推挽逆变器的原理分析.docx
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推挽逆变器的原理分析.docx
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推挽逆变器的原理分析
主电路如图1所示:
Q1,Q2理想的栅极(UG1,UG2)漏极(UD1,UD2)波形如图2所示:
实际输出的漏极波形:
从实际波形中可以看出,漏极波形和理想波形存在不同:
在Q1,Q2两管同时截止的死区处都长了一个长长的尖峰,这个尖峰对逆变器/UPS性能的影响和开关管Q1,Q2的威胁是不言而喻的,这里就不多说了。
二 Q1,Q2两管漏极产生尖峰的成因分析
从图1中可以看出,主电路功率元件是开关管Q1,Q2和变压器T1。
Q1,Q2的漏极引脚到TI初级两边走线存在分布电感,T1初级存在漏感,当然T1存在漏感是主要的。
考虑到漏感这个因素我们画出推挽电路主电路等效的原理图如图4所示:
从图4中可以看出L1,L2就等效于变压器初级两边的漏感,我们来分析一下Q1导通时的情形:
当Q1的栅极加上足够的驱动电压后饱和导通,电池电压加到漏感L1和变压器T1初级上半部分,当然绝大部分是加到T1初级上半部分,因为L1比T1初级上半部分电感小得多。
此时Q2是截止的,主电路电流方向为从电池正极到T1初级上半部分到L1到Q1的DS再回到电池的负极;L1上电压的极性为左负右正,T1初级上半部分电压的极性为上负下正,如图5所示:
当Q1栅极信号由高电平变为低电平时,此时Q2也还截止,即死区处Q1,Q2都不导通,T1初级上半部分由于和次级耦合的原因,能量仅在Q1导通时向次级传递能量,到Q1截止时T1初级上半部分上端的电位已恢复到电池电压,而L1可以看做是是一个独立的电感,它储存的能量耦合不到变压器T1的次级。
但是,随着Q1由导通转向截止,L1上的电流迅速减小,大家知道电感两端的电流是不能突变的,根据自感的原理L1必然要产生很高的反向感生电动势来阻碍它电流的减小,所以此时电感电压的极性和图5相反,T1初级上半部分的电压为0,两端点的电压都等于电池电压,此时Q1漏极的电压就等于L1两端的电压和电池电压之和,这就是Q1,Q2两管漏极产生尖峰的原因,如图6所示。
三 Q1,Q2两管漏极产生尖峰的消除
上面我们已经分析了Q1,Q2两管漏极产生尖峰的原因,下面我们就来想办法消除这个尖峰了。
我想到的办法就是Q1,Q2的漏极到电池的正极加一个开关,当然这个开关也由MOS管来充当,当然其它功率管也行。
这个开关只在Q1,Q2都截止时才导通,用电路实现如图7所示:
由图7可以看出,加入D1,D2可以防止Q3,Q4寄生二极管的导通,这样,Q1,Q2漏极的尖峰就可以限制在D1,D2和Q3,Q4的压降之和了,而这个压降是很小的,漏感的尖峰的能量也释放回电池和C1了。
Q1,Q2,Q3,Q4的驱动时序如图8所示:
加入了有源嵌位后实际输出的波形如图9所示:
四 这个电路和全桥逆变电路的比较:
看到这里,大家也许会说,这个电路和全桥电路不是一样吗?
你的电路还多了两个二极管。
不错,这个电路和那种两桥臂上下管都互补的全桥电路来说还是有些相似,最大的不同就是我这个电路主电路还是推挽,它的导通压降还是一个MOS管的导通压降,而全桥电路是两个MOS管的导通压降!
对于采用低电压大电流电池供电的应用场合,这个电路的损耗更小,效率更高,因为漏感的储能比较小,Q3,Q4选型时可以比Q1,Q2电流小得多,因而节约了成本。
实际上Q3,Q4可以只用一个的,如图10所示:
驱动逻辑改为,如图11所示:
总结:
本文从原理出发分析了在推挽逆变器中两开关管漏极产生尖峰的原因,提出了改进方法,并在实际应用中得到验证是可行的,相比于传统推挽逆变器,极大地提升了了性能,提高了效率和稳定性。
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2帖 xzszrs师长 -07-0314:
15
本文未经作者同意,严禁转载!
对推挽逆变器中变压器漏感尖峰有源嵌位的研究
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4帖 lizlk旅长 315:
27
钟工啊,我早就听说您有这个研究了,只是到现在您才发出来,以前我听到您说的推挽的有源钳位,我还以为是用反相的办法在开关管关闭的时候进行磁复位的,今日一见,TOP非常高级呢,这个东西具有非常大的实际价值,强帖啊!
