給太長不想看的同志們:法1:將黃白環位置的磁芯損耗變廢為寶。法2:節省一個黃白環電感,并且規避或利用了開關管的寄生電容(變廢為寶)。法3:一物兩用,將LED還兼作二極管在使用,而不是單純當作電阻在使用。任何帶有能量轉換作用的二極管都可考慮一肩挑兩擔。
聲明:作者表述能力差,讓大家見笑了,請各位同志見諒。為了闡述作者思前想后的改動的出發點和注意事項就會極其啰嗦。
作者分享的東西隨意使用和改動,無需任何告知。因為作者又懶(尤其是畫圖和發帖)又喜歡想精想怪。淘了些山寨貨和硬貨,瞻前顧后也弄了很多半成品。成品的話,有一部分丟大街隨緣幸運路人。
拋磚引玉,重在分享,禁用專利枷身~|Free|, idea-sharing, not for patent-prisoning~
作者的初萌想法:轉壞為好,兼用器件的本質屬性。Turn downside up & conceal its inherent characteristic.
例如,中頻電感L磁芯的鐵損用來加熱導磁金屬,高頻電容C的介質損耗用來焊接某些塑料。換能二極管D在發射電磁波EMW的同時擔當起二極管角色(可見光LED。微波磁控管Magnetron,倫琴射線管X-ray tube等高壓CRT器件都是二極管啊。而且CRT基本上可以工作在GHz級別的開關頻率,雖然其高Vf壓降和首次啟動在設計時必須考慮進去),不要只是把它當作負載電阻看待啊。
對缺少黃白環電感的山寨版電磁爐,作者的2種改法,市面上的家用電磁爐幾乎都是單管并聯諧振版本:
1.0) 改法1,將黃白環濾波電感/電流饋電電感L_current feeding的位置的磁芯損耗利用起來,無論放在直流側還是交流側都可以。
1.1) 圖1為并聯諧振感應加熱,在利用了諧振電感的高損耗磁芯加熱電飯煲鍋底的,同時還利用了濾波電感/電流饋電電感L_cf的損耗(鐵損@2x50Hz肯定存在,作者停機摸過此處的黃白環電感,熱度不小)加熱電飯煲側壁。合理設計2個電感線圈的繞向,可以降低相互的耦合。
1.2) 電流饋電電感L_current feeding(不加以區分也可被稱作平波/濾波電感,電容也是同樣的遭遇)的實質是將200V&50Hz的電壓源VS變成了電流源CS。
1.3) 為了稍微提高電飯煲側壁的安全性,電流饋電電感L_cf也可以改放到交流側的零線Neutral位置,但是需要提高感量,鐵損只是@50Hz會降低。電流饋電電感若放在交流側,當母線電容C_bus的高頻ESR不良時會對整流橋不利。
1.4) 母線電容C_bus之所以存在,是因為工頻整流橋的阻隔,能量無法返還至發電機/電源。如果開關晶體管S和開關二極管D這套組合開關是雙向可控的,那么不需要C_bus(圖1&圖2同理)。圖1所畫的開關管代表IGBT,基本上只能用在25kHz左右的中頻加熱領域。
1.5) 并聯諧振大致路徑:CS→L//C→via S, L→C, C→L, L//C→CS→via D。但是注意!實質上返不回CS,只能到C_bus。
2.0) 作者把并聯諧振改成了串聯諧振,合理利用寄生電容,省電感但不是簡單粗暴。對于缺少黃白環電流饋電電感的偷工減料山寨電磁爐,只需挑起它的諧振電容C的一只腳挪至Gnd即可)。注意前提,原電路最好是帶有諧振高壓保護(當諧振電容開路時生效),雖然該保護通常帶得有。
2.1) 圖2為電壓源VS直接供電的串聯諧振感應加熱,既可以利用L的磁芯損耗,也可利用C的介質損耗(例如,塑料的高頻焊接。或者用兩塊金屬板煎豆腐,哈哈)。
2.2) 改動后的優勢:25kHz左右的中頻范圍可以少用一個電感器。且圖2所畫的MOS開關管可以工作于MHz高頻級別(但是由于MOS的寄生二極管反向恢復欠佳,MHz級別時前置電感器省略與否不能一概而論),因為其寄生電容C_parasitic和諧振電容C已經合并而被掩蔽了。也就是能更好地實現ZVS off(ZVS on由驅動電路保證)。
2.3) 改動后的優勢:如果使用交錯并聯技術將多顆開關管并聯,頻率還可以翻倍,而不用擔心寄生電容翻倍的問題。
2.4) 改動后的劣勢:必須要有限壓措施,圖2所示的串聯諧振又稱電壓諧振(LC槽路會產生Q倍的電源電壓),而并聯諧振又稱電流諧振(LC槽路只產生π倍的電源電壓)。首次啟動時,開關S必須承受C的放電能量(相比較而言,如果并聯諧振版本缺少L_current feeding,開關S也逃不了要承受C的浪涌電流)。
2.5) 其實注意觀察就會發現,圖2就是最常見的boost PFC缺少了后方的峰值保持電路的防逆流二極管和大電解電容(把開關管S的寄生電容當作諧振電容考慮進去即可)。
2.6) 串聯諧振大致路徑:VS→L→via S, VS+L→C, C→L+VS, L→VS→via D。
3.0) 據作者觀察,絕大多數帶有能量轉換功能的二極管都是當作負載電阻在使用,其本我的二極管身份被遺忘得一干二凈。
3.1) 所有發射電磁波Electro-Magnetic Wave的二極管都可以考慮利用其本我的二極管身份。以發射光波的LED為例(低壓輸入時暫未考慮高壓領域的CRT這一大類的真空二極管器件),它只需要一個近乎恒定的電流源CS。
3.2) 阻容降壓的多串LED是直接可以將橋堆也用或者全部用多串LED代替的,尤其是在AC110V地區。如果有了電解電容和穩壓管的鉗位,則更加方便。
3.3) 如果設計成DCM不連續模式,Buck電路的續流二極管也可以用LED代替(buck電感也是電流源CS)。作者的設計方案是將buck的電容短接擯棄(Buck-Boost的電容短接也是),并優先使用低邊Buck形式利于驅動。注意!Boost電容不允許短接,不支持該方案的改動。
3.4) 由于所有LED都是PN結的載流子復合發出來的光,作者斗膽冒昧的分析,即便Buck工作于CCM連續模式也應該沒有問題。雖然某些LED的反向恢復trr性能很差(猜測主要是因為接觸面的寄生電容太大導致,因為例如最常見的白色LED。配的是黃色熒光粉,實則是發藍光的氮化銦•氮化鎵InN•GaN,本身工作頻率高于硅Si材料),但是只要它耐受得住反向恢復trr的能量,原理上直接能隙的LED反向擊穿時,只是加厚了的PN結勢壘被暫時擊穿,其載流子復合時的導帶→價帶的能隙Eg沒變,其中心頻率任然遵從換能公式Eg=hν=hc/wl(例如3.2eV的發紫光+紫外線的氮化鎵GaN,算得388nm)。推測反向擊穿時LED的發光hν與發熱幾乎同比例增加。該條由穩壓管的Zenner擊穿(注意!普通的硅Si材料不是直接能隙半導體,無論正向反向都只發熱不發光,tfr和trr期間也類似。空間輻射部分的熱IR和可見光visible light本質都是電磁波EMW,勿忘哦!)和特斯拉線圈的反并聯LED高頻指示燈并無損壞外推,合理性待驗證。