电气工程特斯拉线圈
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讨论特斯拉线圈现有工作模式的改进--主动续流工作模式
rb-sama 2019-1-7 11:09:11

长期以来,我们的特斯拉线圈可以看作,一个带使能信号后延关断,跟随主功率波形过零点的谐振开关电源。

一般的工作波形用经典的图来看如下,红色波形部分为ENBALE段,而绿色波形部分为DISABLE段。

长期以来,这成为几乎SSTC DRSSTC QCWDRSSTC等各种特斯拉线圈工作准循的标准工作模式。

从能量传递的角度来分析,红色部分是全桥传递给线圈LC组的过程,而绿色是线圈组储能LC组通过全桥二极管向电容续流的过程。

电弧长度与槽路能量持续时间和持续强度是正相关的,而下降部分仅能维持电弧的存在,而无法对电弧增长提供贡献。

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而如果有一种工作模式,可以在绿色部分,让电流继续在槽路中持续流动,这样可以避免反馈回母线电容以及损耗在线路中变成热损耗掉。

也可以减少体二极管以及槽路钳电容的电流应力,最重要的是,能够使绿色部分的时间大大加长,这样对电弧长度的贡献是有利的。

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考虑到全桥是由四个管子组成的,所以一次续流过程,必然由一对IGBT和体二极管组成。

这样就能把续流过程分为2个周期,如下图所示。

 理论上讲,一次续流只需要完成1、3这样的过程,这相当于用两对桥臂的上管,来完成正负周期的续流。

或者用2、4这样的过程,利用两对桥臂的下管,来完成同样的工作,但是电流流过会导致热效应,这样的工作过程,会导致上、下管过热。

对于大电流工况下的DRSSTC,会累积热不平衡,导致过热,

这里提出一个新的工作模式,在灭弧周期结束之后,是由1、2、3、4顺序导通IGBT,让电流在上下管对中持续流动。

这样就能在四个管中均摊电流热效应带来的影响。

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以上两点从工作原理到具体实施方案上提出了一个全新的工作模式,

这种模式很难想象在其他工业领域有应用,能找到的资料也甚少,所以还需要爱好者们来完善它的实现方式以及可能踩到的雷。

为了方便讨论,我们暂时把这种专用于特斯拉线圈的模式称为主动续流模式。


在这抛砖引玉,对于这种工作模式有什么利弊?能带来多少电弧收益?用什么样的逻辑电路在现有驱动板基础上改进?

我会着手用硬件逻辑描述语言来实现以上工作,欢迎讨论!



 

[修改于 10 天前 - 2019-01-07 11:13:25]

2019-1-13 17:42:12
1楼
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这种模式的思路和早期单极性spwm调制的时序图思路类似,前者是均摊上下桥臂的频率压力,这种方法解决了单极性调制下上下桥臂热量不均的问题。楼主的思路是均摊高电流回路从而均摊热量。很好的思路,这样解决了均流。有个事情想问楼主,在高电流情形下igbt的导通压降与体二极管的导通压降相比如何?传统工作模式的时序又是如何用逻辑电路实现的呢?

rb-sama(作者)
2楼
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具体的导通损耗区别没有计算过,你可以算一下,软开关切换开关损耗不是主要损耗因素。

可以从IGBT压降和二极管压降很容易计算出来区别。

另外这个模式其实对损耗不敏感,主要是让初级线圈的灭弧发生后,电流继续在LC回路中持续更长时间。

避免在红色段泵入的能量在绿色段又通过反向续流的方式回到母线电容,这减少了单位时间的能量利用率。

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最近一段时间另一个思考是关于云豹的SKP工作模式,总所周知DRSSTC的SKP模式,是属于脉冲密度调功。

但是避开一个脉冲和避开一个周期,在回路上表现出的状态确是完全不同的。

现在的云豹SKP驱动,是通过在过流区间,制造一个跟随电流波形过零点的N*Period失能区来实现功率控制。

而这样全桥完全关断之后,初级线圈的电流会在失能区间,快速的续流到母线电容。

这样会造成电流波形的不规整,使包络显得像锯齿一样,这样会影响电弧的生长,产生更多交叉。

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而如果在SKP工作模式中,创造一个N*Period/2的失能区,则在过电流时LC电路的能量可以在全桥内继续流通。

而不会损失到母线,这样的结果对于电流的稳定是有很大积极意义的。

可以让基于SKP调功的QCW电弧更直,这也是国内外爱好者普遍讨论的一个话题,毕竟SKP是完全软开关,而PS不是。

rb-sama(作者)
3楼
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引用:钢珠子母弹 发表于1 楼的内容:
这种模式的思路和早期单极性spwm调制的时序图思路类似,前者是均摊上下桥臂的频率压力

另外之前的驱动逻辑,主要是用全数字电路实现的,云豹驱动板的RC外挂器件其实是冗余设计,这是之前出于防伪的考虑,

现在看,市面上很多号称PDM调功的驱动板,如果可以去掉这部分器件,但是依然照搬设计上板,这说明固件和云豹是一样的。

如果不能去掉,说明其本质依然是DR4经典电路,仅仅是搬运到硬件描述逻辑语言中实现。

这一点不是什么高精尖技术,但是可以注意辨别。

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这个新主动续流的逻辑实现,我最近比较忙,没有想出一套具体的实施方案。

但是从原理上来分析的话,必须要在灭弧信号发生之后,

依然保留两个GDT中其中一个处于正逻辑,过零点之后,另一个GDT处于正逻辑。

而后,交替负逻辑,这样可以分摊桥臂四个管导通产生的热量,在FB信号稳定的情况下,可以用组合逻辑简单实现。

直觉上用几个D触发器配合与或门就可以实现这个,对硬件描述语言应该更简单,三行之内。


[修改于 4 天前 - 2019-01-13 20:03:45]

2019-1-17 10:16:40
4楼
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不知此处将二极管并联高压mos,续流采用mosfet同步整流实现是否靠谱,直觉上效率会有些微的提升。。

5楼
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另外就是。。。我对将云豹驱动板设计成ASIC很有兴趣😂,不知这种PDM调功的桥驱动IC市场如何(本人对功率这块不熟,微电子刚入门)

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千古风流
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