磁阻炮里续流二极管的作用
三水合番 2020-3-23原创 电磁炮
关键词
续流二极管可控硅无关断磁阻炮

本文的结论是:可控硅无关断磁阻炮的续流二极管,作用是①保护电解电容,避免它被反向充电而损坏;②保护电容充电电源的整流二极管,避免它过流损坏;③与保护可控硅无关。

本文标题中的磁阻炮,指“可控硅无关断磁阻炮”,其功率回路如下图(不包含寄生参数)。

 

可控硅无关断磁阻炮的功率回路.png

图1


1. 关于保护电解电容

这是续流二极管的主要作用。如果不加续流二极管的话,各点电压和电流波形的仿真结果,和使用的仿真模型如下

 

没续流二极管.png

图2

此时,储能电容和线圈形成了一个简单的LC振荡电路。储能电容放电到0V之后,会被线圈反向充电。常用的铝电解电容是有极性的,反向充电导致其损坏。因此需要加续流二极管,来避免这个问题。加续流二极管之后的仿真结果和模型如下

 

有续流二极管.png

图3

可以看到,在线圈两端电压方向改变之后,续流二极管导通。之后,线圈中的能量以发热的形式,损耗在线圈寄生电阻和二极管上。避免了电容因为反向充电而被损坏。

顺带一提,图3里可以看到,续流二极管导通时,它上面的电流并不是瞬间升到峰值,而是相对“平缓”的上升。所以说,续流二极管并不需要很好的频率特性,没必要用快恢复二极管,用普通的工频整流管就够了。这个平缓的上升是由电容内阻导致的,具体原理与本文无关,就不展开讨论了。

有些人会因为“不加续流二极管发射,电解电容也没有出现立刻的、致命的损伤”,而得出“续流二极管的作用不包括保护电解电容”的结论,这是错误的。铝电解电容在承受少数几次脉冲式的反向充电后,本身也不一定会出现显著的损伤。电解电容反向充电时损坏的原理,目前主流的理论是“氢离子理论”——反向电压会导致电解液击穿,使其中的氢离子变成氢气,氢气的膨胀使氧化铝层脱落,进而使电容损坏。在氧化铝层脱落较少时,铝电解电容可以“自愈”——在加正向电压时,通过电解液提供氧的负离子(O2-),能自动修补氧化铝膜中的瑕疵,使其绝缘性能恢复到可用的水平。但是这个自愈能力是有限的,平白无故的浪费自愈能力会缩短电容寿命,因此需要加续流二极管来避免这种浪费。

不过说,不加续流二极管导致的电容寿命缩短程度,目前并没有已公开发表的、定量的实验结果。也许即使每次发射都让电容进行一遍“损伤再修复”,寿命依然在可接受的范围内。如果能有人做一下相关实验,也是极好的。(当然,这不耽误现在的二极管主要作用是保护电容)


2. 关于保护电容充电电源

这是续流二极管的次要作用。一般的作品里,电容充电电源(以下简称CCPS)是始终和储能电容相连的。尽管发射的时候一般会关掉CCPS,但几乎没人会每次发射都把连接断开(指剪断线、焊断焊点这种硬核的断开)。而一般的CCPS都是直接用整流二极管输出的。如果不加续流二极管,储能电容被反向充电之后,CCPS的输出会脱离电路的控制,直接导通,如下图

 

线圈续流损坏CCPS.png

图4

CCPS的整流二极管,一般耐流都不大,直接承受线圈续流的电流,会过流烧毁。对于反激类的CCPS,由于整流二极管和电阻很大的变压器次级串联,电流不会特别大,可能不会烧毁二极管。但是大电流会使变压器饱和,可能使开关管过流烧毁,较高的负压也可能损坏反馈电路。

