交直流星芒的个人资料

【教程】系统性简介半桥拓扑及其模拟器仿真流程　　限于作者水平，本文涉及内容有限，部分观点或数据难免存在疏漏。殷切希望读者批评指正。　　Coilgun RCL utility（后文简称模拟器）中，发射电路的拓扑结构共有5种，分别是“Scr+二极管(自由运行)、MosFET+二极管+电阻(后文简称单管)、IGBT+二极管+电阻(后文简称单管)、半桥(MosFET)、半桥(IGBT)”。　　半桥是一种常用于逆变器、开关电源的拓扑结构，其包含两个晶体管。半桥式电磁加速器与半桥式开关电源、逆变器等结构均不同。前者在工作时，两个晶体管需同时通断，而后者晶体管需避免同时导通。因此，不能完全按照开关电源的半桥类比电磁加速器的半桥，以免出现理解层面的错误。　　典型的开关电源半桥结构如下图（进行推挽驱动的该拓扑在网上常被称作图腾柱）。当Q1导通、Q2关断时，输出端出现一条连接高电平的通路；当Q1关断、Q2导通时，输出端出现一条连接低电平的通路。在输出端和1/2VCC电位点（此点通过电阻或电容对VCC分压得到）之间串联变压器初级，即可用交流方波驱动变压器进行变压。需要注意的是，一旦Q1、Q2同时导通，将会短路VCC与GND。实际应用中，由于晶体管的导通和关断均需要时间，因此，常常在两管的交替导通中插入一段等待时间，以减少短路造成的发热和能量损耗。这段时间被称作“死区时间”。　　电磁加速器的半桥电路如下。它只有一个驱动端，Q1与Q2同时通断。当加速器达到触发条件时，Q1与Q2导通，电流沿C1-A-Q1-B-L1-F-Q2-H-C1对电感进行充能。当C1两端电压降至0，或加速器达到关断条件时，Q1与Q2同时关断。根据楞次定律，L1上产生由B到F的自感电流。该电流沿L1-F-VD2-E-C1-C-VD1-B-L1对电容进行充能。从而既快速消除自感电流造成的反拉，又回收了电感磁场中部分未利用的能量。　　典型的单管电路如下。与半桥相比，单管同样可以强行关断以抑制反拉，但当R1过小时，电感中剩余的磁场能不能被迅速消耗，因此不能有效抑制反拉。当R1过大时，根据楞次定律：U=dφ/dt=L*dI/dt，L1两端会产生较高的自感电压。设C点电势为0，C1电压为U1，自感电压为U2，则φA=U1，φB=U2，Q1所受反向电压U=U2-U1。根据模拟器数据，当R1很大时，该电压值可能达数千伏特；这足以击穿MosFET或IGBT，从而损坏电路并造成险情。而对于半桥电路，Q1与Q2在关断时受正向电压，且此电压不会高于C1的充电最高电压，因此不会造成击穿。　　值得注意的是，根据@iSee_iU 在科创论坛中描述的现象，半桥电路依旧存在关断时晶体管上的电压尖峰。这可能是由于电路的寄生电感导致的。　　实现半桥电路，关键是控制系统的设计以及晶体管的选择。由于模拟器数据与真实数据难免存在偏差，推荐使用单片机延时或单片机测距等可调节的控制方式取代难调节的光电定位法。　　MosFET的导通电阻是定值。对于高压MosFET，为了避免击穿，其半导体层较厚，这使得它的内阻较高。而由于电导调制效应，IGBT的导通电压降是定值。因此，对于高压电磁加速器，IGBT一般优于MosFET；低压则相反。　　下图是模拟器的各窗口截图（图中10mF的电容是作者在三年前因不明事理选择的，对于磁阻式加速器，不建议选择发射后严重电压过剩的电容）。在LCR仿真或发射模拟窗口的图像中单击右键，即可设定关断时间点。对于半桥电路，效率最高并不意味着投射物最终动能最大。设计者需要在效率与动能间取舍。由于增加了关断时间的可调参数，选取最优方案变得更加复杂和困难。这需要更为强大的数理基础支撑，而这是作者做不到的。　　如有遗漏内容，将在后续补充。