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5帖 xzszrs师长 -07-0315:
32
谢谢!
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6帖 lizlk旅长 315:
34
大师级手笔就是不一样,这个应该是您多年的研究成果!
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8帖 xzszrs师长 -07-0315:
38
昨天何编还催我带个头,一时黔驴技穷啊,只有把那一点箱底的破烂翻出来了。
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10帖 lizlk旅长 315:
41
呵呵,这个帖子里面的技术,我觉得应该是一等奖!
!
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13帖 xzszrs师长 -07-0315:
48
重在参与!
能拿到名次当然值得高兴,没拿到名次也了无遗憾,毕竟努力了。
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20帖 lizlk旅长 316:
00
这么大一块金子,回报是应该的!
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7帖 xzszrs师长 -07-0315:
36
“用反相的办法在开关管关闭的时候进行磁复位的”差不多啊。
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9帖 lizlk旅长 315:
39
惭愧啊,你的这个研究,我还是在几年前在您的一个回复的帖子里偶然得见,当时您只说到:
推挽的有源钳位,我当时的想法是用一堆逻辑电路来做2个通道的时序,今天一见,您的要先进多了!
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15帖 xzszrs师长 -07-0315:
51
一个意思,殊途同归啊!
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19帖 lizlk旅长 315:
57
多谢钟工释疑!
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125帖 waterayay工兵 62010-09-0621:
02
强、强、强~~~~
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11帖 powerants营长 615:
44
钟工,申请专利了没?
没申请的话,俺想抄哦...哈哈
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12帖 xzszrs师长 -07-0315:
44
已经申报!
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17帖 powerants营长 615:
56
专利号呢?
俺看看能不能绕过去,省得将来被你满世界的追着讨专利费。
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21帖 xzszrs师长 -07-0316:
00
还在审查中,还没发下来。
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22帖 lizlk旅长 316:
02
蒋工是用来想做商业化的产品吗?
如果是,可以付费给钟工也可以啊,我一直认为,没有回报的付出,是走不下去的。
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23帖 xzszrs师长 -07-0316:
04
其实大家要用这个电路我也看不到啊。
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25帖 lizlk旅长 316:
08
所以说啊,如果商业化操作,还是交一点费用比较好,这样才符合社会进步的表现啊!
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26帖 xzszrs师长 -07-0316:
11
高见!
真是有识之士啊!
这么说大家别骂我哦。
只是中国的国情不是这样的,很多好东西都习惯了免费使用啊。
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27帖 lizlk旅长 316:
16
哎,刚刚我还向Admin推荐该帖子,就说到了,人懒,要拿现成的这个问题,这种要是放到西方,人家是很自觉的主懂联系作者或者所有人,在中国就不一样啦。
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142帖 xy_k8299团长 1372二2010-12-0508:
25
应该尊重知识产权,
强帖,学习了,顶顶。
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29帖 powerants营长 617:
17
我是跟钟工开玩笑的啦,我不用这个电路,只是觉得创意很好。
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136帖 9qq排长 142八2010-11-0700:
14
钟工请你帮我看哈这波形有没有问题,驱动4对RU6199的时候没这个多出的竖线,驱动3对RU190N08就这样,不明白是怎么回事,请你指点一下是不是那里没做好
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3帖 tby2008旅长 314:
30
值得收藏!
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137帖 xzszrs师长 4729七2010-11-0710:
10
加大一点栅极电阻试下。
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138帖 9qq排长 142六2010-11-0721:
38
板子是老寿师傅的驱动板,你看要怎么改一下参数
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14帖 powerants营长 615:
50
好像有问题哦,两颗主开关都截止时,钳位开关导,开关通过二极管把某一个初级绕组给短路了,尖峰能量并没有通路可以馈回源端,请钟工再看一下。
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16帖 xzszrs师长 -07-0315:
53
反复验证过的,没有问题。
这个时候初级绕组已经没多少能量了。
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18帖 xzszrs师长 -07-0315:
57
而且漏极的电压高过电池,钳位电流的流向为漏极到二极管到钳位MOS到电池(或C1)
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30帖 huamg团长 317:
37
透彻,赞一个。
但有几个观点,说错请钟工指正
1:
感觉有源电路回流是治标,认为应该着手于变压器的匹配和线路的损耗
2:
我看到有些人的主干大电流高频线路弯曲存在线路感量,推挽正负交流回路太长(常规说的滤波电容,实际上是交流回路电容),有些没有此电容回路全靠电池。
3:
死区所造成的尖峰损耗,在开与关的时候磁场没有反转时的空间内存在尖峰。
请教。
。
。
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43帖 xzszrs师长 -07-0409:
09
老前辈说的对啊。
虽然治标也可以把电路变得更加完美,就是加了我那电路也还存在死区,也就几百纳秒到几个微秒吧,这时再用RC或RCD来吸收就比较容易了。
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140帖 yechunlei团长 1261四2010-12-0407:
33
这么说的话,那回路充电回路是怎么形成的?
