关于经典自激式ZVS电路的改进完善理论

前言:
       什么是ZVS?ZVS,即Zero Voltage Switching的首字母缩写,代表一种技术。ZVS有什么用?PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠),因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量,但开关损耗却更大了。为此,必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术,即所谓零电压开关(ZVS),或称软开关技术。<strike></strike>

经典经典自激式ZVS电路的分析:
       这个电路创立者不知何许人也,然而它简单又实用的形象以深入人心。在需要高频正弦波且对大功率和相应效率没有太高要求,也不需要闭环控制调节电压或者实现保护等等高级要求时,它毫无疑问最为适合。但是,这个电路尚有缺陷。
       分析电路不难发现,传统的ZVS自激电路是依靠电阻上拉实现MOSFET开启和另一侧MOSFET下拉及谐振环路反电势共同作用实现关断的。上拉电阻和栅极电容在阶跃电压激励下栅极电压变化为指数过程,MOSFET的开启速度比较慢,线性区时间长,开启损耗较大;关断时首先环路反电势通过二极管缓慢下拉栅极电位,同时另一侧MOSFET在上拉电阻和反电势作用下实现开启,两者一同作用于该侧MOSFET使其关断。由于关断动作首先由环路反电势发起,而反电势的变化为正弦函数,变化慢,如果负载比较重,反电势会变小使得另一侧/MOSFET开启变慢,本侧关断速度也变慢,而且由于另一侧DS电流变大压降也变大,本侧下拉电平不为0关断不彻底,导致更大关断损耗。

改进型自激式ZVS电路设想:
       在改进型电路中,使用栅极驱动器或者双极性射极输出器来驱动MOSFET,保证足够陡峭的上升下降沿。使用附加绕组反馈,避免直接接触谐振环路以免被其中的直流分量干扰。比较器的加入使得零点跟踪更准确。使用启动电路,使得电路0+时刻状态唯一确定,避免使用原件参数差异导致的竞争来确立电路初始状态。通过以上改进,在大功率下,即使反馈信号变弱,比较器也依然可以凭借极高的开环增益准确捕捉波形的零点,并在合适时刻控制栅极驱动电路使得MOSFET可靠的进行开关动作,大大提高了重负载下的效率。用MUltisim14对设计的电路进行仿真得到以下结果:

       可以看出,该电路零点跟踪能力较强,在谐振环路电压过零时,比较器立刻翻转,改变MOSFET状态。由于反馈信号和比较驱动电路的固有延迟所致,稍有误差。但基本实现了ZVS的工作状态。

99_1945833_38d41376cd79b40.png

 这是该电路的仿真文件:

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来自:电气工程 / 高电压技术严肃内容:专著/论述
12
 
0x00000000 作者
3年8个月前 修改于 3年8个月前
1楼

改进型ZVS电路实现PWM的设想:
       由电磁炉的同步振荡电路得到启示,尝试将PWM实现核心电路加入其中,得到了如下电路。其中,使用电流源对电容进行充电,当零点比较器输出低电平时,电容通过电流源充电,脉宽比较器的反向输入端呈现一固定斜率的上升电压,当该电压小于其正相输入的电压时,脉宽比较器输出高电平,MOSFET导通,当该电压大于其正向输入电压时,比较器输出低电平,MOSFET截至。通过改变正向输入电压即可改变MOSFET的导通时间,即实现了PWM调制。MOSFET的最大导通时间还受零点比较器的限制,使其不会超过1/2环路谐振周期。在零点比较器的一端还设有低阻复位电路,当零点比较器输出高电平时,电容快速放电,为下一次线性锯齿波发生做准备。PWM的加入也带来了额外的好处,当电路意外停振时,MOSFET的最大导通时间会受到PWM发生部分的限制,使其不会一直导通下去,由此保护了MOSFET。该电路的仿真如下:

        可以看出,在保持了ZVS的工作条件下,实现了PWM调制。

1‘.png

 

1''.png

 

1.png

 仿真文件:

