參賽類型:逆變/UPS電源類

 大家可能看到我的題目可能覺(jué)得有些奇怪,大伙很難把單變自激和高效想到一起...做逆變器和魚機(jī)的一定對(duì)DC-DC不陌生,DC-DC有自激它激啥啥啥一大堆方案可選,它激稍微復(fù)雜自激簡(jiǎn)單但是效率腦殘,即便是現(xiàn)在的它激也很少有能做到效率超高(因?yàn)闆](méi)有實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)).本人設(shè)計(jì)了一種即簡(jiǎn)單(所有元件均很容易找到)又高效功率適中而且?guī)щ妷嚎刂乒δ艿腄C-DC,下面來(lái)呈現(xiàn)給大家

電路的靈感來(lái)自這個(gè):

和下面這個(gè)看著很像,但是本質(zhì)很不一樣:

別混了 

這是一個(gè)老外設(shè)計(jì)的單變自激推挽電路,用來(lái)推動(dòng)電視機(jī)高壓包來(lái)實(shí)現(xiàn)拉弧.這個(gè)電路簡(jiǎn)潔高效,我測(cè)試過(guò)可以達(dá)到91%!(因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了ZVS零電壓開(kāi)關(guān)).下面是我翻譯的老外的講解(原文來(lái)自:http://teravolt.org/zvs-driver/),讓大家簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)一下這個(gè)神奇的電路：

當(dāng)電源電壓作用于V+,電流開(kāi)始同時(shí)通過(guò)兩側(cè)的初級(jí)并施加到MOS的漏極（D）上.電壓會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在MOS的門極（G）上并開(kāi)始將MOS開(kāi)啟.因?yàn)闆](méi)有任何兩個(gè)元件是完全一樣的,一個(gè)MOS比另一個(gè)開(kāi)的快一些,更多的電流將流過(guò)這個(gè)MOS.通過(guò)導(dǎo)通側(cè)初級(jí)繞組的電流將另一側(cè)MOS的門極電壓拉低并開(kāi)始關(guān)斷它.圖中電容和初級(jí)的電感發(fā)生LC諧振并使電壓按正弦規(guī)律變化.如果沒(méi)有這個(gè)電容,通過(guò)MOS的電流會(huì)一直增大,直到變壓器飽和+MOS發(fā)生核爆炸......

假設(shè)Q1首先開(kāi)啟.當(dāng)Z點(diǎn)電壓跟著LC諧振的半個(gè)周期上升到峰值再回掉時(shí),Y點(diǎn)電壓會(huì)接近0.隨著Z點(diǎn)電壓下降到0,Q1的門極（G）電壓消失,Q1關(guān)閉.同時(shí)Q2開(kāi)啟,此時(shí)Y點(diǎn)電壓開(kāi)始上升.Q2的導(dǎo)通把Z點(diǎn)電壓拉低到接近地,這可以確保Q1完全關(guān)斷.Q2完成LC振蕩的半周后會(huì)重復(fù)同樣的過(guò)程,此振蕩器繼續(xù)循環(huán)工作.為了防止本電路從電源拉取巨大的峰值電流而損壞,增加了L1在變壓器抽頭處和V+之間作為緩沖.LC阻抗限制著實(shí)際的電流（L1只是減少峰值電流,因?yàn)殡姼杏欣m(xù)流作用吧）.

如果你眼夠尖,會(huì)發(fā)現(xiàn)此振蕩器是一個(gè)零電壓開(kāi)關(guān)電路（zero-voltage switching ZVS）,這意味著MOS將在其兩端電壓為零時(shí)關(guān)斷.這對(duì)MOS有好處,因?yàn)樗试SMOS在承受應(yīng)力比較低的時(shí)候進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作,這意味著不再需要像硬開(kāi)關(guān)變換器那樣的巨大散熱器,甚至當(dāng)功率大到1KW時(shí)都可以這樣!ZVS的振蕩頻率將由變壓器初級(jí)的電感和跨接在初級(jí)兩端的電容決定.可以用下列公式計(jì)算：

f = 1/2 * π * √(L * C)
f 頻率,單位Hz
L 初級(jí)的電感,單位H（注意不是uH！1H=1000000uH?。?BR>C 諧振電容的容量,單位F（注意不是uF!1F=1000000uF)

真實(shí)的MOS比較脆弱,如果門極（G）和源極（S）之間的電壓超過(guò)正負(fù)30V,MOS會(huì)損壞.為了防止這種事情發(fā)生,我們需要門極（G）的保護(hù)措施；只是簡(jiǎn)單地增加幾個(gè)額外的元件.如下圖.