我想应该是下绕组正端通过电源正---电源负----Q2寄生二极管---下绕组负端吧
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50帖 zlx305营长 7032010-07-0508:
58
钳位开关导通,漏感能量向变压器释放,从而传输到次级,并非回馈初级
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51帖 zlx305营长 7032010-07-0509:
06
这个电路还是很不错的
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24帖 paloalto团长 8642010-07-0316:
06
强帖啊~先收藏,再推荐。
。
。
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28帖 machi518排长 16:
38
还没看,先顶下!
这个PDF怎么下不来?
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33帖 xzszrs师长 -07-0319:
19
点击按鼠标左键再保存可以,刚刚还试过。
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31帖 powerants营长 618:
28
谈一下我的意见:
1,主贴的图6,我不赞同。
你在图7与图8之间的文字说明“由图7可以看出,加入D1,D2可以防止Q3,Q4寄生二极管的导通,这样,Q1,Q2漏极的尖峰就可以限制在D1,D2和Q3,Q4的压降之和了,而这个压降是很小的,漏感的尖峰的能量也释放回电池和C1了。
”
我认为:
在死区期间,不只是漏感要辞放能量,变压器本身的励磁电感也要辞放能量,在没有Q3这一通路的情况下,变压器初级的上半部份两个线头不可能等电位。
励磁能量将由另一半绕组通过下管的体二极管向电源放电去磁,放电电流见我这张图中的红线
而上半组绕组产生一倍的电压加在上管的漏极,再串入漏感上的电压,在Q1上形成如下的电压波形。
而在加入Q3这一通路后,死区期间Q3导通,将变压器初级的去磁电压钳位到D1的导通电压上,变压器初级通过D1、Q3以等于变压器励磁电流的放电电流维持磁场通量存在。
到这里,我认为漏感能量不是送回电源端,而是与励磁能量一起,由D1(D2)、Q3提供一个“零阻抗”放电通路(电流路径见图中的兰线),一直以磁场能量的形式保持而不被消耗掉,直到下半周下管导通时被再次利用。
(在这里用“一直”作为时间量是比较夸张了,不过由于VB远大于Vd,因此去磁时间也远大于ton,也还说得过去)
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32帖 xzszrs师长 -07-0319:
14
正激式变压器自身的励磁电感是不储存能量的,既然不储存就无所谓释放。
最简单的办法就是画一个理想的初级上半部分绕组两端的波形如下图:
当然这个是理想的,可以看到死区处电感两端电位为0,这因为有漏感的存在,死区处变得不为0了,可能达到很高的尖峰。
采用本电路后这个尖峰被钳位在二极管压降加上钳位管压降,如下图:
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34帖 powerants营长 619:
22
咱们用的变压器可不是理想变压器,不存在“正激式变压器自身的励磁电感是不储存能量的”一说
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35帖 xzszrs师长 -07-0319:
28
咱们用的变压器当然不是理想的变压器,否则要我这个电路何用?
但是既然我已经建立了一个现实变压器=理想变压器加漏感这么个模型看来分析,我就可以认为模型中的理想变压器初级上半部分死区时两端电位为0!
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36帖 powerants营长 621:
57
请注意:
理想变压器在空载时没有初级电流,实际变压器需要励磁电流建立工作磁场。
拿你的变压器测一下初级电感,这个电感就是励磁电感,流经励磁电流就会有储能。
因此初级的能量有两部份,一是漏感的储能,二是励磁电感的储能,后者比前者要大得多。
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37帖 xzszrs师长 -07-0322:
14
这个问题就到此为止吧,由其它网友去分析。
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38帖 huamg团长 323:
27
理想变压器励磁只有能量变换,没有储能。
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39帖 powerants营长 623:
34
问题在于,真实的变压器,是理想变压器与励磁电感并联形成。
。
。
当然,还有漏感,杂散电容,电阻分量,这三者不是主要成份。
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40帖 huamg团长 323:
59
真实的变压器,在传输中存在漏感而形成无用功,钟工意思是将这无用功变为有用功而且减少对机器的影响和危害,一举二得,呵呵。
。
。
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41帖 龙啸九天班长 702:
07
漏感产生的确实是无用功,可是励磁电感在有缘钳位下不能完全的消除,依然会存在有储能,这个是必然的。
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42帖 huamg团长 407:
26
励磁电感和漏感是并存的,钟工的思路是把漏感产生的无用功再回收利用变为有用功,那怕是1%效率也是确实提高了,而且这个有源钳位是把尖峰控制在最低限度,
但是要提高效率这是其中之一,如果变压器的漏感非常完美,与推动电路非常匹配的情况下将失去这一优势,效率的损失在线路上也有一定的比例
多个变压器并用也是效率损失之一
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44帖 xzszrs师长 -07-0418:
19
激磁电感和理想变压器并联没错,因为初级电感不是无限大,磁芯导磁率不是无限高才导致空载电流。
但是激磁电感和漏感完全不是一回事,漏感是和理想变压器串联的,负载电流越大漏感的储能就越多产生的尖峰就越高,影响也越大,而激磁电感表现在空载时最严重(其实也并不严重因为空载电流很小),随着负载的加大,激磁电流占总电流的比重就越小,比如一个500W的逆变器,空载电流,满载电流50A,那只占%,哪算啥呢?
