耗能量为w
那么W大还是(W-w)大呢?
答案是显然的,没有延迟情况下的有效功率怎么样都更大。
也意味着能够在同样的能量输入内,无延迟,能产生更长的电弧。

而IGBT模块的延迟可以高达1~2uS的量级
IGBT小管的延迟约为0.3uS。
运行在同样的电流下,IGBT的损耗可以是IGBT小管的5~8倍。
当然IGBT模块巨大的散热系统,让这种损耗不容易被观察。
而QCW系统中,高达400KHz的工作频率,半周期约为1.25uS。
0.3uS的延迟不可以被忽略,所以QCW系统中,要求完全没有延迟。
否则一个ontime对应几千cycle周期的放电,会导致发热非常严重。

所以通过以上分析经典UD1.3b的通用性,需要重新被考虑。
Q:是否需要淘汰UD1.3b?是否要全盘否认?
A:任何东西都有其存在的历史意义和应用价值,在40-200KHz左右的工作频率范围,使用小型IGBT管的DRSSTC,电弧长度在1.5m之内。应用UD1.3b是非常合适的,因为整体延迟不大,所以损耗控制在尚可接受的范围内。在这种情况,应用UD1.3b是明智之举
Q:UD1.3b有驱动大型模块的驱动能力,和能够达到QCW工作所需的高频波形输出能力,是否可以直接适用?
A:从出电弧的角度考虑,当然可以,损耗在吸收做好的情况下,运行在较低的电流限值,不会有问题,只是效率会非常低下。可能在同样的电弧长度下,50UD使用10x10cm的散热片能解决散热,CM300H系列则需要20x20cm或者更大的散热片面积
Q:我通过合理布线或者按上文所说改变某些参数,能否做到无延迟?
A:当然可以减小,但不会被消除,这样低频的信号,改变布线,可能能带来1nS左右的收益。改变74芯片的型号,也许能带来30nS的收益,改善末级输出 可以带来100nS的收益,IGBT延迟随型号固定无法改变。通过合理的选择UD1.3b器件能够获得100nS左右的延迟收益
但是必须注意的是,UD1.3b的设计结构缺陷,并不能完全消除延迟。
所以以上的结论依然成立


那么有没有办法真正解决这个问题呢?

[修改于 3 年前 - 2017-07-05 03:21:22]

来自:高压与强磁 / 特斯拉线圈
 
2016-7-22 15:27:32
rb-sama(作者)
1楼
方法当然还是有的。
在2011年2月28日
STEVE WARD更新了他的驱动原理图。
并命名为UD2.0 全称为Universal DRSSTC Tesla Coil Driver 2.0
version版本号后面跟的第一个数字发生变化
一般意义是主体构架发生了变化。
那么最大的变化在在哪呢?
QQ截图20160722150151.jpg
主要的变化在上图中有所体现。
简单分析电路原理:其改变主要是利用LR电路对输入的正弦波进行延迟,R3R4则对5V进行分压,产生一个约为1.6V的固定电压。这个固定电压经过IN4148钳位。最终输出一个叠加在1.6V直流偏压上的1.6V±0.3V与延迟后输入正弦波同频的方波。
这个方波与固定1.6V一同送入由TL3116精密比较器进行电压比较,最终送出0-5V的同频方波。
这个移相电路的原理非常容易理解。
由于TL3116非轨到轨的特性,必须加直流偏置,而较低的方波幅度,有利于提高速度,降低延迟。
TL3116拥有7.5nS的延迟时间,意味着信号电路最后输出延迟约为7.5+delayT。
这个时间经过输出Q和Qa反相。
可以巧妙的将延迟带来的时间,转换为提前移相。
为什么不可以通过UD1.3b驱动的方式进行反相应用呢?
原因很简单,如果这样,在第一个周期无法产生有效的正反馈,并且延迟不可调。

这个改进被应用于DRSSTC驱动电路是划时代性的。
其价值在于哪呢?
联系上文的两个应用情境

1:QCWDRSSTC 固定0.4uS延迟无法消除,那么就使相位提前0.4uS。
这样就完全抵消了IGBT和电路延迟等带来的负面影响。
损耗大大下降,能够把功率提到更高。电弧更长
2:使用模块的DRSSTC,1~2uS的固定延迟,使相位提前1~2uS,完全抵消延迟。
消除了尖峰,本来只能上到600V母线电压的DRSSTC可以运行在800V。
本来能运行在600A的电流可以运行在800A。电弧效果自然增加。

而相位补偿之后的电流-电压波形图如下。
22.jpg
可以看到在电流最高的位置,由于相位补偿的存在,电压尖峰被几乎没有,取而代之的是非常干净的方波。
这个情况下,能达到的最大功率仅和流过IGBT的电流有关。
和尖峰带来的过压风险完全脱钩。
并且发热量大大减小,DRSSTC的体积也变得更小。

Q:UD2.x系列驱动适合应用于什么场合呢?
A:应用场合非常广泛,它在继承UD1.3b驱动能力的基础上,可以驱动大型IGBT模块,并且可以通过调节电感的方式,补偿系统延迟带来的尖峰、发热量大等问题。可以说从根本上解决了DRSSTC的最大损耗,和妨碍DRSSTC电弧做长电路方面的种种不利因素。
而频率应用范围,根据国外高压爱好者社区论坛的评测,工作范围在20KHz-1.1MHz均可正常运行。
是一款真正更加通用先进的驱动器。从功能上能够全面覆盖UD1.x系列的驱动电路。是替代升级的电路版本。

UD2.x系列的电路结构可谓是当之无愧的第二代DRSSTC驱动。
而UD1.3b是2008年的驱动版本
UD2.0是2011年的驱动版本
那么现在最新的DRSSTC驱动已经发展到什么程度了呢?
国外爱好者在做DRSSTC的时候,又会选用什么样的电路结构和驱动器型号呢?

[修改于 4 年前 - 2016-07-22 15:28:56]

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2016-7-22 19:38:59
2楼
楼主又辛苦了,先赞一个!
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rb-sama(作者)
8楼
引用 784295641:
楼主又辛苦了,先赞一个!
有大家的支持是最好的啦!
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2016-07-23 10:51:50
9楼
CT输入那个像是钳位二极管的D1 D2 C6 作用难以理解,给交流回路加偏置,一个大电阻就OK了
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rb-sama(作者)
10楼
引用 3DA502:
CT输入那个像是钳位二极管的D1 D2 C6 作用难以理解,给交流回路加偏置,一个大电阻就OK了
用电阻如何实现呢?能否画出电路 也许是一个新的设计哦
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2016-07-25 09:48:13
2016-7-25 9:48:13
11楼
LZ你这个设计还是很巧妙的,我认为已经是最优了,一开始没有看明白这个设计

设计者把钳位和启动锁定放在一起了,比分别设计钳位 和 启动锁定 更加简洁
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rb-sama(作者)
12楼
对,其实意义不仅仅是嵌位。还有减幅的作用。
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rb-sama
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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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