 

? 470歐電阻用來(lái)限制MOS門極（G）的電流,防止損壞.
? 10K電阻用于確保MOS可靠關(guān)斷.
? 穩(wěn)壓二極管將MOS的門極（G）的電壓限制在你選用的穩(wěn)壓二極管（12V、15V、18V）的擊穿電壓之內(nèi).
? 當(dāng)一側(cè)MOS導(dǎo)通時(shí),UF4007將另一側(cè)MOS的門極（G）電壓拉低

值得注意的是,我們改用+V為MOS供電,使它們開(kāi)啟,并使用LC諧振部分通過(guò)快恢復(fù)二極管關(guān)斷它們.這提高了整體電路的性能.因?yàn)長(zhǎng)C震蕩時(shí)的電壓比輸入電壓高,所以你需要確認(rèn)你的MOS可以承受這個(gè)電壓.一個(gè)比較好的選擇MOS方式,MOS的耐壓要為4倍輸入電壓以上,IRFP250和更好的IRFP260很適合ZVS（我用IRF540也很好,但是輸入不要超過(guò)20V,IRFZ48、IRF1404等管耐壓過(guò)低不宜使用）.你需要為MOS添加散熱器,但是不用特大.記住在安裝散熱器時(shí)一定要加絕緣墊（TO247的IRFP250和IRFP260要加絕緣墊,TO220的IRF540除了絕緣墊還要加絕緣帽?。?因?yàn)镸OS的散熱器不是和引腳不是電學(xué)絕緣的（散熱片和漏極是通的,我想但凡搞電子的都知道吧、）.那個(gè)諧振電容一定要用好的,MKP電容,云母電容,Mylar電容（這個(gè)不認(rèn)識(shí)）是很好的選擇（電磁爐電容最佳~~）,千萬(wàn)不要用電解電容,會(huì)核爆炸的.兩個(gè)初級(jí)繞組必須要同方向繞制,否則不工作.如果變壓器沒(méi)氣息,同樣不會(huì)工作.

相信大家看過(guò)之后對(duì)這個(gè)神奇的電路有所了解了,大家可以做一個(gè)這個(gè)電路驗(yàn)證下,發(fā)熱很小的.理論上這個(gè)電路中只有MOS那微小的導(dǎo)通電阻會(huì)發(fā)熱,實(shí)際上由于本圖的MOS驅(qū)動(dòng)上拉非常簡(jiǎn)單(直接使用470歐電阻),導(dǎo)致MOS開(kāi)通的上升沿略長(zhǎng),對(duì)于IRFP2907等結(jié)電容大的管子尤其明顯,因此管子也可能因此發(fā)熱.......

這個(gè)電路看著完美了,但是它可是有一個(gè)致命的弱點(diǎn),那就是空載輸出電壓虛高,設(shè)計(jì)輸出400V的變壓器可能空載輸出1KV多,可以擊穿近1mm空氣拉弧,弧可以拉到4mm,如果直接用來(lái)給后極電容充電的話,空載的后果大家可以想想,因此,重點(diǎn)來(lái)了,必須要對(duì)它的輸出加以控制!

首先說(shuō)明一個(gè)控制該電路的很簡(jiǎn)單的方式,那就是

斷開(kāi)圖中紅叉的位置,接上開(kāi)關(guān)或者晶體管實(shí)現(xiàn)對(duì)電路工作狀態(tài)的控制!這樣一來(lái),思路就簡(jiǎn)單多了.參考3525準(zhǔn)閉環(huán)前級(jí)的電路,我使用TL431+PC817反饋:

這電路的功能是當(dāng)DC的電壓大于設(shè)定值時(shí)光藕里的發(fā)光二極管導(dǎo)通已反饋給前級(jí)一個(gè)信號(hào)通知前級(jí)關(guān)斷,等到后級(jí)電容電壓下降后再開(kāi)啟前級(jí).但是圖中的Feedback不能直接用于控制自激電路的工作狀態(tài),因?yàn)槿绻苯涌刂频脑挳?dāng)DC在閥值附近來(lái)回變動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致功率升壓部分頻繁開(kāi)關(guān),這樣功率電路的ZVS狀態(tài)無(wú)法建立,管子會(huì)發(fā)熱.因此需要限制最低關(guān)閉時(shí)間,我加入了一個(gè)典型的NE555單穩(wěn)態(tài)電路:

當(dāng)反饋信號(hào)來(lái)臨時(shí),第二角電壓被拉低,單穩(wěn)態(tài)電路被觸發(fā),3腳輸出高電平使Q2截至,升壓電路暫停工作,由于單穩(wěn)態(tài)電路至少輸出0.1S的高電平,這樣可以避免功率部分頻繁開(kāi)關(guān)(實(shí)驗(yàn)證明如果把控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率升高到200Hz會(huì)觀察到明顯發(fā)熱)

還有一個(gè)問(wèn)題,該功率電率在工作的時(shí)候會(huì)在電源上興風(fēng)作浪,即產(chǎn)生尖峰,這對(duì)NE555是秒殺性質(zhì)的,因此我加入了電子濾波:

Q1構(gòu)成電壓追隨器,當(dāng)尖峰來(lái)臨時(shí)由于C1兩端電壓不能突變,因此尖峰被濾除.這樣我們就得到了完整的電路圖:

該圖經(jīng)過(guò)修改已經(jīng)成型,主要變化是后級(jí)的TL431和PC817改用輔助繞組供電,之前的問(wèn)題是兩電容電壓差別太大,因?yàn)槟莻€(gè)30K電阻所致,目前改前級(jí)空載可穩(wěn)定在740V.先前的電路圖還是留著的,給大家看:

這個(gè)電路部分被仿真過(guò),無(wú)誤,Multisim11仿真文件:TL431+PC817 

電路近期正在被制作,請(qǐng)大家持續(xù)關(guān)注!