要是短路占得比重就更小了,漏感短路就要承担全部的电压了。
所以本文研究的是漏感的尖峰而不是可以忽略的激磁电感!
!
!
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45帖 powerants营长 620:
07
以EE55为例,其AL值约7uH/N^2,24V下开环跑50K,脉宽做到9uS,死区1uS吧,3T3T,3T的感量约63uH,励磁峰值电流Ip=24*9/63=,励磁能量Wm=**^2=
漏感有多大呢?
我的测量通常是小于,就算EE55强制风冷跑1500W,初级平均峰值电流也只有:
I=功率/电压/占空比/效率=1500/24/=73A,由于开环升压应用中,变压器输出电流总是开关导通时最大,关闭前的瞬间电流最小,因此关闭前的瞬时电流会小于73A,但我们现在无法测出这个瞬时的电流值,就当是73A好了
那么漏感储能大小是多少呢?
约为:
Wr=**(73)^2=
可见,励磁能量,要比漏感能量还要大些,怎么能忽略呢?
回复45帖
46帖 xzszrs师长 -07-0422:
22
你要说开环就不用说了显然用我的电路不合适。
就算用了我的电路也要1uS的死区,我前面都说了。
还有说过激磁电感和负载多大无关,只和空载有关,带上负载只是一个叠加。
还有我告诉你平均输入电流如果是73A的话,开关管的峰值电流大约是倍,这是功率管选型的重要依据之一。
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54帖 powerants营长 609:
47
你说:
“还有我告诉你平均输入电流如果是73A的话,开关管的峰值电流大约是倍,这是功率管选型的重要依据之一。
”
开关管的峰值电流大约是倍?
第一次听说。
如果是闭环的话,那么肯定需要一个BUCK电感,BUCK电感为了降低磁损,通常需要满载的纹波电流系数控制在,这种情况下,开关管峰值电流也就只有开关开通电流平均值的倍,何来的倍?
回复54帖
47帖 xzszrs师长 -07-0422:
28
励磁峰值电流Ip=24*9/63=,这个显然是不对的,你的空载电流有这么大?
还是在24V空载大于都不正常了·,一般都是。
你算下能量才多大
回复47帖
48帖 正弦芯旅长 -07-0508:
17
钟工的帖子一定要顶!
我也一直在关注这方面的研究。
这是闭环推挽最好的一种方案!
回复48帖
55帖 xzszrs师长 -07-0510:
00
谢谢王大师支持!
回复55帖
53帖 powerants营长 609:
40
呵呵,实测的电流是消电路消耗的平均电流,注意:
励磁电流的波形是三角,而且在主开关关闭后,初级另一半绕组会产生感应电流,反过来将励磁能量馈回电源端,如果磁损为零,次级输出为零,各种器件损耗也为零,那么回馈的能量等于励磁能量,空栽电流也为零。
但实际上由于变压器有磁损,输出也不为零,别的器件也有损耗,因此大家测出来的空载电流,是这些上述的这些损耗。
励磁峰值电流Ip=电压*时间/电感量=24*9/63=,这个是基本功,玩电源的都知道。
回复53帖
56帖 xzszrs师长 -07-0510:
02
问题是你这个初级电感太小
回复56帖
59帖 powerants营长 610:
07
OK,EE55跑50K用3T+3T,电感量=3的平方*7uH=63uH,你说电感量“小”我同意,请问钟工,你的初级电感量是多大?
不是全部哦,起作用的只是一半绕组。
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60帖 xzszrs师长 -07-0510:
34
我的24V一般用4T+4T,半边电感约160uH。
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61帖 powerants营长 610:
45
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