加续流二极管之后,电容不会被反向充电,这些问题自然也都不存在了。


3. 关于和保护可控硅无关

续流二极管和保护可控硅无关。有一种说法是“不加续流二极管的话,线圈续流产生的高压会击穿可控硅”,这是错误的。

首先给出一个没有加续流二极管,且没有损坏可控硅的例子 

https://www.kechuang.org/t/82409

然后从理论上说明一下。可控硅有“闩锁”的特性——门极只能控制导通,不能控制关断。导通之后,撤掉控制信号,依然会保持导通状态,直到阳极电流降低到接近零之后,才能自然关断。所以如果线圈上还有电流,那可控硅就不会关断,此时显然不会有高压。可控硅关断的时候,线圈上几乎没有电流,当然就不会有“续流产生的高压”了。仿真结果参见图2,即使不加续流二极管,整个发射过程中,也不存在正向的电压尖峰。

当然,续流二极管对可控硅也不是一点好处也没有。从图3可以看出,续流二极管能分担一部分线圈电流,让可控硅承受的电流略微小一点。但是这个作用非常有限,远远达不到“保护”的程度。

+1  科创币    rb-sama   2020-03-23   +1
来自:高压与强磁 / 电磁炮
 
6
2020-3-23 11:08:20
三水合番(作者)
1楼

结束之后说点闲话:之所以要发这篇帖子,是因为最近在电磁炮爱好者中,“续流二极管是保护可控硅”的说法不知怎的越来越流行了。之前在群里聊天,发现一个纠正一个,但是越纠正越多……而且匪夷所思的是,不仅新人这样,甚至有些混迹圈子多年的“大佬”也这样……照这样下去挨个纠正得累死,所以就整理了一篇帖子出来。这样以后再有搞不清的,直接发个链接就好了,简单有效。讲真,这篇帖子的内容,放到10年前,都应该是“显然可知”的程度,现在竟然要单独写篇帖子讲。不知道论坛里有没有研究文明史的,有的话也许可以把这当作一个案例,研究研究文明的衰退之类的😂


另外附上仿真文件,使用的软件是Multisim14

attachment icon 不加续流二极管.ms14 69.45KB MS14 6次下载

attachment icon 加续流二极管.ms14 88.23KB MS14 7次下载

[修改于 13 天前 - 2020-03-23 11:13:42]

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2020-3-23 23:19:24
2楼

可控硅按说需要加反向电压关断,在实验中发现电炮的可控硅会自己关断,加不加二极管都如此。这么看来是反向充电造成的lc振荡中反向分量关断了可控硅。(在需要自动连续发射的工况其实是个好现象)

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2020-03-24 08:06:46
三水合番(作者)
3楼
引用qwe发表于2楼的内容
可控硅按说需要加反向电压关断,在实验中发现电炮的可控硅会自己关断,加不加二极管都如此。这么看来是反向...

可控硅不用反压关断哇。可控硅上即使始终是正压,只要电流小于“维持电流”,就可以关断。

比如70TPS系列的维持电流是200mA,电流自然衰减到这以下就能关断了。

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4楼

其实在帖子里面提到,放电对CCPS的损坏。

我觉得你漏说了重要的一点,我手持感应炮的作品,用的是输出电阻来减少续流电流的。

但是依然没有效果,因为感应炮电压高,Q值也高,

最重要的还是要在初级驱动MOS管上,并联电压尖峰保护器件,否则一炮烧一次。

单从原理上分析,正常安全工作的反激,MOS管的反射电压也是安全的,所以解释不通,原理尚待探明。

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三水合番(作者)
5楼
引用rb-sama发表于4楼的内容
其实在帖子里面提到,放电对CCPS的损坏。我觉得你漏说了重要的一点,我手持感应炮的作品,用的是输出电...

可能是次级的反向电压,在初级产生了很大的感应电流,流过mos的体二极管,让它过流烧掉了。你并联的电压尖峰保护器件是稳压二极管吗?可能是稳压管分担了一部分电流,让mos活下来了

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