ZVS 振荡器的仿真测试

Posted 2022-08-19 卓晴

简 介： 本文对于在 LTspice 仿真环境下的 ZVS 振荡电路进行了搭建，并对之前电路起振问题进行的研究。 最终发现可以在 LTspice 仿真参数中关于 瞬态控制参数设置起始电压从 0V 开始，电路便可以正常起振了。

关键词： ZVS，LTspice，瞬态参数

 

§01 ZVS振荡器

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一、背景介绍

  在 LTspice仿真结果验证 搭建了 ZVS振荡器测试电路，但是经过仿真之后，该振荡器并没有产生振荡。 后面有读者给出这款振荡器利用了两路 MOS 在导通过程中的不对称性，比如两路的 阻容参数、MOS管的参数 实际上并不对称，因此才产生了振荡。 在 LTspice 给出的多谐振荡器中也是对两路的 NPN 晶体管的偏置电阻设置了不同的阻值（101k， 100k）提高了电路起振的速度。

  下面再通过一些方式对这款 ZVS 仿真电路测试它的振荡形式。

• 调整不同的参数，使的电路不对称，比如两路的偏置的阻值，所使用的晶体管的型号改变等；
• 在电路中增加一个外部输入的脉冲，引起电路的振荡。

二、对称的ZVS振荡器

1、搭建测试电路

  下面是搭建的测试电路。电路仿真后，在 $L_3$ 的右边，可以测量到对应的电压和电流。

L3右侧的电压电流：

电压：10.83V
电流：1.116kA

  在 $L_3$ 上的电压降是由流过的电流在等效的 $1m\Omega$ 的电阻上产生的压降。这说明电路的确没有工作。

▲ 图1.2.1 搭建测试的电路

▲ 图1.2.2 L3的右侧电压与流过L3的电流

$L_1,L_2$ 与 $C_1$ 的谐振频率：
$$f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{\left(L_1+L_2\right)\cdot C_1}}=\frac{1}{2\pi \sqrt{200\mu \cdot 1n}}=355.881kHz$$

$L_3$ 与 $C_1$ 的谐振频率： $$f_2=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_1\cdot L_3}}=\frac{1}{2\pi \sqrt{1n\cdot 10m}}=50.329kHz$$

2、修改R3阻值

  将电路中的 R3 的阻值修改为 1k。下面是电路上电后出现的一段振荡过程，但很快电路停止振荡了。

▲ 图1.2.3 电路在上电后出现的振荡波形

3、修改电源电压

  将电源电压从原来的 12V 提高的 16V，此时电路便开始了振荡。但是这种震荡是正弦振荡，与 ZVS 的振荡波形相差很大。特别是电流仍然达到了上千安培。

▲ 图1.2.4 电路振荡的波形

  可以注意到上面的振荡频率与C1,L1,L2,L3之间没有太大关系。

三、增加启动脉冲

  在电路中增加一个启动脉冲电源（V2），它在电路上电后产生一段 时间的低电平，使得电路在启动的时候两个 MOS 的状态不一致。

▲ 图1.3.1 增加有启动脉冲的测试电路

▲ 图1.3.2 V2的参数设置

  下面给出了两个 MOS 的漏极电压波形。很奇怪的是，在开始的大约 1.8ms 的时间内，出现了幅值为17kV 的脉冲波形，然后该振荡就消失了。 当时间超过 9.5ms 之后，电压信号出现了波动。

▲ 增加启动脉冲发生之后的电压波形

1、振荡稳态之后波形

  如果将前面 5ms 的数据去掉，观察在 5ms 之后的 MOS 管漏极信号，它们为：

▲ 图1.3.4 5ms 之后 MOS 管漏极的电压波形

  下图展示了 5ms 至 100ms 的波形。

▲ MOS漏极的振荡波形

  将 95ms 时间处的波形展开：

▲ 图1.3.6 振荡波形展开

▲ 图1.3.7 振荡波形展开波形

  下面给出了输出波形来 95ms 至 100ms 之间的波形 FFT，可以看到它是一个周期震荡波形。测量第一个谐振峰值为 34.996kHz。

  计算 $C_1=100nF,L_1=L_2=100\mu H$ 对应的谐振频率： $$f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_1\left(L_1+L_2\right)}}=\frac{1}{2\pi \sqrt{100n\cdot \left(100\mu F\times 2\right)}}氖泡振荡在不同的电阻电压下的波形$$

ZVS振荡电路工作原理分析

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