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0x00000000作者
3年8个月前
2楼

结论:

       对经典自激式ZVS电路的改进完善后,使得该电路具有了更大价值。由于可以非常容易地进行线性功率调制,所以可以使其驱动高压包并在PWM比较器正向输入端送入音频信号以实现等离子扬声器;或是加入整流电路,基准,电压采样及放大电路,可以构成开关电源,等等。在此希望各位不要重复造轮子,在对经典电路的多次实践中不妨提出新认识,并尝试将其放入新的实践中检验,以获得发展。

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三水合番
3年8个月前
3楼
引用0x00000000发表于1楼的内容
改进型ZVS电路实现PWM的设想:       由电磁炉的同步振荡电路得到启示,尝试将PWM实现核心...

PWM的时候也没实现ZVS啊……

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0x00000000作者
3年8个月前 修改于 3年8个月前
4楼
引用三水合番发表于3楼的内容
PWM的时候也没实现ZVS啊……

只能说一半实现的ZVS,或者说软开硬关,所以需要足够的关断速度来抵御关断损耗。毕竟调脉宽和ZVS在这里是矛盾的,一个要求随时关断,另一个要求合适时间点关断。不过这在电磁炉中也一样。不过只要把脉宽设置为50%,MOSFET的动作就完全由零点比较控制了,这样就是完全ZVS了。

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rb-sama
3年8个月前
5楼

这看起来就是软开硬关移相半桥的一半,是普通的PWM调功。

如果用单管实现,就是半个周期发热,适合把硬开关能量损耗在关断尖峰上。

如果用全桥实现,这就是移相半桥,其中一个桥臂软开关,另一个硬开关,当然有比较有意思的做法是交替开关。

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0x00000000作者
3年8个月前
6楼

这是其单端形式,就是电磁炉电路,简单些,一般带高压包半波整流够了吧:

Capture.png

 

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0x00000000作者
3年8个月前
7楼

对了,单端应用时,由于负载不连续,所以扼流电感能量直接释放产生高频振荡,并引发极高的尖峰。

仿真中发现对扼流电感使用磁复位电路回授能量到电源,还是没有办法解决这个问题。除非在MOSFET的DS处并联RC吸收电路,才可立竿见影地解决这个问题。不过随后又发现吸收电路功耗比较大。😂

所以有什么办法吗。

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乞力马扎罗的雪
2年11个月前
8楼

可以考虑用CD4046来锁相,实现驱动和谐振的相位锁定。类似感应加热电源的控制方式。至于调功,有多种方式,一种是直接改变频率和相位来实现调功,但这时候的MOS关断的ZVS条件就不是那么美好了,当然,可以用MOS外并电容的方式来缓冲实现ZVS。

还有一种方式就是二级变换,后级完全锁定在最完美的ZVS波形上。前级加一个buck电路调电压来实现调功。

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jl8888
2年2个月前
9楼

可以通过调节供电电源电压进行功率调整

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我嘞个去
1年11个月前
10楼

请问楼主有考虑过用变频器代替吗?

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lalatg
1年10个月前
11楼

搞这么复杂咋不上LCC呢

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月下孤狼
1年10个月前
12楼

先说结论:

  1. 爱好者群体所谓ZVS前身是royer变换器,以BJT为核心半导体元件,优点就是结构简单。实际上应该归类为正弦波功率振荡器;还有一种非正弦波功率振荡器,利用磁饱和来翻转的;

  2. ZVS电路最大的问题是启动瞬间电压应力非常大,这个应力要高于3倍。(一般达到6到10倍);起振失败意味着大电流烧毁;


   综上所述,ZVS定位就是一个简单的方案;llC已经是成熟架构,如果不是为了追求简单没必要继续优化ZVS;

   另外,ZVS架构相对LLC唯一优势就是频率上限更高,可以稳定工作在5M及其以上,但是可靠性依然是问题。而且现在GaN器件越来越便宜,未来不借助ZVS这类架构实现这么高频率也完全可行而且可控性更强。

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